高速鐵路跨度40 m與32 m簡支箱梁建造技術對比研究

湛 敏

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

我國高速鐵路多采取“以橋代路”策略，橋梁在高速鐵路線路總占比較大，約占線路總長的50%以上[1]。高速鐵路橋梁主要采用簡支梁結構，其中預應力混凝土簡支箱梁具有構造簡單、受力明確、施工便捷、耐久性好等優(yōu)點，是高速鐵路橋梁的主要結構形式[2]，并且以跨度24，32 m簡支箱梁的應用最為廣泛，少量采用跨度40，56，64 m簡支箱梁。在高速鐵路建設過程中，跨越山區(qū)、河谷間的高墩橋梁，下部結構的造價在橋梁建設費用中的比重較大，如果大量使用跨度32 m簡支箱梁，將增加橋墩個數(shù)，從而經(jīng)濟性較差，因此，發(fā)展跨度40 m簡支箱梁，并采用集中預制、架橋機架設的施工方式，不但能夠提高簡支箱梁的跨越能力，減少墩臺數(shù)量，還能擴大簡支箱梁的適用范圍，具有一定的經(jīng)濟、技術優(yōu)勢[2]。

針對跨度40 m簡支箱梁的研究，胡所亭等[3]從梁體基頻、剛度和變形等角度出發(fā)，對高速鐵路常用跨度簡支箱梁進行了優(yōu)化分析，結果表明，跨度32 m以上簡支梁橋的車橋動力響應顯著降低，并建議對更大跨度簡支梁開展研究；牛斌[4]通過分析不同基頻的簡支梁在運營列車作用下的動力系數(shù)發(fā)現(xiàn)，大跨簡支梁車橋動力效應不明顯，同時，在一定條件下使用跨度40 m簡支梁將帶來巨大的經(jīng)濟效益；葉陽升等[5]研究表明，在地形、地質(zhì)復雜的高墩、深基礎區(qū)段，采用跨度40 m簡支箱梁具有經(jīng)濟優(yōu)勢。李小珍等[6]提出了時速400 km常用跨度預應力混凝土簡支箱梁的豎向基頻限值，并且認為對于跨度40 m的預應力混凝土簡支箱梁，豎向自振基頻限值取90/L(L為跨度)時可以有效降低梁體動力響應。除此之外，其他專家學者[7-9]通過研究普遍認為，跨度40 m簡支箱梁更多地適應于更高速度的高速鐵路，并建議開展高速鐵路更大跨度簡支箱梁的應用研究。綜合以上研究可以認為，采用跨度40 m簡支箱梁，工程建設實際意義顯著，但目前針對跨度40 m簡支箱梁全橋結構的應用研究還較少。為此，結合高速鐵路簡支梁特性，分別建立5跨40 m簡支箱梁和32 m簡支箱梁計算模型，并從結構動力特性、車橋耦合動力分析兩個方面，對兩種計算模型進行對比研究，最后以一項工程實例為背景，從經(jīng)濟性角度指出跨度40 m簡支箱梁的優(yōu)劣之處，為以后的勘察設計提供一定的參考。

1 模型建立及控制指標

1.1 橋梁模型

采用Midas/Civil分析軟件分別建立5-32 m簡支梁計算模型和5-40 m簡支梁計算模型，其中，32 m簡支箱梁采用“通橋(2016)2322A”系列，40 m簡支箱梁采用某工程實例中梁型，兩個計算模型的梁體主要信息對比如表1所示，同時，取12 m(直坡實體墩)、24 m(變坡實體墩)和48 m(空心墩)3種類型的墩高對計算模型進行深入研究。

表1 32 m簡支箱梁和40 m簡支箱梁梁體信息對比

模型中主梁和橋墩采用梁單元模擬[10]，支座采用一般彈性連接模擬，模型不考慮樁-土相互作用，同時忽略橋臺及臺后填土作用對橋梁結構的影響，結構阻尼比取0.05，并采用Rayleigh阻尼。5-40 m簡支箱梁的全橋計算模型如圖1所示。

圖1 5-40 m簡支箱梁全橋計算模型

1.2 車輛模型

鐵路車輛模型是由若干節(jié)機車和車輛組成的列車，基于多體系統(tǒng)動力學軟件Universal Mechanism(UM)建立車輛模型。模型選用CRH380高速動車組，并采用(2T+14M)16輛編組，同時，在建立車輛模型時采用以下假設[11-13]：

(1)車體、轉向架和輪對均假設為剛體；

(2)所有彈簧均為線性，所有阻尼按黏滯阻尼計算，蠕滑力按線性計算；

(3)車體關于質(zhì)心左右對稱和前后對稱。

1.3 輪軌接觸模型

同樣采用UM軟件建立輪軌接觸模型，模型采用修正的FASTSIM進行蠕滑力計算[14]，軌道不平順波譜采用德國標準的低干擾軌道譜，建立的輪軌接觸模型如圖2所示。

圖2 輪軌接觸模型示意

當考慮橋梁結構作用時，軌道與橋梁間的橫向力和垂向力計算方法[15-16]如下

(1)

(2)

式中，cry、crz分別是橫向和垂向剛度系數(shù)，dry、drz分別是橫向和垂向阻尼系數(shù)，Δyr、Δzr分別是軌道的橫向和垂向變形。

1.4 控制指標

梁體過大的振動會使橋上線路失穩(wěn)，影響列車運行安全，因此，需要對橋梁的豎、橫向振動加速度進行控制，根據(jù)規(guī)范[17]，橋梁動力響應應滿足表2限值。

表2 橋梁動力響應限值

2 結構動力特性分析

結構自身的動力特性可通過自振頻率、振型、質(zhì)量參與系數(shù)來體現(xiàn)，而質(zhì)量參與系數(shù)能方便地考慮各階振型對橋梁結構動力反應的貢獻。兩個計算模型在墩高為12 m時的自振頻率、質(zhì)量參與系數(shù)及振型描述見表3，UX、UY、RZ分別為橋梁順橋向、橫橋向及面內(nèi)旋轉振型的質(zhì)量參與系數(shù)。

表3 兩個計算模型的自振周期和質(zhì)量參與系數(shù)

由表3可以看出，5-32 m簡支梁計算模型的自振頻率始終比5-40 m簡支梁計算模型的自振頻率高出2.5%左右，同時，兩個計算模型的質(zhì)量參與系數(shù)相差不大，振型描述保持一致，可見，5-32 m簡支梁計算模型與5-40 m簡支梁計算模型的結構動力特性相差不大。

為了進一步研究兩個計算模型的動力特性，改變橋墩高度，得到兩個計算模型前3階自振頻率如圖3所示。

圖3 不同墩高下兩個計算模型前3階自振頻率

根據(jù)圖3可以看出，隨著墩高增大，兩個計算模型的自振頻率逐漸降低，并且降低幅度近似一致。32 m簡支梁模型的自振頻率始終高于40 m簡支梁模型的自振頻率。

綜合以上分析可以認為，5-32 m簡支梁計算模型和5-40 m簡支梁計算模型的結構動力特性相差不大，同時，5-40 m簡支梁計算模型的自振頻率始終偏低，因此，采用40 m簡支梁方案進行全橋設計時，需要更加注意結構的剛度指標。

3 車橋耦合分析計算

按上述方法分別建立5-32 m簡支梁車橋耦合計算模型和5-40 m簡支梁車橋耦合計算模型，選取250，275，300，325，350 km/h 5個工況，從橋梁振動響應這一方面對兩個計算模型進行對比分析。

3.1 梁體加速度對比

梁體的橫向、豎向加速度是評價梁體動力特性的重要指標之一，分別取12，24 m和48 m三種墩高，在上述5種工況下計算得到兩個計算模型的梁體橫向、豎向加速度，如圖4所示。

圖4 梁體加速度對比

由圖4(a)可知，隨著列車速度增大，在相同墩高下32 m梁模型和40 m梁模型的梁體橫向加速度變化趨勢近似一致，同時40 m梁模型的橫向加速度始終比32 m梁模型偏大，可見40 m梁模型的橫向振動要比32 m梁更為劇烈；墩高從12 m增大到24 m時，32 m梁模型橫向加速度最大增幅為19%，而40 m梁模型橫向加速度最大增幅達到46%，墩高從24 m增大到48 m時，32 m梁模型橫向加速度最大增幅為33%，而40 m梁模型橫向加速度最大增幅僅為9%。可以認為，當墩高較低時，墩高變化對40 m梁模型的橫向加速度影響較大，而當墩高較高時，墩高變化對40 m梁模型的橫向加速度影響反而較小。

從圖4(b)可以看出，40 m梁模型的梁體豎向加速度隨列車速度增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而32 m梁模型的梁體豎向加速度隨列車速度增大而逐漸增大；當列車速度小于325 km/h時，40 m梁模型的豎向加速度始終比32 m梁模型偏大，當列車速度大于325 km/h時，40 m梁模型的豎向加速度始終偏小。此外，墩高變化對兩個計算的豎向加速度影響較小。

通過以上分析可以認為，當列車速度小于325 km/h時，40 m梁模型橫、豎向加速度均比32 m梁模型偏大，梁體振動更為劇烈；當列車速度大于325 km/h時，40 m梁模型的橫向加速度同樣偏大，而豎向加速度偏小。墩高較低時，墩高變化對40 m梁模型的橫向加速度影響較大，而墩高較高時，墩高變化對32 m梁模型的橫向加速度影響較大。

3.2 梁體位移對比

分別取墩高12，24，48 m，在上述5種工況下計算得到兩個計算模型的梁體橫、豎向位移如圖5所示。

圖5 梁體位移對比

從圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)，40 m梁模型的梁體橫向位移始終比32 m梁模型偏大20%～30%；速度變化對兩個計算模型的梁體橫向位移影響較小，同時，墩高變化對兩個計算模型梁體橫向位移的影響規(guī)律保持一致，并在墩高為24 m時，梁體橫向位移最大。

圖5(b)表明，40 m梁模型的梁體豎向位移同樣始終比32 m梁模型偏大，最大高出1.8倍；隨著速度增大，40 m梁模型的梁體豎向位移變化趨勢要更為明顯，此外，墩高變化對兩個計算模型的梁體豎向位移影響很小。

綜合以上分析表明，對于5-32 m簡支梁計算模型和5-40 m簡支梁計算模型，40 m梁模型的梁體位移始終比32 m梁模型偏大，同時，墩高變化對兩個計算模型的梁體橫向位移影響較大。

4 經(jīng)濟性對比分析

以某條新建高速鐵路為工程背景進行經(jīng)濟性分析。該線鐵路等級為客運專線，設計速度為350 km/h，線別為雙線，線間距5.0 m，采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，設計活載采用ZK活載，二期恒載為140 kN/m；該地區(qū)處于6度地震區(qū)，按7度區(qū)設防，橋址區(qū)場地類別為Ⅱ類。選取該線路其中一段溝谷范圍，分別按32 m簡支箱梁及40 m簡支箱梁兩種方案布置孔跨進行研究，其中，32 m簡支箱梁方案孔跨布置為5-32 m簡支箱梁，橋梁全長174.7 m，最大墩高26 m，平均墩高25 m；40 m簡支箱梁方案孔跨布置為4-40 m簡支箱梁，橋梁全長174.0 m，最大墩高24.5 m，平均墩高24 m。兩種方案的工程造價投資對比如圖6所示，同時，圖7分別給出了兩種方案各分項工程造價占比。

圖6 32 m簡支梁方案和40 m簡支梁方案造價對比

從圖6可以看出，40 m簡支梁方案的上部工程造價比32 m簡支梁方案偏高，而下部工程造價比32 m簡支梁方案偏低，總造價降低約1.2%。這是由于40 m簡支梁的梁部尺寸要比32 m簡支梁偏大，梁體偏重，因此，上部工程的梁體預制費用和運架費用偏高，但是采用40 m簡支梁方案可以減少橋墩和基礎個數(shù)，從而降低下部工程造價。

圖7 32 m簡支梁方案和40 m簡支梁方案各分項工程造價占比

由圖7可見，32 m簡支梁方案的下部工程造價占比要明顯大于40 m簡支梁方案。綜合以上分析可以認為，采用40 m簡支梁方案可以有效減少下部工程的造價，從而較少工程總造價，對于高墩橋梁，這一優(yōu)勢將更為明顯。與此同時，40 m簡支梁梁體質(zhì)量近1 000 t，目前常用的900 t運架設備已經(jīng)不滿足運架條件，因此，需要投入一定費用研制適應40 m簡支梁的運架設備，這也間接增加了40 m簡支梁方案的造價成本。

5 結語

本文首先建立了5-32 m簡支梁和5-40 m簡支梁兩個計算模型，從結構動力特性和車橋耦合動力響應兩方面對兩個計算模型進行對比分析，最后以一項工程實例為背景，從經(jīng)濟性角度對32 m簡支梁方案和40 m簡支梁方案進行了對比研究，得出以下結論。

(1)對于5-32 m簡支梁和5-40 m簡支梁兩個計算模型，結構動力特性相差不大，而40 m簡支梁模型的自振頻率始終偏低，因此，采用40 m簡支梁進行全橋設計時，需要更加注意結構的剛度指標。

(2)40 m簡支梁模型的梁體橫向加速度和梁體位移始終比32 m簡支梁模型偏大，這使得40 m簡支梁模型的梁體橫向振動更為劇烈，梁體位移更大。

(3)當墩高為25 m左右時，(5-40) m簡支箱梁方案的工程總造價比(5-32) m簡支梁方案偏低1.2%，并且40 m簡支梁方案下部工程造價明顯低于32 m簡支梁方案，墩高越高，這一優(yōu)勢越明顯。

(4)綜合來看，雖然40 m簡支梁方案的梁體振動和位移偏大，但是都在合理范圍內(nèi)，而采用40 m簡支梁進行孔跨布置時，將減少工程總造價，因此，推介采用40 m簡支梁進行方案設計。