高速鐵路跨度32 m與40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁經(jīng)濟性比較研究
——以鐵伊鐵路3座橋梁設(shè)計為例

李學(xué)強 王 東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團濟南設(shè)計院，濟南 250022)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速鐵路的建設(shè)技術(shù)日新月異。我國高速鐵路具有規(guī)模大、橋梁比重大、長大橋梁多等特點[1-2]，橋梁工程投資占比一般相對較大。現(xiàn)階段，我國高速鐵路中橋梁主要采用整孔簡支箱梁，具有受力簡單、明確、形式簡潔、外形美觀、抗扭剛度大等優(yōu)點，其跨度多為32 m，40 m跨度相對較少。因此，對兩種跨度進行比選研究具有重大價值。已有部分學(xué)者開展相關(guān)研究，胡所亭等對常用簡支箱梁從梁體基頻、剛度、跨度方面進行優(yōu)化研究[3]；葉陽升等從參數(shù)研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計、梁體預(yù)制等方面對發(fā)展40 m簡支梁橋的意義進行分析[4]；牛斌對不同跨度簡支梁的設(shè)計情況以及實梁運營指標(biāo)測試結(jié)果進行對比分析[5]；姚亞茹對40 m簡支箱梁的縱向、橫向及局部應(yīng)力進行計算[6]；宋瑞等從箱梁共振消振、局部振動響應(yīng)特性、噪聲預(yù)測等方面對32 m和40 m箱梁的振動噪聲進行對比，結(jié)果表明40 m箱梁更具優(yōu)勢[7]；蘇永華等通過提高混凝土強度等級、推遲二期荷載上橋時間、細化二期荷載分級等方法，探索40 m箱梁殘余徐變上拱控制的措施[8]；陳勝利等對鄭濟高鐵40 m簡支箱梁進行水化熱、靜載彎曲等試驗[9-10]。為進一步研究橋梁跨度對其經(jīng)濟性的影響，選取鐵伊鐵路3座地質(zhì)條件、橋墩高度、橋梁長度、基礎(chǔ)類型不同的特大橋，對32 m和40 m跨度簡支箱梁橋的工程數(shù)量、工程概算進行對比分析。

1 概述

1.1 項目概況

新建鐵伊鐵路位于黑龍江省中部，線路起自鐵力站，終至新建伊春西站。正線全長112.355 km。其中，橋梁長29.152 km，橋梁占比25.94%，按速度250 km/h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

線路于CK9+859.42～CK10+855.56跨越頭道河及其支流，橋梁長996.14 m。橋址區(qū)位于沖洪積平原區(qū)，上覆淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂，下伏白堊系下統(tǒng)青山口組泥巖。

線路于CK89+185.855～CK89+918.155跨越幺河，橋梁長732.30 m。橋址大部分位于沖洪積河谷區(qū)，上覆粉質(zhì)黏土、細砂、粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土，下伏燕山期侵入花崗巖、華力西期侵入花崗巖。

線路于CK106+994.650～CK107+530.470跨越規(guī)劃新建路，橋全長535.81 m。橋址位于平原區(qū)，上覆粉質(zhì)黏土、粉砂、細圓礫土、粗圓礫土，下伏白堊系下統(tǒng)淘淇河組泥巖。

1.2 研究方法

根據(jù)3座橋梁的長度，分別按照32 m和40 m簡支箱梁進行孔跨布設(shè)(見表1)，并對兩種方案的橋梁進行下部結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別計算兩種方案的工程數(shù)量和工程造價[11]。

表1 兩種梁型方案橋梁情況

由表1可知，兩種梁型方案橋梁長度相差較小，對橋梁的工程數(shù)量及工程概算的對比結(jié)果不會產(chǎn)生較大影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計32 m簡支箱梁時，采用“通橋(2016)2229-Ⅰ”《時速250 km高速鐵路預(yù)制有砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁》，40 m簡支箱梁截面見圖2。

圖1 32 m簡支箱梁截面(單位：mm)

圖2 40 m簡支箱梁截面(單位：mm)

單孔32 m與40 m簡支箱梁工程數(shù)量對比見表2。

表2 兩種梁型工程數(shù)量對比

由圖2可知，40 m簡支箱梁橋墩采用圓端形實體橋墩，頂帽橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?qū)?.6 m，12 m以下橋墩墩頂橫橋向?qū)?.2 m，順橋向?qū)?.2 m，采用直坡形式。12 m以上橋墩墩頂橫橋向?qū)?.2 m，順橋向?qū)?.5 m，采用1∶45坡比形式。均滿足無縫線路橋墩線剛度要求[13]。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計

32 m簡支箱梁方案橋墩樁基均為φ1 m，樁基數(shù)量為8根、10根。40 m簡支箱梁方案橋墩樁基為φ1 m、φ1.25 m，樁基數(shù)量分別為8根、10根。

(1)頭道河特大橋

采用32 m梁時，墩高≤11.0 m采用8根φ1.0 m樁基，墩高>11.0 m采用10根φ1.0 m樁基；采用40 m梁時，墩高≤11.5 m采用10根φ1.0 m樁基，墩高>11.5 m采用8根φ1.25 m樁基。

(2)幺河1號特大橋

采用32 m梁時，墩高≤19.0 m采用8根φ1.0 m樁基，墩高>19.0 m采用10根φ1.0 m樁基；采用40 m梁時，墩高≤19.0 m采用10根φ1.0 m樁基，墩高>19.0 m采用8根φ1.25 m樁基。

(3)跨規(guī)劃新建路特大橋

采用32 m梁時，采用8根φ1.0 m樁基；采用40 m梁時，采用10根φ1.0 m樁基。

3 下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量

3座橋梁地震動峰值加速度均為0.05g，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。采用32 m簡支箱梁橋梁抗震設(shè)防類別為C類，采用40 m簡支箱梁橋梁抗震設(shè)防類別為B類[14]。每處橋梁分別按照32 m箱梁和40 m箱梁建立計算模型，兩種梁型方案的樁基數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 兩種梁型方案樁基數(shù)量統(tǒng)計

由表3可知，頭道河特大橋40 m箱梁較32 m箱梁的計算平均樁長增加約3.4 m；由于幺河1號特大橋大部分為嵌巖柱樁，故40 m箱梁與32 m箱梁計算平均樁長基本相同；跨規(guī)劃新建路特大橋40 m箱梁較32 m箱梁的計算平均樁長增加約7.0 m。由于部分樁基直徑增加為1.25 m，故采用40 m箱梁較采用32 m箱梁的樁基配筋面積增大。

3座橋梁的下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量見表4。

表4 兩種梁型方案下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量匯總

40 m與32 m箱梁下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量比較見表5。

表5 40 m較32 m箱梁方案下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量增減

由表4、表5可知，40 m簡支箱梁下部結(jié)構(gòu)較32 m簡支箱墩臺混凝土量平均減少8.2%，鋼筋量平均增加3.2%，承臺混凝土量平均增加8.8%，鋼筋量平均增加4.9%；樁長平均減少0.6%。

4 工程概算

4.1 上部結(jié)構(gòu)

32 m簡支箱梁單孔造價約81萬元，折合每延米約2.49萬元，40 m簡支箱梁制架單孔造價約114萬元，折合每延米約2.81萬元，40 m箱梁較32 m箱梁每延米概算增加12.84%。32 m箱梁每孔梁支座概算約為6.2萬元，40 m箱梁每孔梁支座概算約為8.3萬元。

3座橋梁上部結(jié)構(gòu)工程概算見表6。

表6 2種梁型方案上部結(jié)構(gòu)概算

每孔40 m簡支箱梁較32 m簡支箱梁概算增加40.7%。從3座橋梁上部結(jié)構(gòu)概算分析， 40 m簡支箱梁較32 m簡支箱梁上部結(jié)構(gòu)工程概算增加10.61%。

4.2 下部結(jié)構(gòu)

根據(jù)材料單價及相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，下部結(jié)構(gòu)概算見表7。

表7 兩種梁型方案下部結(jié)構(gòu)概算 萬元

由表7可知，對40 m簡支箱梁與32 m簡支箱梁的下部結(jié)構(gòu)工程概算進行比較，頭道河特大橋及跨規(guī)劃新建路特大橋工程概算分別減少1.15%、2.86%，幺河1號特大橋工程概算增加5.41%。

4.3 全橋?qū)Ρ?/h3>

32 m簡支箱梁和40 m簡支箱梁結(jié)構(gòu)的初步工程概算如下：頭道河特大橋采用32 m簡支箱梁全橋工程概算為6 336萬元，采用40 m簡支箱梁全橋工程概算為6 619萬元，工程概算增加4.47%；幺河1號特大橋采用32 m簡支箱梁全橋工程概算為3 563萬元，采用40 m簡支箱梁全橋工程概算為3 910萬元，工程概算增加9.74%；跨規(guī)劃新建路特大橋采用32 m簡支箱梁全橋工程概算為2 910萬元，采用40 m簡支箱梁全橋工程概算為3 079萬元，工程概算增加5.81%。

5 原因分析

40 m簡支箱梁結(jié)構(gòu)主要通過減少全橋的橋墩、承臺及樁基礎(chǔ)工程量來減少工程概算，不同梁型的工程概算對比分析如下。

(1)頭道河特大橋

上部結(jié)構(gòu)工程概算約占全橋53%，采用40 m簡支箱梁上部結(jié)構(gòu)概算增加9.41%。本橋墩高為7～12.5 m，橋址區(qū)地質(zhì)以粉質(zhì)黏土、中、粗砂、泥巖為主，樁基礎(chǔ)采用摩擦樁，采用40 m簡支箱梁下部結(jié)構(gòu)工程概算減少1.15%。

(2)幺河1號特大橋

上部結(jié)構(gòu)工程概算約占全橋69%，采用40 m簡支箱梁上部結(jié)構(gòu)概算增加11.88%。本橋墩高為8～20.5 m，橋址區(qū)地質(zhì)以粉質(zhì)黏土、細、粗、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土、花崗巖為主，樁基礎(chǔ)大部分采用嵌巖樁，采用40 m簡支箱梁下部結(jié)構(gòu)工程概算增加5.41%。

(3)跨規(guī)劃新建路特大橋

上部結(jié)構(gòu)工程概算約占全橋61%，采用40 m簡支箱梁上部結(jié)構(gòu)概算增加11.11%。本橋墩高為4～7 m，橋址區(qū)地質(zhì)以粉質(zhì)黏土、粉砂、細圓礫土、粗圓礫土、泥巖為主，樁基礎(chǔ)采用摩擦樁，采用40 m簡支箱梁下部結(jié)構(gòu)工程概算減少2.86%。

綜上，當(dāng)橋梁長度較長，或樁基以摩擦樁為主時，采用40 m簡支箱梁可以減少下部結(jié)構(gòu)工程量，降低下部結(jié)構(gòu)工程概算。當(dāng)橋梁長度較短，墩高較高且樁基以嵌巖樁為主時，采用40 m箱梁雙線高速鐵路墩臺頂縱向水平線剛度為550 kN/cm，較采用32 m箱梁時增加約57%，且抗震設(shè)防類別為B類[14]，為滿足規(guī)范要求，需通過增加橋墩、承臺尺寸，調(diào)整樁基長度、樁徑尺寸、樁基根數(shù)等措施[15]，使得下部結(jié)構(gòu)工程量不降反增，導(dǎo)致全橋工程概算增加。

6 結(jié)語

選取設(shè)計項目中3座有代表性的簡支梁橋，分別采用32 m和40 m簡支箱梁橋梁建模進行下部結(jié)構(gòu)計算，并對主要工程數(shù)量、工程概算進行對比分析，得出以下結(jié)論。

(1)對于地質(zhì)條件相差不大的橋梁，橋梁長度越長，橋墩墩高越高，采用40 m簡支箱梁時下部結(jié)構(gòu)工程量減少越多，工程投資優(yōu)化越多。

(2)對于工程地質(zhì)條件較好，樁基以嵌巖樁為主的橋梁，40 m簡支箱梁對橋梁樁基優(yōu)化并不明顯，32 m簡支箱梁經(jīng)濟性更好。

(3)一般情況下，橋梁墩高越高，采用40 m簡支箱梁橋墩工程量減少越多，但為滿足墩頂縱向水平線剛度以及抗震設(shè)防類別的要求，需增加橋墩尺寸以及增加樁基長度、樁徑等，使得橋梁基礎(chǔ)工程量增加較多，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)工程造價增加。