客貨共線鐵路箱梁裝配式橋面系設(shè)計研究

尹京 李旺旺 陳勝利

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

裝配式技術(shù)起源于19世紀(jì)的歐洲，而后逐步推廣到美國、加拿大、日本等國［1］。第二次世界大戰(zhàn)以后，由于裝配式結(jié)構(gòu)的建造速度快，而且生產(chǎn)成本較低，迅速在世界各地推廣開來［2-5］。我國早年由于裝配式建筑的隔音、防水、節(jié)點抗震等關(guān)鍵技術(shù)沒有得到很好解決，阻礙了裝配式結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展。隨著2007年我國住宅產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，行業(yè)再次聚焦到以PCa 裝配式技術(shù)為主的工業(yè)化生產(chǎn)方式［6-10］。裝配式技術(shù)的關(guān)鍵問題是節(jié)點或斷面的連接問題，主要連接方法有：現(xiàn)澆濕接縫或灌漿口連接、灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、預(yù)應(yīng)力筋連接等。

國辦發(fā)〔2016〕71 號《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》指出，發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措。預(yù)制拼裝法作為橋梁綠色環(huán)保建設(shè)的代表工法，不僅可以促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，還能降低勞動成本，節(jié)約建筑材料，降低能耗，減少揚塵，對環(huán)境干擾小，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。因此，對該施工方法和核心技術(shù)進(jìn)行深入研究并實施產(chǎn)業(yè)化具有重要意義，也是貫徹我國十三五“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念。

我國客貨共線鐵路橋梁橋面附屬設(shè)施主要包括擋砟墻、電纜槽、蓋板、遮板、欄桿、聲屏障等。根據(jù)鐵路橋梁施工和運營狀態(tài)的調(diào)研結(jié)果，現(xiàn)有箱梁橋面附屬設(shè)施存在施工周期較長、現(xiàn)澆混凝土工作量大、現(xiàn)場施工質(zhì)量難以控制、運營期間養(yǎng)護(hù)維修工作量大等問題［11］。通過橋面附屬設(shè)施現(xiàn)場裝配化施工，可縮短施工周期，保證施工質(zhì)量，從而減少橋面附屬設(shè)施的養(yǎng)護(hù)維修工作量，節(jié)省橋梁的全壽命周期成本。本文從方案比選和結(jié)構(gòu)設(shè)計角度，通過有限元分析和理論計算相結(jié)合的方法，重點研究了客貨共線箱梁橋面附屬設(shè)施在裝配過程中與橋梁主體結(jié)構(gòu)的連接問題，提出了客貨共線鐵路箱梁的裝配式橋面系設(shè)計方案，克服了傳統(tǒng)鐵路橋面系依賴現(xiàn)澆的弊端。

1 總體裝配方案比選

根據(jù)功能需求和橋面附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)特點，提出3 種裝配式橋面附屬設(shè)施總體方案進(jìn)行比選，分別為整體式、倒F式和分體式。

1）整體式。擋砟墻、電纜槽底板、電纜槽豎墻、邊墻全部整體預(yù)制，電纜槽底板與翼緣板現(xiàn)場通過螺栓連接。由于電纜槽底板參與結(jié)構(gòu)受力，因此需增加電纜槽底板厚度。整體式裝配橋面附屬設(shè)施方案見圖1。優(yōu)點：①電纜槽底板與擋砟墻、邊墻形成整體，整體受力性能好，同時可作為橋面的防水層和保護(hù)層；②擋砟墻、邊墻和電纜槽可一次性整體吊裝就位，減少裝配工序。缺點：整體吊裝重量較大。

圖1 整體式裝配橋面附屬設(shè)施方案

2）倒F式。擋砟墻、電纜槽底板、電纜槽豎墻采用整體預(yù)制，擋砟墻底部與橋梁通過螺栓連接，外側(cè)擋墻在梁場與橋面整體澆筑。倒F式裝配橋面附屬設(shè)施方案見圖2。優(yōu)點：①電纜槽底板與擋砟墻形成整體，可減小擋砟墻連接構(gòu)件受力，同時作為橋面的防水層和保護(hù)層；②外側(cè)擋墻與橋面整體性好，欄桿區(qū)段可減小擋墻厚度，滿足現(xiàn)有架橋機要求。缺點：外側(cè)擋墻過隧道時受限。

圖2 倒F式裝配橋面附屬設(shè)施方案

3）分體式。將遮板進(jìn)行整體預(yù)制安裝，為滿足受力要求，通過預(yù)埋鋼筋與梁體翼緣板進(jìn)行連接。擋砟墻同樣采用豎向鋼筋與梁體連接。電纜槽內(nèi)豎墻和底板采用預(yù)應(yīng)力混凝土（Reinforced Prestressed Concrete，RPC）整體預(yù)制構(gòu)件，安放在電纜槽內(nèi)。分體式裝配橋面附屬設(shè)施方案見圖3。優(yōu)點：各預(yù)制構(gòu)件自重小，構(gòu)件容易存放。缺點：擋砟墻和遮板均需要連接，構(gòu)件數(shù)量多，現(xiàn)場安裝工序復(fù)雜。

圖3 分體式裝配橋面附屬設(shè)施方案

通過3 種方案的對比可以看出，整體式方案整體力學(xué)性能好，安裝過程工序少，運輸過程中不受隧道斷面限制，適用性廣，具有明顯優(yōu)勢。故選取該方案開展后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與檢算。

2 方案設(shè)計

客貨共線鐵路橋面附屬設(shè)施整體式裝配方案的主要功能包括：①擋砟墻對道砟進(jìn)行限位，同時起到列車脫軌導(dǎo)向作用；②外側(cè)邊墻提供欄桿、聲屏障接口；③電力和通信信號線纜分槽敷設(shè)；④提供維修人員通道；⑤向內(nèi)排水，保護(hù)翼緣表面，提高梁體結(jié)構(gòu)耐久性。其中擋砟墻的列車脫軌側(cè)向力是設(shè)計控制工況，采用“通橋（2014）8188”中現(xiàn)澆擋砟墻橫向水平荷載200 kN/m 進(jìn)行設(shè)計，作用于擋砟墻頂部。設(shè)計主要控制截面為截面A、截面B和截面C，斷面位置見圖4。

圖4 擋砟墻橫向水平荷載計算控制截面

2.1 內(nèi)力計算方法

由于砂漿層和連接裝置的共同作用，使得模型邊界條件復(fù)雜。為簡化模型計算，比較分析以下2 種邊界條件。

1）鉸接支承假定：①螺栓和混凝土預(yù)制件的剛度均無限大；②擋砟墻側(cè)螺栓受拉，受拉區(qū)砂漿層脫開，受壓區(qū)砂漿層無支承作用。該假定可大量簡化計算，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算可通過結(jié)構(gòu)力學(xué)公式求解。

2）彈性支承假定：①螺栓、混凝土預(yù)制件和砂漿按實際剛度取值；②受拉區(qū)砂漿層脫開，受壓區(qū)砂漿考慮其彈性支承作用，見圖5。該假定與實際受力情況更接近，結(jié)構(gòu)內(nèi)力可通過桿系單元有限元模型計算得到。

圖5 彈性支承計算模型

彈性支承計算模型中將砂漿層簡化為僅受壓的彈簧，軸向剛度為k1，螺栓簡化為可承受拉、壓和彎曲的彈簧，軸向剛度為k2，抗彎剛度為k3，此時將螺栓視作固定于梁面的懸臂梁。各剛度計算式為

式中：Eb為砂漿彈性模量；Ab為砂漿層面積；Lb為砂漿層厚度；El為螺栓拉壓彈性模量；Al為螺栓截面積；Ll為螺栓受拉長度；Il為螺栓截面慣性矩。

脫軌側(cè)向荷載P產(chǎn)生的彎矩通過擋砟墻傳遞至底板，底板、砂漿層與螺栓組合形成超靜定結(jié)構(gòu)，共同抵抗該彎矩，并通過螺栓將荷載傳遞至橋面翼緣板。通過變形協(xié)調(diào)方程求解超靜定方程可得到螺栓內(nèi)力和預(yù)制件截面內(nèi)力。

2.2 螺栓連接方案設(shè)計

螺栓布置位置會影響螺栓內(nèi)力和預(yù)制件截面內(nèi)力，邊墻側(cè)螺栓由于構(gòu)造要求位置基本確定，擋砟墻側(cè)的螺栓位置有2 種布置方案：①布置在電纜槽內(nèi)緊鄰擋砟墻的根部；②布置在電纜槽外緊鄰擋砟墻根部。2種方案螺栓位置見圖6。

圖6 擋砟墻根部的螺栓位置方案（單位：mm）

按照彈性支承計算模型，擬定底板厚度為200 mm，擋砟墻側(cè)每米布置1.5 個M30 高強螺栓，邊墻側(cè)每米布置1個M24高強螺栓。計算得到預(yù)制件截面C的內(nèi)力和螺栓內(nèi)力，見表1。

表1 螺栓位于電纜槽內(nèi)外主要內(nèi)力指標(biāo)比較

由表1可見，按照彈性支承假定計算，電纜槽外方案比電纜槽內(nèi)方案的螺栓力臂長度（砂漿脫開分界點距擋砟墻根側(cè)螺栓的距離）增加10.3%，螺栓拉力減小12.3%，電纜槽底板的彎矩和剪力也均減小。但對于有砟軌道，還需考慮大型機械養(yǎng)護(hù)對擋砟墻之間的限界要求，電纜槽外方案螺栓位置可能會對道砟振搗養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生影響。因此，螺栓位置采用布置在電纜槽內(nèi)的設(shè)計方案。

2.3 預(yù)制件尺寸設(shè)計

通過計算分析發(fā)現(xiàn)，底板厚度變化將影響截面C和螺栓的內(nèi)力分配。螺栓位置采用布置在電纜槽內(nèi)的設(shè)計方案，設(shè)定底板厚度為0.18 m 時底板與螺栓剛度比α=1。改變底板厚度，得到不同剛度比對內(nèi)力的影響，見圖7。

圖7 不同剛度比對內(nèi)力的影響

由圖7可見，相同脫軌側(cè)向力作用下，隨著剛度比的增大，螺栓承擔(dān)拉力減小，底板截面分配彎矩加大，力臂長度增加。在參數(shù)設(shè)計時，需充分考慮螺栓規(guī)格與底板厚度的匹配性，避免螺栓過粗或底板過厚浪費材料，也需避免螺栓過細(xì)抗力不足，或底板過薄不滿足混凝土保護(hù)層厚度等結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求。因此綜合考慮結(jié)構(gòu)受力安全性、建造經(jīng)濟性、構(gòu)造功能性要求，確定采用M30螺栓、底板厚度為0.186 m進(jìn)行初步設(shè)計，剛度比α約為1.12。

3 控制斷面設(shè)計結(jié)果

擋砟墻截面A寬度取0.185 m，中部截面B寬度取0.225 m，截面C 處底板厚度取0.186 m，擋砟墻側(cè)螺栓長度取0.25 m，平均每米布置1.5個M30螺栓，邊墻側(cè)螺栓長度0.20 m，每米布置1 個M24 螺栓。彈性支承下結(jié)構(gòu)內(nèi)力見表2和表3。

表2 脫軌側(cè)向力作用下?lián)蹴膲?nèi)力

表3 脫軌側(cè)向力作用下螺栓內(nèi)力 kN

脫軌側(cè)向力工況按一次性撞擊考慮，裂縫寬度不予控制，材料參數(shù)取極限值［12］。裝配構(gòu)件脫軌側(cè)向力工況下控制截面應(yīng)力計算結(jié)果見表4?？梢姡孛鍭為控制截面，混凝土最大壓應(yīng)力為26.2 MPa，采用本文提出的整體式裝配結(jié)構(gòu)和連接螺栓設(shè)計方案可以滿足列車脫軌側(cè)向撞擊的防護(hù)要求。

表4 脫軌側(cè)向力工況下構(gòu)件控制截面應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

4 結(jié)論

本文通過方案比選和關(guān)鍵參數(shù)理論分析，得出以下結(jié)論：

1）提出了客貨共線鐵路箱梁橋面整體式裝配設(shè)計方案，即擋砟墻、豎墻、邊墻、電纜槽底板整體預(yù)制安裝，通過電纜槽內(nèi)的高強螺栓與橋面翼緣板連接的方案。

2）設(shè)計最不利截面為擋砟墻中部加寬平臺處，混凝土最大壓應(yīng)力為26.2 MPa，小于極限抗壓強度33.5 MPa，具有一定安全余量。

3）采用本文提出的整體式裝配結(jié)構(gòu)和連接螺栓設(shè)計方案可以滿足列車脫軌側(cè)向撞擊的防護(hù)要求。