川藏鐵路鋼-混結(jié)合梁截面形式研究

艾宗良,陳克堅,戴勝勇

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

我國鐵路橋梁從20世紀五六十年代開始采用鋼-混結(jié)合梁的形式。1958年京廣鐵路十字江橋采用了32 m簡支鋼-混結(jié)合梁[1]，20世紀六七十年代貴昆、成昆、襄渝鐵路在曲線上架設了32孔44 m鋼-混結(jié)合梁[1]。21世紀初青藏鐵路采用了16，24，32 m上承式栓焊板式結(jié)合梁橋[1]。十多年來，伴隨我國高速鐵路的建設，鋼-混結(jié)合梁在秦沈客專、京張高鐵、成貴鐵路、哈大高鐵等鐵路線上均得到應用[2-5]，圖1為成都北編組站項目跨繞城高速鋼-混結(jié)合梁橋施工現(xiàn)場。另外，鋼-混結(jié)合梁在歐洲、美國、日本的鐵路橋梁建設中占有重要地位。法國跨度TGV高速鐵路大量采用鋼-混結(jié)合梁，2007年建成的TGV東線(巴黎至南錫)的所有大型橋梁都采用鋼-混結(jié)合梁[1]。 日本早期修建的東海道新干線近50%的橋梁為鋼橋和鋼-混結(jié)合梁橋[1]。 另外，鋼-混結(jié)合梁橋在德國、比利時、西班牙、瑞典的鐵路橋梁中也得到廣泛應用。圖2為法國高速鐵路工字形截面鋼-混結(jié)合梁實橋照片。調(diào)研相關(guān)文獻[1，9-23]，國內(nèi)外鐵路中小跨度鋼-混結(jié)合梁橋通常采用的截面形式有工字形和槽形兩種截面形式。表1為國內(nèi)外部分雙工字形截面鋼-混結(jié)合梁橋統(tǒng)計，表2為國內(nèi)外部分鐵路槽形截面鋼-混結(jié)合梁橋統(tǒng)計。從鐵路鋼-混結(jié)合梁的應用來看，鋼-混結(jié)合梁技術(shù)成熟，受力可靠，經(jīng)濟性較好。

圖1 成都北編組站跨繞城高速鋼-混結(jié)合梁橋

圖2 法國高速鐵路工字形截面鋼-混結(jié)合梁

表1 國內(nèi)外部分雙工字形截面鋼-混結(jié)合梁橋統(tǒng)計

表2 國內(nèi)外部分鐵路槽形截面鋼-混結(jié)合梁橋統(tǒng)計

川藏鐵路雅安至林芝段位于青藏高原東南部，沿線山高谷深，人跡罕至，具有“顯著的地形高差”、“強烈的板塊活動”、“頻發(fā)的山地災害”、“敏感的生態(tài)環(huán)境”、“惡劣的氣候條件”、“薄弱的基礎設施”等六大工程環(huán)境特征。根據(jù)可研階段成果，川藏鐵路新建橋梁105座，117.68 km，占線路長度11.6%。

為減輕橋梁自重、提高橋梁抗震性能，在川藏鐵路9度高烈度地震區(qū)，采用了簡支鋼-混結(jié)合梁；在3 500 m以上的高海拔地區(qū)，混凝土橋梁無運架條件時，也可采用鋼-混結(jié)合梁(橋面板預制)替代支架現(xiàn)澆預應力混凝土梁。

結(jié)合川藏鐵路鋼-混結(jié)合梁孔跨布置，針對32，40，48 m三種跨度進行截面形式比選，分別從技術(shù)、經(jīng)濟、施工等方面對雙工字形、三工字形、槽形三種截面形式的鋼-混結(jié)合梁進行研究，并分析高烈度地震區(qū)采用結(jié)合梁的必要性。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

選取32，40，48 m三種跨度，有砟、無砟兩種軌道形式進行研究。限于篇幅，以32 m跨、5 m線間距、有砟軌道為例，介紹雙工字形、三工字形、槽形三種截面形式的鋼-混結(jié)合梁的構(gòu)造，詳見圖3～圖5、表3。

圖3 雙工字形截面(單位：mm)

圖4 三工字形截面(單位：mm)

圖5 槽形截面(單位：mm)

表3 3種截面形式鋼-混結(jié)合梁主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(32 m有砟雙線)

需要說明的是，上述不同截面形式結(jié)合梁的設計參數(shù)，包括腹板間距(主梁中心距)、橋面板厚度、鋼梁梁高及板厚、橫向連接系及加勁肋布置等均為自身優(yōu)化后的參數(shù)取值，以此確保比較的準確性。

分析不同截面形式的設計參數(shù)可知，槽形、三工字形截面的橋面板橫向跨度小，混凝土橋面板厚度取值為26 cm比雙工字形截面混凝土板厚取值40 cm小14 cm；相比雙工字形或者三工字形截面，槽形截面鋼-混結(jié)合梁下翼緣寬度較大，鋼梁高度取值??；槽形、三工字形鋼-混結(jié)合梁腹板數(shù)量多，取值較薄，受腹板局部穩(wěn)定因素控制，腹板總厚度較雙工字形截面更大。

3 計算結(jié)果

表4列出了32 m跨鋼-混結(jié)合梁梁部的剛度、強度、疲勞等計算結(jié)果。

表4 鋼-混結(jié)合梁主要計算結(jié)果(32 m有砟雙線)

根據(jù)計算結(jié)果，有如下主要結(jié)論：

(1)對于鋼-混結(jié)合梁來說，有砟梁主要受豎向自振頻率控制、無砟梁主要受梁端轉(zhuǎn)角控制，相應的主要尺寸和參數(shù)按豎向自振頻率、梁端轉(zhuǎn)角限值等指標的最低要求取值后，其余指標均可以滿足規(guī)范要求，且有一定富余；

(2)3種截面形式鋼-混結(jié)合梁的豎向剛度、橫向剛度接近，槽形鋼-混結(jié)合梁剛度略大；

(3)由于槽形鋼-混結(jié)合梁下翼緣面積大，上翼緣面積小，且截面高度小，在鋼梁與橋面板形成聯(lián)合受力之前，鋼梁的上翼緣已經(jīng)儲備了較大的壓應力，相應槽形鋼-混結(jié)合梁的上翼緣應力較高；

(4)單線偏載下梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面變形差、兩片梁荷載分配均勻性、鋼梁下翼緣的疲勞受力狀況等抗扭轉(zhuǎn)性能方面，槽形截面鋼-混結(jié)合梁優(yōu)于工字形截面鋼-混結(jié)合梁，但是，均能滿足速度200 km/h梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面變形差3.0 mm限值的要求。

4 抗震性能

在高烈度地震區(qū)，對簡支結(jié)構(gòu)的鋼-混結(jié)合梁以及混凝土箱梁進行了時程反應分析，分析不同梁型和截面形式的橋梁的抗震性能。32 m跨鋼-混結(jié)合梁和混凝土梁質(zhì)量對比見表5。

表5 32 m雙線鋼-混結(jié)合梁和混凝土梁質(zhì)量對比 t

由表5可知，三工字形截面梁部質(zhì)量分布約占混凝土箱梁的76.1%，占雙工字形截面的88.6%。

時程分析結(jié)果表明，在罕遇地震作用下，三工字形截面鋼-混結(jié)合梁的支座最大位移分別為混凝土箱梁和雙工字形截面的89.2%和96.4%，墩底和樁基彎矩的占比分別為86.2%和94.8%，支座反力分別為80%和92%。采用三工字形截面進一步減輕了梁部自重，對梁部和橋墩的抗震性能提升均有利。

采用三工字形截面鋼-混結(jié)合梁，在0.3g，0.35g和0.4g地震烈度對應的罕遇地震作用下，梁部工字鋼最大拉應力分別為220，268 MPa和293 MPa，均小于地震下鋼材允許應力375 MPa，混凝土板僅在支座附近范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應力，其余部分均為壓應力，最大拉應力分別為4.6，5.5 MPa和6.3 MPa，混凝土板會局部輕微損壞，震后需要簡單修補。

采用混凝土梁，在0.3g，0.35g和0.4g地震設防烈度對應的罕遇地震作用下，梁部混凝土強度安全系數(shù)最分別為1.27，1.05和0.89。在0.40g地震區(qū)，強度安全系數(shù)小于1，結(jié)構(gòu)處于強度不安全狀態(tài)。

因此，在0.35g及以上的高烈度地震區(qū)使用鋼-混結(jié)合梁，一方面可以減輕梁部質(zhì)量，進而減小下部結(jié)構(gòu)地震響應和配筋量；另一方面，相對混凝土梁，鋼-混結(jié)合梁梁部抗震性能好，在罕遇地震下可滿足抗震需求且震后修復工程量相對小。

同時，三工字形截面較雙工字形截面進一步減輕了梁部質(zhì)量，進而減小下部結(jié)構(gòu)地震響應，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。根據(jù)上文可知，相比雙槽形截面，三工字形截面經(jīng)濟性更高，而兩者的抗震性能十分接近。

綜合考慮抗震性能及經(jīng)濟性，推薦在川藏鐵路0.35g及以上的高烈度地震區(qū)使用鋼-混結(jié)合梁，截面形式推薦采用三工字形截面。

5 經(jīng)濟性評價

對于雙工字形截面，腹板數(shù)量僅為2道，較三工字形、槽形截面少，腹板總厚度的增加對結(jié)構(gòu)剛度貢獻不大；三工字形、槽形鋼-混結(jié)合梁箱寬更寬、腹板數(shù)量更多，相應的橫向連接、加勁肋、拼接板的數(shù)量更多；雙工字形截面用鋼量方面具有優(yōu)勢。三工字形、槽形截面鋼-混結(jié)合梁的腹板多，減小了橋面板的橫向跨度，橋面板厚度減小，橋面板混凝土圬工量更少。另外，三工字形、槽形截面由于箱寬更寬，會引起下部墩臺結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量增加。

從用鋼量方面來分析，雙工字形截面要比三工字形截面、槽形截面鋼-混結(jié)合梁節(jié)約20%左右，且隨著跨度增加，3個方案用鋼量差距逐漸縮??；從橋面板混凝土用量方面分析，三工字形截面、槽形截面要比雙工字形截面節(jié)省約25%。32，40，48 m三種跨度范圍內(nèi)，橋面圬工量與橋梁跨度沒有相關(guān)性。

表6列出了32，40，48 m跨不同截面形式鋼-混結(jié)合梁主要工程數(shù)量，表7列出了32，40，48 m跨雙線有砟梁不同截面形式鋼-混結(jié)合梁造價。

由表6、表7可知，雙工字形截面經(jīng)濟性最好，三工字形次之，槽形截面最差。根據(jù)不同跨度的計算結(jié)果表明，在小跨度時(32 m跨度)，雙工字形截面具有較為明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，隨著跨度的增加，雙工字形截面的經(jīng)濟優(yōu)勢逐漸下降，在48 m跨度時，雙工字形斷面已經(jīng)沒有經(jīng)濟優(yōu)勢。

表6 不同截面形式鋼-混結(jié)合梁主要工程數(shù)量

表7 不同截面形式鋼-混結(jié)合梁造價對比

6 研究結(jié)論

從鋼結(jié)構(gòu)運輸、安裝及技術(shù)經(jīng)濟性等角度綜合考慮，川藏鐵路24，32，40 m跨度鋼-混簡支結(jié)合梁推薦采用雙工字形截面，48 m跨度鋼-混簡支結(jié)合梁推薦采用雙槽形截面形式。

在0.35g及以上地震區(qū)使用鋼-混結(jié)合梁，相對于混凝土梁，可以減輕梁部質(zhì)量，對下部結(jié)構(gòu)抗震性能有利，且其梁部的抗震性能較混凝土梁具有明顯優(yōu)勢。高烈度地震區(qū)采用三工字形截面，能夠進一步降低混凝土橋面厚度，減小下部結(jié)構(gòu)地震反應。

總體來說，鋼-混結(jié)合梁在鐵路工程中得到較多應用，安全可靠；川藏鐵路高烈度地震區(qū)(9度區(qū))及高海拔(大于3 500 m)無運架條件的零星簡支梁的區(qū)段，采用鋼-混結(jié)合梁合理；跨度40 m及以下，高烈度地震區(qū)采用三片工字形截面、非高烈度地震區(qū)采用雙工字形截面是合理的，跨度48 m及以上，宜采用雙槽形截面。