西成客專 64 m雙線簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)

張祥君

1 工程概況

漢中漢江特大橋主要為跨越漢江而設(shè),是西成客運(yùn)專線的重點(diǎn)控制工程之一。該橋全長(zhǎng)4 924.1m,其中主橋拱采用 12孔 64m雙線簡(jiǎn)支箱梁。該箱梁預(yù)制架設(shè)施工是目前國(guó)內(nèi)客專中最大跨度節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁,每孔 64 m箱梁重達(dá)2 600 t,創(chuàng)國(guó)內(nèi)雙線客運(yùn)專線簡(jiǎn)支梁跨度最大、拼裝重量最重。本文主要介紹 64m箱梁的構(gòu)造、設(shè)計(jì)過(guò)程及施工方法。

2 64 m簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1 )速度目標(biāo)值：250 km/h,基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留進(jìn)一步發(fā)展條件。

2 )線路情況：位于R=8 000m曲線上,線間距5.0m。

3 )設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

4 )地震烈度：本結(jié)構(gòu)位于地震動(dòng)峰值加速度 0.105g,相當(dāng)于地震基本烈度 7度。

2.2 箱梁構(gòu)造

64m雙線簡(jiǎn)支箱梁全長(zhǎng)66.3m,計(jì)算跨度64m,梁端設(shè)40 cm槽口,支點(diǎn)距梁端 75 cm。箱梁采用單箱、單室、直腹板、等高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁,梁高 5.6 m,高跨比為 1/11.43。梁頂寬12.1m,梁頂按兩側(cè)排水方式設(shè)計(jì),梁底寬 6.7m,頂板厚 40 cm,中心處厚48.4 cm;底板厚35 cm,腹板厚50 cm。在箱梁兩端支座處設(shè)置厚 1.5m橫隔板,橫隔板處均設(shè)置過(guò)人洞。梁上設(shè)置通風(fēng)孔,以降低箱內(nèi)外溫差。

2.3 箱梁節(jié)段劃分

本箱梁采用在預(yù)制場(chǎng)地分節(jié)段預(yù)制,在造橋機(jī)上整孔組拼施工。箱梁預(yù)制段長(zhǎng)度根據(jù)梁段重量控制在 1 600 kN以內(nèi)及減少梁段種類(lèi)的原則,每跨箱梁采用奇數(shù)分塊,跨中不設(shè)濕接縫,對(duì)稱布置。本梁共分為 15個(gè)梁段,14個(gè)濕接縫,濕接縫寬 80 cm。

2.4 主要材料

64m簡(jiǎn)支箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),箱梁采用 C50混凝土。普通鋼筋采用HPB235,HRB335級(jí)鋼筋。

64m箱梁采用縱向、橫向、豎向預(yù)應(yīng)力體系。

縱向預(yù)應(yīng)力：采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860MPa,Ep=195GPa的φj15.2mm鋼絞線。預(yù)制梁段采用直徑 88mm的橡膠抽拔棒成孔,濕接縫采用外徑 86 mm的雙波波紋管成孔。腹板共布置28束 15-φj15.2mm鋼束,底板共布置 7束 15-φj15.2 mm,8束12-φj15.2mm鋼束。所有縱向鋼束均采用 M 15或 M 12錨具錨固,兩端張拉。

橫向預(yù)應(yīng)力：采用 4-7φ5鋼絞線,BM 15-4(P)錨具,內(nèi)徑70mm×19mm扁形鍍鋅金屬波紋管成孔。箱梁沿縱向0.5m在頂板內(nèi)布置一道橫向預(yù)應(yīng)力筋,在箱梁兩側(cè)交替單端張拉。

豎向預(yù)應(yīng)力：采用直徑25mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋,JLM-25錨具錨固,內(nèi)徑 35mm鐵皮管成孔。箱梁每道腹板布置 1根豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋,順橋向間距0.5m,梁頂張拉。

采用GTQZ-Ⅲ型球形鋼支座,各支點(diǎn)沿橫向布置2個(gè)支座,間距5.5m,支座噸位12 500 kN。

3 計(jì)算分析

3.1 梁部縱向計(jì)算

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算按照全預(yù)應(yīng)力理論進(jìn)行設(shè)計(jì),受拉區(qū)不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力和裂縫。根據(jù)擬定的施工方法和施工步驟按平面桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析。簡(jiǎn)支梁采用移動(dòng)支架施工,施工過(guò)程中不存在體系轉(zhuǎn)換。計(jì)算中考慮了恒載、列車(chē)活載、預(yù)加力以及混凝土收縮徐變對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響,縱向預(yù)應(yīng)力鋼束根據(jù)彎矩包絡(luò)圖計(jì)算并設(shè)置。

3.1.1 計(jì)算參數(shù)及設(shè)計(jì)荷載

1 )混凝土：箱梁采用 C50混凝土,環(huán)境相對(duì)濕度 70%,混凝土平均加載齡期按 7 d計(jì),終極齡期按 3 000 d計(jì)?；炷寥葜夭捎?6.0 kN/m3。

2 )預(yù)應(yīng)力鋼筋：縱向預(yù)應(yīng)力鋼束金屬波紋管道μ=0.23,K= 0.002 5,橡膠抽拔棒μ=0.55,K=0.001 5,計(jì)算時(shí)按長(zhǎng)度取加權(quán)平均值。一端錨具回縮6mm,一個(gè)接縫壓縮值0.05mm,松弛損失 0.03σcon。錨圈口及喇叭管產(chǎn)生的應(yīng)力損失由施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

3 )恒載：包括結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備自重、預(yù)加力、混凝土收縮徐變影響力等。

4 )活載：采用ZK活載。

5 )其余荷載：按照 TB 10621-2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)及TB 10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范計(jì)算。

3.1.2 主要計(jì)算結(jié)果

簡(jiǎn)支箱梁在主力作用下,計(jì)算結(jié)果為：跨中截面上翼緣 σmax= 9.75MPa,跨中截面下翼緣σmin=2.46MPa,強(qiáng)度安全系數(shù)K= 2.14,抗裂安全系數(shù)Kf=1.27,靜活載豎向撓度δ=15mm,梁端豎向轉(zhuǎn)角 0.75‰。箱梁為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,設(shè)計(jì)應(yīng)力滿足規(guī)范要求,并留有一定的安全儲(chǔ)備。

3.2 梁部橫向分析

主梁橫向計(jì)算主要包括橫截面計(jì)算和支點(diǎn)處橫梁計(jì)算。

箱形主梁橫截面的橫向計(jì)算按支撐在腹板底板底的橫向框架進(jìn)行內(nèi)力分析和計(jì)算,取縱向長(zhǎng)為 1m的箱梁為計(jì)算單元,采用平面程序進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。計(jì)算考慮主梁恒載、二期恒載、列車(chē)活載、箱內(nèi)外溫差等荷載組合,考慮了恒載和活載偏心的影響。根據(jù)受力情況,頂板按預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì);底板及腹板均按鋼筋混凝土構(gòu)件檢算,選擇最不利工況的內(nèi)力分別配置普通鋼筋,檢算截面強(qiáng)度和裂縫。

支點(diǎn)處橫梁計(jì)算根據(jù)支座實(shí)際支承位置、承載力大小,按照簡(jiǎn)支梁計(jì)算截面內(nèi)力。計(jì)算結(jié)果顯示：橫梁按照鋼筋混凝土構(gòu)件配置普通鋼筋,控制截面強(qiáng)度和裂縫。

3.3 車(chē)橋動(dòng)力分析

針對(duì)漢中漢江特大橋12孔 64m簡(jiǎn)支箱梁,采用空間有限元建立全橋動(dòng)力分析模型,對(duì)橋梁的空間自振特性進(jìn)行了計(jì)算;同時(shí),對(duì)橋梁在CRH 2、德國(guó)ICE3、國(guó)產(chǎn)300 km/h動(dòng)車(chē)組作用下的車(chē)橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行了分析,評(píng)價(jià)橋梁動(dòng)力性能及列車(chē)運(yùn)行安全性與舒適性。研究表明：

1 )漢江特大橋 64 m簡(jiǎn)支梁梁部豎向和橫向基頻分別為2.408Hz,3.367Hz;考慮橋墩后,一階縱向、梁—墩體系一階橫彎和梁體一階豎彎自振頻率分別為0.913Hz,1.145 Hz和2.387 Hz;

2 )CRH 2動(dòng)車(chē)組以速度160 km/h～250 km/h、德國(guó)ICE3和國(guó)產(chǎn)300 km/h動(dòng)車(chē)組以速度200 km/h～420 km/h過(guò)橋時(shí),各孔64m簡(jiǎn)支梁的豎向和橫向振動(dòng)位移、加速度以及墩頂橫向振動(dòng)加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值,說(shuō)明橋梁的振動(dòng)性能良好;

3 )上述動(dòng)車(chē)組過(guò)橋時(shí),動(dòng)車(chē)與拖車(chē)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi),列車(chē)行車(chē)安全性得到保障;

4 )本橋 64m簡(jiǎn)支箱梁具有良好的振動(dòng)性能,能夠滿足國(guó)產(chǎn)CRH 2動(dòng)車(chē)組以速度160 km/h～250 km/h、德國(guó)ICE3和國(guó)產(chǎn)300 km/h動(dòng)車(chē)組以速度200 km/h～420 km/h運(yùn)行時(shí)的安全性和良好舒適性要求。

4 施工方法簡(jiǎn)介

箱梁采用造橋機(jī)施工,在墩臺(tái)頂拼裝移動(dòng)式造橋機(jī)就位,然后通過(guò)龍門(mén)吊及運(yùn)梁小車(chē)將預(yù)制梁段運(yùn)至造橋機(jī)的尾部,由支架上的桁吊吊起放在支架腹內(nèi)的移梁小車(chē)上,運(yùn)到預(yù)定位置,待全部梁段就位后,在造橋機(jī)上整孔組拼,調(diào)整梁底高程,現(xiàn)澆梁段濕接縫,待達(dá)到 90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度及彈性模量后,按張拉順序?qū)Φ谝慌撌M(jìn)行張拉,第一批鋼束全部張拉完畢壓漿后梁體即可承受施工荷載(運(yùn)梁軌道線路重、拖拉移動(dòng)支架荷載及運(yùn)梁小車(chē)等),張拉完畢后梁體就位,脫離支架。將支架移到下一孔,重復(fù)梁段安裝工作。第二批鋼束張拉安排在第一批鋼束張拉后 15 d進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)漢中漢江特大橋 64m雙線簡(jiǎn)支箱梁的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要有以下兩點(diǎn)體會(huì)：

1 )按規(guī)范,對(duì)于制造工藝不符合工廠制造條件的結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)增大10%,即K=2.2。在雙線箱梁設(shè)計(jì)計(jì)算中,其強(qiáng)度安全系數(shù)很難達(dá)到此限值,本橋箱梁強(qiáng)度安全系數(shù)按 2.1左右控制。

2 )雙線箱梁主拉應(yīng)力控制設(shè)計(jì),腹板厚度主要由主拉應(yīng)力控制取值。由于采用造橋機(jī)施工,可以實(shí)現(xiàn)大跨度簡(jiǎn)支箱梁在鐵路橋梁上的應(yīng)用,與相同跨度的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)相比,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,施工簡(jiǎn)便、快速,因而施工質(zhì)量可以得到保證。64m雙線簡(jiǎn)支箱梁在西成客運(yùn)專線上的采用,使造橋機(jī)技術(shù)無(wú)論從跨度、起吊重量還是線路等級(jí)都有所突破,為今后的進(jìn)一步發(fā)展起到推動(dòng)作用。

[1] 鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院.混凝土橋[M].北京：中國(guó)鐵道出版社, 2000.

[2] 王小民.鋼筋混凝土簡(jiǎn)支 T梁橋空間建模及動(dòng)力分析[J].山西建筑,2009,35(10)：343-344.