高速鐵路連續(xù)梁通用參考圖修編設(shè)計與優(yōu)化

胡國華

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

我國高速鐵路雖然起步晚，但起點高、發(fā)展快。自2008年8月1日中國第一條時速350 km高速鐵路——京津城際鐵路開通運營以來，高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅猛[1]。最近十幾年來，我國高速鐵路建設(shè)取得了巨大的成就。截至 2018年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到 13.1萬km，其中高速鐵路2.9萬km[2]。由于高標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，我國已建成的高速鐵路橋梁比重較大，一般達(dá)到50%～60%，有的甚至達(dá)到80%～90%[3]。

采用懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，不需要大量施工支架和臨時設(shè)備，不影響橋下通航、通車，施工受季節(jié)、河道水位的影響小。特別適合于跨越既有道路、河流、山谷、施工期水位變化頻繁不宜水上作業(yè)的河流，以及通航頻繁且施工時需留有較大凈空的河流，減少對現(xiàn)有道路、水路交通的影響。這些突出的優(yōu)點使得其在高速鐵路中得到大量應(yīng)用。

橋梁占比較高的高速鐵路橋梁90%為常用跨度橋梁[4]。對常用跨度采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計有利于提高工程質(zhì)量，采用和推廣新技術(shù)，降低工程造價，提高經(jīng)濟效益。因此對(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m四種常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁編制了通用參考圖，在2005年頒布了時速350km高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通用參考圖—“通橋(2005)2368” (以下簡稱“2005版”)，以供高速鐵路工程建設(shè)使用。2008年根據(jù)客運專線橋面系優(yōu)化工作要求，針對無砟軌道結(jié)構(gòu)進行適應(yīng)性調(diào)整，并結(jié)合2005版的使用情況，按照不同的排水方式，橋面構(gòu)造分別按六面坡、人字坡和V字坡三種形式，對通用參考圖進行分類修改和完善(以下簡稱“2008版”)。通用參考圖在京津、武廣、鄭西、京滬、哈大、寧杭等國內(nèi)多條高鐵線路上廣泛應(yīng)用，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量，加快了建設(shè)進度，為我國高速鐵路建設(shè)做出了重要的貢獻。

根據(jù)2016版《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到 17.5 萬km左右，其中高速鐵路 3.8 萬km左右[5]。為能夠更好地滿足下一階段高速鐵路建設(shè)需要，對時速350 km高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通用參考圖進行進一步修編意義重大。2015年，結(jié)合國內(nèi)建設(shè)實踐和現(xiàn)場反饋意見對通用參考圖進行了設(shè)計和優(yōu)化，2017年又根據(jù)新的需要進行了局部修編和補充。

2 設(shè)計優(yōu)化原則

(1) 充分借鑒我國已建和在建高速鐵路的建設(shè)經(jīng)驗，以橋梁既有模板和機械設(shè)備充分利用，同時提升景觀設(shè)計要求為原則，進行全方位的優(yōu)化設(shè)計。

(2) 按照橋面無砟軌道形式，對通用參考圖進行分類匯編，以適應(yīng)不同的無砟軌道結(jié)構(gòu)。

(3) 新的設(shè)計規(guī)范、規(guī)程及局部修訂條文對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的要求，根據(jù)現(xiàn)行最新規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)條件等進行修編。

(4) 對施工、運營情況進行充分調(diào)研，使設(shè)計圖更便于施工和滿足現(xiàn)場施工及運營需求。

3 修編主要內(nèi)容

3.1 增編(32+48+32) m連續(xù)梁

(32+48+32) m連續(xù)梁在目前高速鐵路中應(yīng)用較多，將其納入通用參考圖更有利于發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計簡化設(shè)計工作、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的作用。綜合受力和景觀性要求，結(jié)構(gòu)采用等高度設(shè)計，梁高和截面外輪廓與32 m預(yù)制簡支梁保持一致。連續(xù)梁橫截面如圖1所示。

圖1 (32+48+32) m連續(xù)梁橫截面(單位：mm)

3.2 橋面寬度及布置形式調(diào)整

橋面寬度主要與線間距、接觸網(wǎng)立柱位置及橋上是否設(shè)置走行式橋梁檢查車有關(guān)[6]。修編時結(jié)合圖紙應(yīng)用情況，進一步優(yōu)化橋面布置中附屬設(shè)施空間構(gòu)造。

2005版修編橋面寬度維持不變，按照橋上設(shè)置人行道檢查車考慮，檢查通道寬度為0.8 m，橋面總寬13.4 m。2005版修編橋面布置見圖2。

圖2 2005版修編橋面布置(單位：mm)

2008版按照橋面接觸網(wǎng)支柱外側(cè)不設(shè)檢查車通道考慮，橋面寬度12.0 m。按照“高速鐵路簡支箱梁橋面寬度方案研討會”意見和要求優(yōu)化橋面寬度和橋面布置，橋面寬度調(diào)整為12.6 m。2008版修編橋面布置見圖3。

圖3 2008版修編橋面布置(單位：mm)

3.3 適用類型增加CRTSⅢ型板式無砟軌道

繼CRTSⅠ、Ⅱ型板式及雙塊式無砟軌道類型在國內(nèi)高速鐵路應(yīng)用后[7]，我國自主研發(fā)了CRTSⅢ型板式無砟軌道，并被納入TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[8-9]。CRTSⅢ型板式無砟軌道的應(yīng)用將日益廣泛，修編時橋面無砟軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)類型相應(yīng)增加了該類型。

截面細(xì)部尺寸根據(jù)無砟軌道結(jié)構(gòu)形式、電纜槽橫向排水坡度等對橋面線形做適應(yīng)性調(diào)整。如圖4所示。

圖4 CRTSⅢ型板式無砟軌道橋面布置(單位：mm)

3.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化

(1)取消跨中橫隔板。高速鐵路最小曲線半徑7 000 m，困難條件下5 500 m[10]。連續(xù)梁曲線半徑大，采用箱型截面，抗扭剛度大，跨中不設(shè)置橫隔板受力上可行[11]?？缰袡M隔板不便于合龍時布置臨時剛性連接，取消跨中橫隔板可簡化模板構(gòu)造，更便于施工。

(2)取消支點局部加寬。支點局部加寬有利于支座布置和結(jié)構(gòu)受力，但支點局部加寬使得結(jié)構(gòu)構(gòu)造和施工模板復(fù)雜，加寬處鋼筋與梁體鋼筋交錯，減少了鋼筋凈距，不利于混凝土澆筑。常用跨度連續(xù)梁邊跨支座噸位較小，取消各跨度邊支點和主跨64m及以下連續(xù)梁中支點局部加寬，更易于混凝土澆筑，降低施工難度，保證施工質(zhì)量。

(3)滴水槽位置優(yōu)化。梁翼緣板滴水槽設(shè)置位置由原來距端部50 mm修改為100 mm，防止混凝土拆模出現(xiàn)掉角。

3.5 錨具及縱向預(yù)應(yīng)力筋布置調(diào)整

錨具是后張法預(yù)應(yīng)力錨固體系不可或缺的重要組成部分，要具有良好的材料物理性能和可靠的承載性能[12]。錨墊板將預(yù)應(yīng)力鋼束巨大的壓力分散傳遞到梁體中，尺寸較小的錨墊板容易出現(xiàn)錨墊板破壞、梁體混凝土壓潰等質(zhì)量問題。施工中出現(xiàn)的這些問題對錨下混凝土結(jié)構(gòu)的安全性提出了更高的要求。

TB/T 3193—2016《鐵路工程預(yù)應(yīng)力筋用夾片式錨具、夾具和連接器》增加了錨板最小直徑、厚度及最外側(cè)錐孔大口外邊緣到錨板邊緣的距離要求以及錨墊板、螺旋筋結(jié)構(gòu)尺寸和重量要求[13]。最小尺寸的要求將有助于避免施工中發(fā)生類似問題。錨墊板、螺旋筋要求的最小尺寸大于2005版、2008版設(shè)計所用參考值，因此須對縱向預(yù)應(yīng)力筋布置進行相應(yīng)的調(diào)整。

3.6 橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋優(yōu)化

連續(xù)梁橋面板寬度、橋面附屬設(shè)施布置和荷載與32 m預(yù)制簡支梁相同，與簡支梁相比，橋面板不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束完全可行。

國內(nèi)外對多座多連續(xù)梁橋調(diào)查發(fā)現(xiàn)豎向預(yù)應(yīng)力的損失都較大，有的甚至幾乎損失殆盡，其所起到的作用十分有限[14-15]。實際施工中存在孔道壓漿不密實、與橋面板橫向鋼筋和腹板箍筋沖突、施工質(zhì)量較難保證等現(xiàn)象。連續(xù)梁設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋，多作為一種安全儲備，取消豎向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置，結(jié)構(gòu)受力可完全滿足要求。

新建重載鐵路—山西中南部鐵路通道等線路系列連續(xù)梁橋不設(shè)置橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋實踐情況良好[16]。不設(shè)橫向、豎向預(yù)應(yīng)力束，省去了預(yù)埋孔道、張拉、封錨等工作，不僅可簡化施工程序，還能有效保證施工質(zhì)量。鑒于此，修編的通用參考圖取消了橋面板橫向預(yù)應(yīng)力筋，主跨80 m及以下跨度均取消了豎向預(yù)應(yīng)力筋，跨度最大的(60+100+60) m連續(xù)梁僅在中支點附近幾個節(jié)段設(shè)置了豎向預(yù)應(yīng)力筋。

3.7 普通鋼筋優(yōu)化

3.7.1 梁體普通鋼筋布置

適當(dāng)增大鋼筋間距，梁體普通鋼筋間距由100 mm調(diào)整到125 mm，有利于混凝土振搗，更便于現(xiàn)場施工操作，保證混凝土密實性和施工質(zhì)量，也充分體現(xiàn)了HRB400高強鋼筋良好的技術(shù)經(jīng)濟性能。

3.7.2 中支點0號塊、邊跨現(xiàn)澆段鋼筋布置優(yōu)化

連續(xù)梁支點部位縱向預(yù)應(yīng)力筋管道密集，底緣支座預(yù)埋錨栓、防落梁預(yù)埋件、臨時固結(jié)鋼筋等，是施工質(zhì)量控制的重點。

為了避免施工現(xiàn)場支座部位空洞、露筋[17]等現(xiàn)象，施工中從增加混凝土流動性和充分振搗兩方面進行改善，設(shè)計中對支座部位鋼筋進行優(yōu)化。

3.7.3 鋸齒塊鋼筋布置優(yōu)化

鋸齒塊內(nèi)原箍筋布置垂直于齒塊斜面，由斜向布置調(diào)整為豎向布置更便于鋼筋綁扎，減少現(xiàn)場工作量，提高施工效率。鋸齒塊鋼筋布置優(yōu)化見圖5。

圖5 鋸齒塊鋼筋布置優(yōu)化(單位：mm)

3.8 施工優(yōu)化

通用參考圖在已建和在建高速鐵路中全面應(yīng)用，我國幅員遼闊，工程地域特征差別較大，同時考慮到不同施工單位在施工經(jīng)驗、材料、設(shè)備等均有所差異，對施工中臨時固結(jié)、合龍段剛性連接等未做統(tǒng)一設(shè)計，由施工單位根據(jù)實際情況自行設(shè)計。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同項目差別較大，技術(shù)水平參差不齊，個別甚至偏于不安全，增補相應(yīng)的設(shè)計圖很有必要，以便于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.8.1 臨時固結(jié)

臨時錨固措施一般可采用墩頂臨時固結(jié)、在墩旁設(shè)置臨時支架或臨時墩等方式[18]。綜合受力、下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工操作等方面要求，采用墩頂臨時固結(jié)，并給出了計算所采用的荷載工況、荷載值，供施工對照檢查，參考應(yīng)用。

參考圖按照一般情況計算臨時錨固措施所承受的不平衡彎矩值，正常施工條件下均可參照采用。如實際施工情況偏差較大，應(yīng)考慮由于施工機具、梁體自重、風(fēng)載等偏差所引起的最大不平衡彎矩，同時還應(yīng)具有足夠的豎向承載力。

3.8.2 合龍段剛性連接

懸臂澆筑完成后，灌注邊、中跨合龍段使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)體系。在澆筑混凝土前要在合龍段設(shè)置臨時剛性連接進行臨時鎖定。

臨時剛接措施采用外剛性支撐，按照“既撐又拉”的原則設(shè)計[19]。采用常用的熱軋輕型工字鋼，兩端通過錨固鋼筋和預(yù)埋鋼板與梁體連接。

3.8.3 施工措施細(xì)化

(1)細(xì)化0號段鋼筋綁扎、預(yù)埋件安裝、混凝土灌筑等施工要求；補充梁段接縫處端面的處理要求。

(2)設(shè)計圖要求“錨口及喇叭口損失按預(yù)應(yīng)力鋼束錨外張拉控制應(yīng)力的6%計算，張拉前應(yīng)按施工規(guī)范進行管道及喇叭口摩阻試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整錨外張拉控制應(yīng)力”。連續(xù)梁施工中發(fā)現(xiàn)有調(diào)整方式不正確或未做調(diào)整，錯將錨下張拉控制應(yīng)力用作錨外張拉控制應(yīng)力，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。為避免類似情況，圖紙進一步明確施工時應(yīng)按σ錨外=σ錨下+σ錨口及喇叭口損失進行調(diào)整，同時將按6%計算的錨外張拉控制應(yīng)力列出，便于施工時提醒、參考。

(3)為確保預(yù)施應(yīng)力準(zhǔn)確，施工時應(yīng)對管道摩阻系數(shù)、管道偏差系數(shù)現(xiàn)場試驗確定，并提交設(shè)計單位進行檢算、調(diào)整。實際施工中進行摩阻測試的時機、選取的鋼束差別較大，影響預(yù)應(yīng)力施工。設(shè)計中明確了進行摩阻測試的時機和應(yīng)選取測試的預(yù)應(yīng)力鋼束編號，提高了摩阻測試的代表性和有效性，以確保預(yù)應(yīng)力施工的準(zhǔn)確性。

3.9 運營要求

(1)高速鐵路運營中需對橋梁進行維護檢查以保障運營安全。從橋面沿梁外側(cè)至墩頂?shù)臋z查通道使用不便，作業(yè)難度大，且存在安全風(fēng)險。為滿足中墩檢修需要，便于檢查人員上下，在中支點一側(cè)底板設(shè)置φ1.0 m的進人孔。進人孔處設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋以滿足結(jié)構(gòu)受力需要[20-21]。底板過人孔局部應(yīng)力分析云圖見圖6。

圖6 底板過人孔局部應(yīng)力分析

(2)預(yù)留了頂梁構(gòu)造和空間，便于運營期的養(yǎng)護管理。結(jié)合連續(xù)梁防落梁措施，綜合考慮頂梁位置及操作空間。

梁體施工完成后，將焊接成型的防落梁擋塊通過螺栓安裝于梁體底部。當(dāng)箱梁需要頂梁時，可卸下防落梁擋塊螺栓，在防落梁擋塊位置處進行操作。頂梁局部應(yīng)力分析見圖7。

圖7 頂梁局部應(yīng)力分析

4 結(jié)語

時速350 km高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通用參考圖修編設(shè)計中，對已建和在建的高速鐵路在建設(shè)、施工、運營等方面的經(jīng)驗和需求進行全面調(diào)研和深入總結(jié)。

“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網(wǎng)實現(xiàn)后，遠(yuǎn)期鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到20萬km左右，其中高速鐵路4.5萬km左右[5]。修編后的通用參考圖增編了(32+48+32) m連續(xù)梁，對橋面寬度及布置形式做了進一步調(diào)整，橋面無砟軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)類型增加了新型無砟軌道—CRTSⅢ型板式無砟軌道，通用參考圖全面適應(yīng)各種類型；對高速鐵路常用跨度連續(xù)梁的構(gòu)造、預(yù)應(yīng)力筋布置、普通鋼筋布置、施工工藝進行了全方位優(yōu)化調(diào)整，新技術(shù)、新工藝得到應(yīng)用，結(jié)構(gòu)更加合理，更便于施工，更利于保證工程質(zhì)量；施工措施、附屬設(shè)施進一步細(xì)化優(yōu)化，更便于施工和滿足現(xiàn)場施工及運營需求?！鞍丝v八橫”的建設(shè)和“一帶一路”偉大戰(zhàn)略實施，通用參考圖將有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展，對更好地滿足下一階段國內(nèi)高速鐵路建設(shè)需要，發(fā)揮更加積極、重要的作用。