客運(yùn)專線鐵路非標(biāo)準(zhǔn)線間距簡支箱梁設(shè)計(jì)研究

李方柯

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京　102600)

1　工程概況

新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路為時(shí)速250 km客運(yùn)專線鐵路，雙線，線間距4.6 m，有砟軌道。區(qū)間設(shè)計(jì)以橋梁工程為主，上部結(jié)構(gòu)主要采用鐵路總公司發(fā)布的32 m雙線(線間距4.6 m)預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。

連鎮(zhèn)鐵路在淮安地區(qū)與徐(州)鹽(城)鐵路交匯，四線并行，采用方向別(連鎮(zhèn)鐵路外包徐鹽鐵路)引入引出淮安客運(yùn)站。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用兩片雙線簡支箱梁并置方案，單片梁上兩線分屬連鎮(zhèn)鐵路和徐鹽鐵路，為滿足養(yǎng)護(hù)維修的需要和營業(yè)線施工安全管理的相關(guān)規(guī)定，線間距采用5.3 m[1]。

淮安地區(qū)按線間距5.3 m設(shè)計(jì)的簡支箱梁共計(jì)439孔，約占雙線梁總數(shù)的15%。為提高梁部施工質(zhì)量，降低成本(表1)，加快施工進(jìn)度，本線設(shè)計(jì)采用線間距5.3 m的預(yù)制簡支箱梁，以滿足建設(shè)需要。

表1　線間距5.3 m梁經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2　箱梁設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)理念

自秦沈客運(yùn)專線建設(shè)以來，國內(nèi)針對(duì)客運(yùn)專線鐵路簡支箱梁的結(jié)構(gòu)選型和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了大量的研究工作[2-12]，形成了成熟的簡支箱梁設(shè)計(jì)、施工成套關(guān)鍵技術(shù)，本線非標(biāo)準(zhǔn)簡支箱梁在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分吸取和借鑒這些成功經(jīng)驗(yàn)。

按照本線施工組織設(shè)計(jì)，線間距5.3 m箱梁所在的梁場需同時(shí)生產(chǎn)110余孔、線間距4.6 m標(biāo)準(zhǔn)梁，以及470余孔單線梁，且架梁順序交叉。若考慮非標(biāo)準(zhǔn)箱梁施工設(shè)備單獨(dú)制造和使用，制梁臺(tái)座和模板數(shù)量繁多，梁場龐雜，成本高，設(shè)備利用效率低。

因此，考慮設(shè)計(jì)的傳承性和施工設(shè)備的通用性，本線線間距5.3 m箱梁設(shè)計(jì)時(shí)，其外形和細(xì)部尺寸應(yīng)盡量和線間距4.6 m標(biāo)準(zhǔn)梁保持一致。

2.2　箱梁構(gòu)造

線間距5.3 m箱梁梁長32.6 m，計(jì)算跨度31.5 m。箱梁截面以鐵總發(fā)布的32 m、線間距4.6 m標(biāo)準(zhǔn)梁為基礎(chǔ)，按照線間距的變化調(diào)整箱室寬度確定，其板件尺寸及變化規(guī)律和標(biāo)準(zhǔn)梁保持一致，如圖1、圖2所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比見表2。

圖1　線間距4.6 m標(biāo)準(zhǔn)梁截面示意(單位：mm)

圖2　線間距5.3 m簡支箱梁截面示意(單位：mm)

梁型截面中心梁高/m梁寬/m支座間距/m梁重/t標(biāo)準(zhǔn)梁2.68612.24.4714.8線間距5.3m梁2.69312.95.1768.8

箱梁橋面設(shè)施布置與標(biāo)準(zhǔn)梁類似，擋砟墻隨箱室拉寬向外側(cè)移動(dòng)，內(nèi)側(cè)凈寬9.7 m(標(biāo)準(zhǔn)梁為9 m)，擋砟墻內(nèi)側(cè)道砟相應(yīng)加寬，外側(cè)橋面設(shè)施布置與標(biāo)準(zhǔn)梁保持一致。

箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的整體布置形式和數(shù)量與標(biāo)準(zhǔn)梁相同，鋼束主要采用13-φj15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線(標(biāo)準(zhǔn)梁主要采用12-φj15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線)。預(yù)施應(yīng)力按預(yù)張拉、初張拉和終張拉三個(gè)階段進(jìn)行。

箱梁鋼筋布置和標(biāo)準(zhǔn)梁基本一致?？紤]到箱梁頂板橫向跨度加大，其橫向主筋較標(biāo)準(zhǔn)梁進(jìn)行部分加強(qiáng)。

箱梁吊點(diǎn)間距擬調(diào)整至4.5 m，緊貼腹板以避免出現(xiàn)吊梁裂紋。

2.3　結(jié)構(gòu)檢算

根據(jù)規(guī)范[12-15]要求，對(duì)箱梁在預(yù)加應(yīng)力、運(yùn)送、安裝和運(yùn)營階段的強(qiáng)度、抗裂性、應(yīng)力、裂縫寬度、變形等指標(biāo)進(jìn)行檢算，計(jì)算采用西南交通大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS。

經(jīng)檢算，預(yù)加應(yīng)力、傳力錨固、運(yùn)送安裝等階段的梁體強(qiáng)度、抗裂性、混凝土和鋼絞線應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；運(yùn)營階段梁體強(qiáng)度、應(yīng)力、變形等指標(biāo)滿足要求(表3)，梁體橫向的鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度亦滿足要求。

箱梁在曲線、有聲屏障情況下的自振頻率為3.752 Hz，滿足規(guī)范不進(jìn)行動(dòng)力仿真分析的頻率條件。

表3　箱梁主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

3　關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1　剪力滯后效應(yīng)

充分考慮剪力滯后效應(yīng)是準(zhǔn)確得到箱梁應(yīng)力的關(guān)鍵。線間距5.3 m箱梁較標(biāo)準(zhǔn)梁箱室更寬，頂、底板剪力滯后效應(yīng)將更為顯著。為準(zhǔn)確得到箱梁在各種工況下的上下緣應(yīng)力，桿系計(jì)算時(shí)參照規(guī)范對(duì)箱梁的頂、底板和翼緣板計(jì)算寬度進(jìn)行折減[15]；同時(shí)，采用ANSYS和Midas FEA程序?qū)ο淞哼M(jìn)行實(shí)體計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4、圖3。

表4　各程序箱梁跨中位置應(yīng)力對(duì)比　MPa

計(jì)算結(jié)果表明，各程序計(jì)算得到的箱梁上下緣應(yīng)力基本一致，采用桿系軟件計(jì)算得到的箱梁應(yīng)力是可靠的。

圖3　箱梁主力作用下應(yīng)力分布(單位：Pa)

3.2　梁端局部應(yīng)力

在預(yù)施應(yīng)力過程中，箱梁梁端特別是腹板與底板連接處、進(jìn)人孔倒角等位置易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。線間距5.3 m箱梁采用鋼束規(guī)格較標(biāo)準(zhǔn)梁大，預(yù)施力總量高，對(duì)梁端局部受力不利，應(yīng)針對(duì)預(yù)施應(yīng)力過程進(jìn)行精細(xì)計(jì)算。

采用Midas FEA程序，對(duì)線間距5.3 m箱梁和標(biāo)準(zhǔn)梁的預(yù)施應(yīng)力過程進(jìn)行全過程實(shí)體分析。計(jì)算結(jié)果顯示，預(yù)施應(yīng)力過程中梁端最大應(yīng)力出現(xiàn)在進(jìn)人孔倒角位置，各階段最大應(yīng)力如圖4所示。

圖4　預(yù)施應(yīng)力階段進(jìn)人孔倒角主拉應(yīng)力曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看到，預(yù)施應(yīng)力過程中，線間距5.3 m梁梁端進(jìn)人孔倒角位置的主拉應(yīng)力變化趨勢和標(biāo)準(zhǔn)梁類似，最大主拉應(yīng)力為3.09 MPa，出現(xiàn)在終張拉階段，較標(biāo)準(zhǔn)梁偏高。設(shè)計(jì)考慮加強(qiáng)進(jìn)人孔倒角處鋼筋配置，將進(jìn)人孔倒角處鋼筋加強(qiáng)為雙根一束。

3.3　制梁模板通用問題

線間距5.3 m箱梁設(shè)計(jì)時(shí)考慮外形、板件尺寸及變化規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)梁保持一致，僅橫向?qū)挾炔?0 cm。制梁內(nèi)、外模板按橫向可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，模板設(shè)70 cm橫向調(diào)節(jié)塊，成本低，操作簡單，可根據(jù)制梁類型快速調(diào)整，滿足了線間距5.3 m箱梁和標(biāo)準(zhǔn)梁交叉制造的問題，效率顯著提高，如圖5、圖6所示。

圖5　可調(diào)式外模

圖6　可調(diào)式內(nèi)模

3.4　存梁階段溫度影響

箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完畢進(jìn)入存梁狀態(tài)時(shí)，由于橋面設(shè)施尚未施工，頂板壓應(yīng)力儲(chǔ)備小、溫度應(yīng)力大，易出現(xiàn)溫度裂紋。

對(duì)線間距5.3 m梁和標(biāo)準(zhǔn)梁分別進(jìn)行存梁狀態(tài)頂板溫度應(yīng)力計(jì)算。溫度按沿梁高和梁寬方向組合，溫差按指數(shù)梯度考慮，基本計(jì)算溫度取8 ℃，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5　存梁階段溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果　MPa

計(jì)算結(jié)果顯示，存梁階段線間距5.3 m箱梁頂板的正應(yīng)力和主拉應(yīng)力和標(biāo)準(zhǔn)梁基本相當(dāng)，均低于開裂應(yīng)力，出現(xiàn)溫度裂紋可能性低。

3.5　運(yùn)梁階段分析

梁場實(shí)際采用DCY900型運(yùn)梁車，共4個(gè)支撐點(diǎn)，縱向間距30 m，橫向間距3.2 m。線間距5.3 m箱梁較標(biāo)準(zhǔn)梁箱室更寬，采用相同運(yùn)梁車時(shí)底板受力更不利，需對(duì)運(yùn)梁狀態(tài)下箱梁的受力進(jìn)行精細(xì)計(jì)算。

線間距5.3 m箱梁和標(biāo)準(zhǔn)梁運(yùn)梁狀態(tài)梁體最不利應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表6。計(jì)算結(jié)果表明，線間距5.3 m箱梁在運(yùn)梁狀態(tài)的梁體受力較標(biāo)準(zhǔn)梁更為不利，但應(yīng)力值滿足規(guī)范要求，不需額外采取措施。

表6　運(yùn)梁狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果　MPa

3.6　吊梁階段分析

前述為滿足制梁模板的通用性，線間距5.3 m箱梁吊點(diǎn)間距擬調(diào)整至4.5 m(緊貼腹板)。梁場現(xiàn)有的提梁機(jī)和架橋機(jī)吊點(diǎn)間距均為3.8 m，且線間距5.3 m箱梁和標(biāo)準(zhǔn)梁架設(shè)順序交叉，若改造提梁機(jī)和架橋機(jī)吊點(diǎn)間距，使其同時(shí)滿足不同吊點(diǎn)間距需要，周期長、風(fēng)險(xiǎn)高、實(shí)施難度大。因此線間距5.3 m箱梁設(shè)計(jì)仍采用3.8 m的吊點(diǎn)間距。

根據(jù)實(shí)體計(jì)算，當(dāng)線間距5.3 m梁吊點(diǎn)間距由4.5 m調(diào)整至3.8 m時(shí)，箱梁上梗肋位置和第二吊點(diǎn)吊孔頂部的主拉應(yīng)力顯著增大，如表7所示。

表7　吊梁狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)體試驗(yàn)梁的試吊情況，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)間距為3.8 m時(shí)，梁端3 m范圍內(nèi)沿頂板、腹板連接處出現(xiàn)細(xì)小裂紋，如圖7所示。

圖7　吊梁裂紋示意

為減小或避免吊梁裂紋，設(shè)計(jì)采取加強(qiáng)吊點(diǎn)鋼板、應(yīng)力超限區(qū)域鋼筋加強(qiáng)、出現(xiàn)裂紋處改設(shè)大倒角等措施，效果不甚理想。吊梁狀態(tài)頂、腹板連接處受拉的力學(xué)狀態(tài)僅靠結(jié)構(gòu)自身較難解決。

經(jīng)多方案比較后，設(shè)計(jì)考慮采用在吊孔附近增設(shè)臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力的方案，并選取預(yù)應(yīng)力布置在靠腹板側(cè)(圖8)和靠梁中線側(cè)(圖9)兩種方案進(jìn)行對(duì)比。

方案1中體外預(yù)應(yīng)力更接近梁體開裂位置，但體外預(yù)應(yīng)力與縱向預(yù)應(yīng)力孔道或制梁內(nèi)模沖突，且斜腹板處體外預(yù)應(yīng)力孔道較難處理。

圖8　體外預(yù)應(yīng)力方案1布置示意(單位：mm)

圖9　體外預(yù)應(yīng)力方案2布置示意(單位：mm)

方案2中體外預(yù)應(yīng)力遠(yuǎn)離梁體開裂位置，力臂長，對(duì)開裂位置的預(yù)壓效果好，且與梁體內(nèi)各部件均不沖突，孔道處理較為容易。選取方案2作為推薦方案。

綜合考慮箱梁的整體受力，體外預(yù)應(yīng)力采用8根φ32 mm的預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，縱向與吊孔位置對(duì)齊，橫向距箱梁結(jié)構(gòu)中心線1.425 m，預(yù)加力300 kN。根據(jù)實(shí)體計(jì)算結(jié)果，增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力后，箱梁上梗肋位置的主拉應(yīng)力降低至約3.1 MPa(低于標(biāo)準(zhǔn)梁)，其他部位的應(yīng)力均滿足要求。根據(jù)實(shí)體試驗(yàn)梁吊梁測試，吊梁時(shí)裂縫寬度值滿足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力在梁底用螺母錨固，防落梁預(yù)埋鋼板在對(duì)應(yīng)位置開孔并作為錨墊板使用；在梁頂采用千斤頂通過馬凳裝置進(jìn)行張拉。箱梁架設(shè)到位后拆除體外預(yù)應(yīng)力并壓漿填實(shí)孔道。整個(gè)過程操作方便，預(yù)應(yīng)力可重復(fù)使用，成本低、效率高，對(duì)箱梁預(yù)制影響較小。

3.7　架梁階段分析

梁場實(shí)際采用的架橋機(jī)為DF900型，其中支腿間距為6 m(標(biāo)準(zhǔn)梁為5.1 m)。對(duì)于本設(shè)計(jì)箱梁，架橋機(jī)中支腿基本作用在腹板中心位置(圖10)，傳力通暢。

圖10　架橋機(jī)中支腿作用位置示意(單位：mm)

根據(jù)對(duì)線間距5.3 m箱梁和標(biāo)準(zhǔn)梁的架梁全過程實(shí)體計(jì)算，箱梁最大主拉、主壓應(yīng)力出現(xiàn)在架橋機(jī)第二吊點(diǎn)起吊工況，對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表8?？梢钥吹?，線間距5.3 m箱梁架梁時(shí)，最大主拉、主壓應(yīng)力和線間距4.6 m標(biāo)準(zhǔn)梁基本相當(dāng)，滿足規(guī)范要求。

表8　架梁狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4　試驗(yàn)梁情況簡介

為驗(yàn)證線間距5.3 m簡支箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測試箱梁與現(xiàn)有施工設(shè)備的協(xié)調(diào)性，開展了首孔實(shí)體試驗(yàn)梁測試試驗(yàn)工作。對(duì)實(shí)體試驗(yàn)梁分別進(jìn)行了靜載彎曲試驗(yàn)、預(yù)施應(yīng)力測試、橋面板受力性能測試、吊梁工況箱梁受力測試、架梁梁端應(yīng)力測試等。見圖11～圖14。

圖11　箱梁靜載彎曲試驗(yàn)

圖12　吊梁工況受力測試

圖13　橋面板受力測試

圖14　特種活載工況測試

試驗(yàn)結(jié)果表明：箱梁在預(yù)應(yīng)力施加過程中，產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效果滿足設(shè)計(jì)要求；存梁過程中，監(jiān)測到的日照溫差荷載引起的橋面板混凝土拉應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)受力安全；設(shè)計(jì)特種活載下，橋面板拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求；試驗(yàn)梁的強(qiáng)度、抗裂性及應(yīng)力合格，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；張拉體外預(yù)應(yīng)力有效減小了吊梁裂紋，改善了吊梁過程中箱梁梁端結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

5　結(jié)語

近年來國內(nèi)客運(yùn)專線鐵路快速發(fā)展，非標(biāo)準(zhǔn)線間距簡支箱梁日益增多，線間距也不盡相同，實(shí)際施工中往往還存在各種線間距梁型集中制造、交叉架設(shè)的情況。針對(duì)連鎮(zhèn)鐵路線間距5.3 m簡支箱梁的設(shè)計(jì)研究表明：線間距5.3 m簡支箱梁結(jié)構(gòu)受力安全，能夠滿足和線間距4.6 m標(biāo)準(zhǔn)梁統(tǒng)一制造、存放、運(yùn)送、吊裝、架設(shè)的需求，成本大幅降低，施工效率顯著提升；在小幅調(diào)整現(xiàn)有施工設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)線間距簡支箱梁的批量預(yù)制以及與標(biāo)準(zhǔn)梁的統(tǒng)一施工是安全、經(jīng)濟(jì)、可行的。

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