珠三角城際軌道交通簡支箱梁設(shè)計

侯建軍，鄧運清

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司橋梁工程設(shè)計研究院，北京 100055)

1 概述

根據(jù)《珠江三角洲地區(qū)城際軌道規(guī)劃》，為促進珠江三角洲地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟一體化戰(zhàn)略的實施、完善綜合交通體系、適應(yīng)城際客流快速增長的需要，形成以廣州、深圳、珠海為主要樞紐，覆蓋區(qū)域內(nèi)主要城鎮(zhèn)，便捷、快速、安全、高效的城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)。珠江三角洲地區(qū)城際軌道網(wǎng)速度目標值為140～200 km/h，且以200 km/h為主，城際軌道交通網(wǎng)的建成實現(xiàn)城際與城市軌道交通網(wǎng)的資源共享，使珠三角城際軌道交通建設(shè)走上集約化、一體化、資源節(jié)約、環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展道路。

為滿足前期開工建設(shè)的穗莞深、莞惠、佛肇3條城際軌道交通的建設(shè)，開展了珠江三角洲城際軌道交通橋梁設(shè)計，根據(jù)城際軌道交通中景觀的需求，橋梁形式采用流線形箱梁，其簡支箱梁分為雙線箱梁、單線箱梁和組合箱梁3種形式，以適應(yīng)軌道交通線路線間距的變化。

2 主要技術(shù)標準

(1)速度目標值:200 km/h

(2)標準段正線線間距:4.4 m

(3)軌道結(jié)構(gòu)型式:CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道

(4)設(shè)計活載:采用ZC荷載，即0.6UIC活載，見圖1。

圖1 ZC(0.6UIC)活載圖示(單位:m)

3 橋面寬度及布置

橋面寬度由線間距、建筑限界、作業(yè)疏散通道、接觸網(wǎng)支柱位置、防護墻、風壓帶等因素確定，其中控制因素是接觸網(wǎng)支柱位置及作業(yè)疏散通道寬度。根據(jù)城際軌道交通標準線間距為4.4 m、接觸網(wǎng)柱距線路中心線3.0 m，以及電力、通信、信號、FAS、BAS等布置空間要求，橋面寬度取值參考客運專線鐵路現(xiàn)行標準，雙線箱梁為11.6 m，直、曲線梁橋面同寬，同時考慮到城際軌道交通景觀需要，雙線箱梁橋面排水采用中間集中排水方式，橋面坡度設(shè)置2%的V字坡，橋面布置詳見圖2。

圖2 雙線箱梁橋面布置(單位:mm)

考慮個別岔區(qū)線間距增大需要，雙線箱梁設(shè)計兼顧線間距4.6m布置要求，通過調(diào)整防護墻和豎墻位置以滿足橋面布置需要，橋面布置詳見圖3。

圖3 雙線箱梁橋面布置(適用線間距4.6 m)(單位:mm)

對于單線箱梁而言，橋面寬度采用7.2 m，橋面設(shè)置2%的單側(cè)排水坡，為保證橋梁線間距變化時，橋面線形與雙線箱梁一致，橋梁接觸網(wǎng)支柱設(shè)置于線路外側(cè)，橋面不對稱布置，橋面布置詳見圖4。

雙線箱梁線間距適用范圍為4.4～4.6 m，分離式單線箱梁為保證橋梁兩側(cè)附屬的安裝，線間距最小不得小于7.6 m，對于分線區(qū)段橋梁，即線間距4.6～7.6 m時，采用組合箱梁結(jié)構(gòu)形式，通過調(diào)整預(yù)制單片箱梁內(nèi)懸臂長度和連接橋面濕接縫寬度滿足線間距變化，橋面布置詳見圖5。

圖4 分離式單線箱梁橋面布置(單位:mm)

圖5 組合箱梁橋面布置(單位:mm)

4 截面參數(shù)選定

4.1 頂板厚度

結(jié)合線路特點，同時滿足橋梁景觀需求，橋梁排水采用中間排水方式，同時考慮到頂板跨中正彎距和溫度應(yīng)力的影響，雙線箱梁跨中頂板最小厚度采用280 mm，單線箱梁和組合箱梁跨中頂板最小厚度采用220 mm。

4.2 底板厚度

在滿足預(yù)應(yīng)力管道構(gòu)造要求前提下，結(jié)合單線荷載作用下底板受力分析，雙向箱梁設(shè)計底板厚度采用280 mm，單線箱梁和組合箱梁設(shè)計底板厚度采用270 mm。

4.3 腹板厚度

箱梁的腹板在構(gòu)造上不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強度要求，同時又要提供足夠的抗扭剛度;在結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求時，又要保證預(yù)應(yīng)力管道有足夠的保護層，以避免管道的縱向裂縫，同時盡可能考慮施工的方便。雙向箱梁腹板采用雙排管道布置，設(shè)計厚度為400 mm;單線箱梁和組合箱梁腹板采用單排管道布置，設(shè)計厚度為300 mm。

4.4 腹板斜率

斜腹板方案外形美觀、脫模方便。同時適當增大腹板坡度，不僅可減少箱梁混凝土用量，還可以有效減小墩臺橫向?qū)挾?，也可有效避免運梁車與架橋機支腿的干擾。同時斜率太大存在腹板預(yù)應(yīng)力束由于徑向力作用導致腹板開裂的風險。時速350 km客運專線整孔雙線箱梁腹板的斜度為1∶4;時速250 km的城際鐵路整孔雙線箱梁的腹板斜度為1∶3.5。綜合考慮景觀好、技術(shù)成熟可靠、預(yù)應(yīng)力等因素，雙線箱梁設(shè)計腹板斜率為1∶3.5。單線箱梁和組合箱梁考慮到各種工況下梁體自身傾覆穩(wěn)定，腹板斜率不宜太大，設(shè)計腹板斜率采用1∶5設(shè)計。

4.5 外形倒角形式和半徑

考慮城際軌道交通橋梁景觀要求高，箱梁外形截面線形轉(zhuǎn)折處均增加弧形倒角，尤其是腹板與上翼緣轉(zhuǎn)折處采用大圓弧倒角，使所采用箱梁在斜腹板方案的基礎(chǔ)上，增添更好的景觀效果。隨著懸臂外側(cè)圓弧半徑增大，箱梁外形流線越順暢，景觀效果越好，但箱梁混凝土數(shù)量逐漸增加。綜合景觀效果、箱梁高寬比例、經(jīng)濟性及施工工藝等方面因素，雙線箱梁外側(cè)倒角圓弧采用R=1 800 mm，單線箱梁和組合箱梁外側(cè)倒角圓弧采用R=750 mm。

4.6 梁高

在滿足靜力指標、動力指標及相關(guān)構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上進行梁高選取。通過對不同梁高的對比分析，并類比我國同類型城際鐵路箱梁梁高，具體見表1、圖6～圖7。

表1 城際鐵路(0.6UIC活載)雙線箱梁梁高對比m

圖6 成灌鐵路箱梁跨中截面(單位:mm)

圖7 廣珠城際鐵路箱梁跨中截面(單位:mm)

同時梁高選取要考慮到橋梁結(jié)構(gòu)便于檢查，施工方便等因素，箱梁內(nèi)凈空高不宜小于1.6 m。綜合比選，箱梁設(shè)計梁高采用2.2 m，3種類型箱梁采用等高設(shè)計。

4.7 截面形式

根據(jù)上述設(shè)計參數(shù)，確定莞惠、穗莞深、佛肇城際軌道交通常用跨度簡支箱梁跨中截面見圖8、圖9。

圖8 雙線箱梁跨中截面(單位:mm)

圖9 單線箱梁跨中截面(單位:mm)

當線間距為4.6～7.6 m變化區(qū)段時，采用組合箱梁實現(xiàn)從雙線整孔箱梁到分離式單線箱梁的過渡，組合箱梁中每片箱梁的截面形式基本保持與單線箱梁一致，根據(jù)線間距不同，進行內(nèi)側(cè)翼緣板切除，再結(jié)合單片箱梁自身偏心及連接后單線荷載對橋面連接板受力分析，組合箱梁分3種截面形式，見圖10～圖12。

圖10 組合箱梁截面(線間距4.6～5.7 m)(單位:mm)

圖11 組合箱梁截面(線間距5.7～6.7 m)(單位:mm)

圖12 組合箱梁截面(線間距6.7～7.6 m)(單位:mm)

當線間距為4.6～6.7 m時，單片箱梁重心偏移箱梁中心線較大，為保證預(yù)施應(yīng)力階段箱梁不發(fā)生斜彎曲，符合常規(guī)平截面假定計算，箱梁外側(cè)翼緣板設(shè)置縱向間距2 m的橫向斷縫，運營階段2片箱梁通過現(xiàn)澆橋面板濕接縫和端隔墻整體受力;當線間距為6.7～7.6 m時，單片箱梁重心偏移箱梁中心線較小，箱梁外側(cè)翼緣板不再設(shè)置橫向斷縫，通過對運營階段受力分析，單線荷載作用下采用整體橋面時橋面濕接縫橫向受力較不利，故采取分離式單箱梁截面形式，2片箱梁不再進行橋面板和端隔板的連接。

5 主要計算結(jié)果

5.1 平面計算分析

城際軌道交通橋梁常用跨徑分為30 m和25 m 2種，對于雙線整孔箱梁，按照預(yù)制架設(shè)和現(xiàn)澆施工2種施工方法分別考慮，對于用量較小的組合箱梁和單線箱梁僅按照現(xiàn)澆施工設(shè)計，通過平面計算分析，3種形式箱梁各項主要控制指標均滿足規(guī)范要求，其中標準跨徑30 m箱梁計算結(jié)果見表2。

表2 標準跨徑30 m箱梁計算結(jié)果匯總

5.2 空間分析

(1)吊梁工況分析:對于預(yù)制架設(shè)簡支箱梁，箱梁在吊裝階段吊孔附近局部應(yīng)力較集中，容易在施工荷載作用下產(chǎn)生受力裂紋，為減小吊裝過程中頂板與腹板相交范圍的應(yīng)力集中，在構(gòu)造上箱梁腹板內(nèi)側(cè)增設(shè)500 mm豎段，通過ANSYS建立空間模型分析，吊裝工況下腹板內(nèi)側(cè)豎向最大名義應(yīng)力為5.3 MPa，見圖13。根據(jù)分析結(jié)果:腹板吊點3.0 m范圍內(nèi)設(shè)置雙肢φ25 mm螺紋鋼筋，控制混凝土裂縫寬度。

圖13 吊梁工況腹板豎向應(yīng)力圖示

(2)頂梁工況分析:雙線箱梁在進行架設(shè)作業(yè)和后期支座更換作業(yè)時，需要進行頂梁施工，箱梁頂梁位置位于支座內(nèi)側(cè)，千斤頂橫向中心距不小于2.6 m，縱向距梁端距離為0.75 m。為保證過程中梁端底板、腹板受力，進行頂梁工況空間分析。根據(jù)分析結(jié)果:頂梁工況下梁端截面產(chǎn)生的橫向應(yīng)力較小，最大名義應(yīng)力出現(xiàn)在頂板下緣跨中，應(yīng)力值為1.3 MPa，見圖14。

圖14 頂梁工況橫向應(yīng)力圖示

頂梁作業(yè)時應(yīng)在千斤頂上加墊600 mm×600 mm×40 mm鋼板，頂梁過程應(yīng)緩慢進行，防止因千斤頂受力不均造成梁體側(cè)翻或損壞。

6 特殊設(shè)計

6.1 小曲線半徑區(qū)段箱梁設(shè)計

城際軌道交通和客運專線相比，橋梁需要適用的平曲線半徑更小，線路最小曲線半徑為500 m，簡支箱梁按照平分中矢原則布置，橋梁外側(cè)梁縫隙增大，一方面伸縮縫難以安裝，另一方面將無法滿足無砟軌道鋪設(shè)要求。為滿足上述要求，同時考慮景觀需要，箱梁制造時采用旋轉(zhuǎn)端模的方式對梁端的長度進行調(diào)整，使梁端呈一楔形，以此調(diào)整梁縫的寬度，具體見圖15。

圖15 梁端加寬處理(單位:mm)

6.2 預(yù)制改現(xiàn)澆箱梁設(shè)計

由于施工組織變化，個別區(qū)段原預(yù)制箱梁設(shè)計后期改為現(xiàn)澆施工，橋墩施工完畢，梁端支點距為550 mm，為滿足現(xiàn)場施工預(yù)應(yīng)力張拉空間，同時也保證箱梁預(yù)應(yīng)力束布置構(gòu)造的合理，設(shè)計采用對稱單端張拉設(shè)計，預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖16。

該種箱梁布置形式要求相鄰箱梁預(yù)應(yīng)力布置時，張拉端和固定端按照圖16所示一一對應(yīng)，以滿足箱梁預(yù)應(yīng)力筋張拉空間要求。

6.3 人行道擋板增設(shè)聲屏障設(shè)計

城際軌道交通橋梁根據(jù)所處環(huán)境，兩側(cè)可設(shè)置人行道欄桿、擋板或聲屏障，當橋梁設(shè)置人行道擋板并有聲屏障遠期預(yù)留要求時，在擋板頂面預(yù)埋與聲屏障立柱連接用螺栓或焊接鋼板，增設(shè)后期聲屏障，這樣即能滿足環(huán)評的要求，同時也到達了景觀設(shè)計的目的，具體見圖17。

圖16 對稱單端張拉箱梁鋼束布置

圖17 人行道擋板增設(shè)聲屏障(單位:mm)

7 結(jié)語

珠三角城際軌道交通橋梁形式采用流線形箱梁，不僅保證了結(jié)構(gòu)較大的抗彎和抗扭剛度，滿足旅客乘坐舒適度的要求，而且斜腹板、大圓弧外形構(gòu)造更加融合了城際軌道交通對景觀需求，采用雙線箱梁、單線箱梁和組合箱梁3種形式適應(yīng)橋梁不同線間距的變化，能夠滿足城際軌道交通橋梁合理布跨需求。

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