客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)分析

繆文輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處， 西安　710043)

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客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)分析

繆文輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處， 西安710043)

摘要：整孔簡(jiǎn)支箱梁因其具有受力簡(jiǎn)單，整體剛度大，外形美觀(guān)，施工工藝簡(jiǎn)單，后期養(yǎng)護(hù)工作小，在我國(guó)高速鐵路建設(shè)中得到廣泛采用。鐵路工程建設(shè)通用參考圖中，有砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁分為單箱雙室、組合箱梁、單箱單室3種截面形式。對(duì)于多線(xiàn)橋，尤其是四線(xiàn)橋，在線(xiàn)間距能拉開(kāi)的情況下，優(yōu)先采用單線(xiàn)+雙線(xiàn)+單線(xiàn)或者雙線(xiàn)+雙線(xiàn)的分離式組合截面，但對(duì)于線(xiàn)間距無(wú)法拉開(kāi)時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)這種整體式箱形截面研究較少，以某線(xiàn)為研究背景，四線(xiàn)梁型采用單箱五室截面，橋墩采用三柱式花瓶墩，對(duì)四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能更廣泛地應(yīng)用于四線(xiàn)鐵路橋設(shè)計(jì)中，為四線(xiàn)梁的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁；單箱五室截面；三柱式花瓶墩；設(shè)計(jì)

1概述

在高速鐵路設(shè)計(jì)中，橋梁所占比例較大，總里程較長(zhǎng)，在橋梁設(shè)計(jì)中因地制宜地選擇結(jié)構(gòu)形式、施工方法，才能達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，簡(jiǎn)支箱梁以其自身特性成為高速鐵路首選梁型[4]。

本文以時(shí)速250 km有砟軌道客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)為背景，對(duì)于四線(xiàn)橋因線(xiàn)間距變化(圖1)無(wú)法采用“單線(xiàn)+雙線(xiàn)+單線(xiàn)”或“雙線(xiàn)+雙線(xiàn)”分離式組合截面(圖2、圖3)時(shí)，推出單箱五室截面形式(圖4)，可滿(mǎn)足線(xiàn)路軌道平順性，在車(chē)、線(xiàn)、橋共同作用下，保證高速行車(chē)條件下列車(chē)的安全性及旅客的舒適性。

圖1　線(xiàn)路及基頂平面布置(單位：m)

圖2　小里程雙線(xiàn)+雙線(xiàn)組合截面布置(單位：cm)

圖3　大里程單線(xiàn)+雙線(xiàn)+單線(xiàn)組合截面布置(單位：cm)

圖4　四線(xiàn)橋整體橋面布置(單位：cm)

2設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

2.1線(xiàn)路情況

四線(xiàn)直曲線(xiàn)上梁，雙線(xiàn)線(xiàn)間距為4.6～7.5 m，最小曲線(xiàn)半徑R≥5500 m，設(shè)計(jì)速度：250 km/h。

2.2橋面寬度

兩側(cè)擋砟墻內(nèi)側(cè)凈距為a+b+c+440 cm，橋面頂寬為a+b+c+850 cm，a、b、c為線(xiàn)間距。

2.3設(shè)計(jì)荷載

恒載計(jì)算包括結(jié)構(gòu)自重和橋面附屬設(shè)施自重[1]，列車(chē)豎向活載縱向計(jì)算采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載。

2.4橋面布置形式

四線(xiàn)整孔箱梁有砟橋面布置形式如圖4所示[3]。其軌下枕底道砟厚度最小為35 cm。橋面附屬設(shè)備包括鋼軌、道砟、軌枕、防水層、保護(hù)層、人行道板、欄桿、接觸網(wǎng)支架等，按512～538 kN/m計(jì)算。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1梁部構(gòu)造

四線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁采用整孔現(xiàn)澆法施工，208～216號(hào)墩之間變寬度簡(jiǎn)支梁采用單箱五室截面，采用與通橋2229參考圖相同的梁高，箱梁高2.6 m，箱梁底板邊緣線(xiàn)以Ⅰ線(xiàn)為基準(zhǔn)進(jìn)行放線(xiàn)，箱梁底寬不變，通過(guò)調(diào)整翼緣板寬度實(shí)現(xiàn)變寬。梁長(zhǎng)均為32.6 m?？缰薪孛娓拱搴?0 cm，底板厚均為28 cm，頂板兩側(cè)設(shè)置2%排水坡，頂板厚度橫向由25 cm變化至49.6 cm；梁端設(shè)110 cm厚橫隔墻，梁端500 cm范圍內(nèi)腹板逐漸加厚至100 cm，底板加厚至60 cm，頂板加厚至50～74.6 cm。每側(cè)隔墻各設(shè)置5個(gè)1.5 m×1.2 m過(guò)人洞[5]。

為改善現(xiàn)澆梁的受力性能，設(shè)計(jì)采用了在梁端設(shè)置張拉槽，縱向預(yù)應(yīng)力筋均在梁端張拉的方式，避免了在頂板開(kāi)槽的不利影響；同時(shí)，將支點(diǎn)到梁端的距離適當(dāng)加大，這樣既滿(mǎn)足了張拉空間的需要[6]，也保證了縱向鋼束盡可能多地通過(guò)支點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用在梁端設(shè)置長(zhǎng)度550 mm后澆段的方式，預(yù)留出張拉空間，待縱向預(yù)應(yīng)力筋兩端張拉完畢后，再澆筑該部分混凝土(圖5)。

圖5　梁部構(gòu)造及鋼束布置(單位：cm)

因本橋五室空心截面為等截面，為適應(yīng)線(xiàn)間距變化對(duì)頂板受力的不利影響，對(duì)最不利活載布置工況將一線(xiàn)二期恒載和活載布置在箱式跨中，按照計(jì)算跨度4.448 m的箱梁進(jìn)行橫向配筋檢算[13]。頂板橫向鋼筋采用φ16 mm鋼筋。并間隔20 cm并置1肢φ20 mm的彎起鋼筋，以抵抗腹板根部剪力。為簡(jiǎn)化配筋布置形式，邊腹板和中腹板采用相同的配筋形式，腹板縱向鋼筋采用φ12 mm鋼筋，豎向鋼筋采用φ16 mm封閉箍筋，以滿(mǎn)足腹板剪應(yīng)力和主應(yīng)力要求。

3.2墩及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

208～216號(hào)墩采用三柱式花瓶墩，其中208、216號(hào)墩設(shè)有35 cm縱向預(yù)偏心，縱向預(yù)偏心設(shè)于四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁側(cè)。208～215號(hào)墩頂帽橫向?qū)? 600 cm，縱向?qū)?80 cm，墩身橫向采用三柱式截面，橫向總寬1 550 cm，縱向?qū)?50 cm，縱向放坡45∶1，橫向采用直坡，橋墩橫向布置見(jiàn)圖6。216號(hào)墩頂帽橫向?qū)? 800 cm，縱向?qū)?80 cm，墩身橫向采用三柱式截面，橫向總寬1 750 cm，縱向?qū)?50 cm，縱向放坡45∶1，橫向采用直坡。

208～216號(hào)墩采用φ1.25 m鉆孔灌注樁，樁基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計(jì)，每墩設(shè)20根樁基。

圖6　三柱墩構(gòu)造(單位：cm)

4結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1計(jì)算理論

寬梁的單梁模型無(wú)法正確計(jì)算橫向支座的反力、荷載的橫向分布以及內(nèi)力集中效應(yīng)，利用梁格法模型可以非常方便地解決以上問(wèn)題。梁格法的主要思想是將橋梁上部結(jié)構(gòu)采用一個(gè)等效梁格來(lái)模擬，將分散在橋梁每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi)，而橫向剛度則集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)[11]。

梁格劃分需要考慮的主要因素：(1) 將多室箱梁分割為梁格時(shí)，注意縱梁的中和軸位置應(yīng)盡量一致；(2)每跨內(nèi)的虛擬的橫向聯(lián)系梁數(shù)量不應(yīng)過(guò)少；(3)虛擬的橫向聯(lián)系梁的剛度可按一字或二字形矩形截面計(jì)算；(4)定義移動(dòng)荷載的車(chē)道時(shí)，應(yīng)盡量選擇按“橫向聯(lián)系梁”方法分布移動(dòng)荷載，此時(shí)應(yīng)將所有的橫向聯(lián)系梁定義為一個(gè)結(jié)構(gòu)組，并在定義車(chē)道時(shí)選擇該結(jié)構(gòu)組[12]。

4.2桿系模型計(jì)算結(jié)果

箱梁縱向均采用全預(yù)應(yīng)力理論設(shè)計(jì)。計(jì)算以Midas梁格法計(jì)算為主，采用Bsas桿系模型作為輔助檢算，以便校核。本文采用Midas單箱多室梁格法建模助手，輸入單箱多室設(shè)計(jì)截面后，可根據(jù)設(shè)定的縱向單元尺寸，在節(jié)點(diǎn)處自動(dòng)劃分橫向虛梁的剛度，虛梁彈性模量同梁體，容重設(shè)置為零。虛梁無(wú)截面尺寸，抗彎剛度為腹板厚度，頂?shù)装搴穸鹊扔谙淞喉數(shù)装搴穸鹊墓ぷ中谓孛鎇9]。

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2014)規(guī)定梁體變形應(yīng)符合下列規(guī)定：(1)在ZK靜活載作用下，梁體豎向撓度限值Δ為L(zhǎng)/1 400；(2)簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率不應(yīng)低于120/L時(shí)，可不進(jìn)行車(chē)橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析；(3)在ZK靜活載作用下，梁端豎向折角不應(yīng)大于2‰；(4)在列車(chē)橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體水平撓度應(yīng)小于或等于梁體計(jì)算跨度的1/4 000；(5)在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向水平變形引起的梁端水平折角應(yīng)不大于1.0‰；(6)軌道鋪設(shè)后，梁的徐變上拱值不宜大于20 mm[8]。

表1給出了梁部在設(shè)計(jì)荷載作用下的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7為平面桿系計(jì)算彎矩圖，恒載下跨中彎矩131 134 kN·m，活載下跨中彎矩32 826 kN·m，主力下跨中彎矩163 960 kN·m。支座反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

靜活載豎向撓度3.3 mm，梁端轉(zhuǎn)角0.34‰。

對(duì)頂板進(jìn)行橫向配筋驗(yàn)算時(shí)，取單位米箱梁進(jìn)行橫向加載，活載采用ZK特種活載。其受力規(guī)律同連續(xù)梁，頂板跨中正彎矩58 kN·m，腹板處頂板負(fù)彎矩116 kN·m?？紤]腹板支承寬度和梁高對(duì)負(fù)彎矩的折減，折減后負(fù)彎矩104 kN·m。頂板跨中鋼筋拉應(yīng)力98 MPa，混凝土壓應(yīng)力5.6 MPa。頂板根部鋼筋拉應(yīng)力95 MPa，混凝土壓應(yīng)力3.9 MPa，均滿(mǎn)足鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]。

表1　四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁計(jì)算結(jié)果

圖7　結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

kN

4.3梁格法計(jì)算結(jié)果

單箱五室箱梁模型從左至右，將6片縱梁分別命名為1號(hào)縱梁、2號(hào)縱梁、3號(hào)縱梁、4號(hào)縱梁、5號(hào)縱梁、6號(hào)縱梁，見(jiàn)圖8。1號(hào)縱梁?jiǎn)卧?hào)為1～26號(hào)，2號(hào)縱梁?jiǎn)卧?hào)為27～52號(hào)，3號(hào)縱梁?jiǎn)卧?hào)為53～78號(hào)，4號(hào)縱梁?jiǎn)卧?hào)為79～104號(hào)，5號(hào)縱梁?jiǎn)卧?hào)為105～130號(hào)，6號(hào)縱梁?jiǎn)卧?hào)為131～156號(hào)。

圖8　梁格法計(jì)算模型

靜活載撓度跨中最大撓度3.8 mm。梁端轉(zhuǎn)角梁端轉(zhuǎn)角0.33‰，與桿系模型計(jì)算結(jié)果一致。梁體的縱向彎矩就每片縱梁的驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖9～圖14。

圖9　邊縱梁最大彎矩

圖10　中縱梁最大彎矩

圖11　運(yùn)營(yíng)階段正截面抗裂安全系數(shù)

圖12　運(yùn)營(yíng)階段下緣壓應(yīng)力驗(yàn)算(單位：kPa)

圖13　運(yùn)營(yíng)階段上緣壓應(yīng)力驗(yàn)算(單位：kPa)

圖14　正截面抗彎安全系數(shù)

多于兩線(xiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)按照以下最不利情況考慮：按2條線(xiàn)路在最不利位置承受ZK活載，其余線(xiàn)路不承受列車(chē)活載[14]；所有線(xiàn)路在最不利位置承受75%的ZK活載。主力作用下，邊梁跨中彎矩21 000 kN·m，中梁跨中彎矩25 000 kN·m。

經(jīng)驗(yàn)算，正截面抗裂安全系數(shù)1.9，最小壓應(yīng)力2.8 MPa。運(yùn)營(yíng)階段上緣混凝土壓應(yīng)力6.0 MPa。正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)2.7。

由以上計(jì)算分析可知，該四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁在主力和主+附荷載組合工況下，均滿(mǎn)足《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

運(yùn)營(yíng)階段梁體徐變變形的發(fā)展將會(huì)引起橋面的立面線(xiàn)形不平順，影響行車(chē)安全和旅客舒適度。恒載作用下，混凝土應(yīng)力不宜大于0.4倍的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，并應(yīng)分階段按相應(yīng)的混凝土齡期計(jì)算混凝土的徐變變形。根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變變形的發(fā)展規(guī)律，一般條件下，終張拉后60 d梁體的徐變變形可完成約50%[15]。

因此，規(guī)定在梁體終張拉開(kāi)始應(yīng)進(jìn)行變形觀(guān)測(cè)，同時(shí)終張拉后應(yīng)進(jìn)行60 d的梁體徐變變形觀(guān)測(cè)，四線(xiàn)梁最大壓應(yīng)力6 MPa，徐變上拱1 mm，均滿(mǎn)足高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[7]。

4.4現(xiàn)澆梁施工工藝要求

四線(xiàn)現(xiàn)澆梁采用滿(mǎn)堂支架進(jìn)行施工，施工要注意解決支架和模板穩(wěn)定、地基承載力和變形等關(guān)鍵問(wèn)題。

支架基礎(chǔ)應(yīng)滿(mǎn)足施工對(duì)基礎(chǔ)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形的要求。箱梁施工前應(yīng)采用1.2倍的施工荷載對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓，實(shí)測(cè)支架的沉降及變形，以便提前采取預(yù)設(shè)拱度，并待支架的非彈性變形消除后，方能進(jìn)行箱梁混凝土的澆筑，確保梁底高程符合設(shè)計(jì)要求[10]。

為保證梁端有足夠的張拉空間，應(yīng)特別注意相鄰梁的施工順序，封錨混凝土在相鄰兩孔梁預(yù)應(yīng)力筋張拉作業(yè)完畢后再灌注。

5結(jié)論

四線(xiàn)簡(jiǎn)支梁因其橋面較寬，頂板橫向?qū)掃_(dá)29 m，在線(xiàn)間距發(fā)生變化時(shí)，無(wú)法將箱梁分幅。

針對(duì)一次四線(xiàn)線(xiàn)路情況，在橋面橫向不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋前提下，采用單箱五室截面，梁高2.6 m，最大腹板間距4.448 m，腹板外輪廓與常規(guī)簡(jiǎn)支梁一致，景觀(guān)協(xié)調(diào)，可有效簡(jiǎn)化計(jì)算，提高工作效率，適應(yīng)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路。

單箱五室截面形式是介于“單線(xiàn)+雙線(xiàn)+單線(xiàn)”和“雙線(xiàn)+雙線(xiàn)”2種分離式組合截面之間的整體式箱形截面，整體剛度更大，抗扭性能強(qiáng)，可在四線(xiàn)并行的長(zhǎng)大區(qū)段范圍內(nèi)采用，做成標(biāo)準(zhǔn)化參考圖的形式推廣應(yīng)用，本文通過(guò)桿系模型及Midas梁格法分模型，對(duì)單箱五室截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，縱向?yàn)槿A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，橫向?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)中，四線(xiàn)梁搭配三柱式花瓶墩，景觀(guān)效果好，視覺(jué)通透性強(qiáng)，采用整體式基礎(chǔ)，受力合理，考慮四線(xiàn)活載折減系數(shù)后，下部材料用量省。

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收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-24

作者簡(jiǎn)介：繆文輝(1982—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)橋梁 與隧道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：250701444@qq.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)07-0072-05

中圖分類(lèi)號(hào)：U238； U448.21+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.017

Design Analysis of Four-line Simply Supported Beam on Dedicated Passenger Railway Line

MIAO Wen-hui

(Department of Bridge and Tunnel Engineering Design， China Railway First Survey and Design Group Co., Ltd.， Xi’an 710043, China)

Abstract：The full-span simple box girder is widely used in the high-speed railway construction due to its overall stiffness， appealing appearance， simple construction process， post maintenance work. As specified in Railway Engineering Construction General Reference Drawing， the post-tensioned pre-stressed simple concrete girders on ballasted double track are divided into three types in terms of cross-section: the single box with double chamber， the combination box girder， the single-box with single-chamber. With regard to the multi-line bridge， especially the four-line bridge， separate combined cross-section of single line+double line+single line， or double line+double line is prioritized in case that the distance between lines can be sufficiently maintained. Where the line spacing is not sufficient， less study is conduced on this full box cross-section in china. Based on a certain line， this paper introduces a single box girder cross-section with five chambers on a certain four-line railway and three-column vase pier is used. The paper also describes the structure and optimizes the design for wider application in four-line railway bridge design， which may serve as reference for standard design of four-line bridges.

Key words：High-speed railway; Four-line simply supported beam; Single box with five chambers; Three-column vase pier; Design