時(shí)速350 km鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

張上， 蘇偉， 馬辰龍， 王琦

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

1 概述

常用跨度簡(jiǎn)支梁橋占我國(guó)現(xiàn)有高速鐵路全部橋梁長(zhǎng)度的95%以上，應(yīng)用總量達(dá)到40 余萬(wàn)孔，是我國(guó)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。因此，開(kāi)展高速鐵路簡(jiǎn)支梁優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

自2015 年起，針對(duì)雅萬(wàn)高鐵高烈度震區(qū)的特點(diǎn)，開(kāi)展了高鐵簡(jiǎn)支梁輕型化設(shè)計(jì)，以減小橋梁的地震動(dòng)響應(yīng)。為了給雅萬(wàn)高鐵提供技術(shù)支撐，2018 年起，開(kāi)展了雅萬(wàn)高鐵簡(jiǎn)支梁在國(guó)內(nèi)鐵路的應(yīng)用研究，最終確定在鹽通高鐵全線應(yīng)用新型簡(jiǎn)支梁［1］。

鹽通高鐵線路全長(zhǎng)156.686 km， 橋梁占比94.7%。鹽通高鐵設(shè)計(jì)速度350 km/h 的標(biāo)準(zhǔn)跨度雙線簡(jiǎn)支箱梁共4 145 孔，其中32 m 簡(jiǎn)支箱梁3 771 孔（含13 孔有砟梁），24 m 簡(jiǎn)支箱梁374 孔（含1 孔有砟梁）［2］。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）設(shè)計(jì)速度：350 km/h。

（2）設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

（3）軌道類型：CRTSⅢ型無(wú)砟軌道。

（4）線路情況：雙線，正線線間距5.0 m，最小曲線半徑7 000 m，困難時(shí)最小曲線半徑可采用5 500 m。

（5）施工方法：梁場(chǎng)集中預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)法施工。

（6）環(huán)境類別及作用等級(jí)：碳化環(huán)境T2。

（7）設(shè)計(jì)使用年限：主體結(jié)構(gòu)在正常養(yǎng)護(hù)維修條件下為100年。

2.2 輕型化技術(shù)路線

（1）梁高。梁高是簡(jiǎn)支梁的核心尺寸，對(duì)高速行車的安全性和舒適性起決定性作用，并直接影響梁體剛度、頻率，對(duì)鋼束布置、殘余徐變變形也有影響，同時(shí)還影響橋梁上建高度。通常梁高越低，混凝土用量越少，梁質(zhì)量越小，對(duì)減輕整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的自質(zhì)量和地震響應(yīng)有明顯效果；同時(shí)較小的梁高上建高度低，在縱斷面布置、運(yùn)架梁、運(yùn)梁過(guò)隧等方面均有優(yōu)勢(shì)。但梁高越小，鋼絞線用量越多，橋梁的動(dòng)力性能下降，因此，鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁參考雅萬(wàn)高鐵簡(jiǎn)支梁的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)力和靜力設(shè)計(jì)確定合理梁高［3］。

（2）箱寬。目前高鐵簡(jiǎn)支梁多采用斜腹板，在減少底板寬度的同時(shí)，也方便預(yù)制時(shí)脫模［4］。鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁也采用斜腹板設(shè)計(jì)，箱寬考慮到與目前高鐵橋墩相適應(yīng)的情況，盡量減小。

（3）板厚。簡(jiǎn)支梁各部分板厚主要由受力情況及預(yù)應(yīng)力鋼束的構(gòu)造要求確定［5］。鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁采用大規(guī)格預(yù)應(yīng)力鋼束，在腹板及底板均單排布束，以減小板厚、梁質(zhì)量。

2.3 主要設(shè)計(jì)原則

（1）主要建筑材料選擇。鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁采用強(qiáng)度等級(jí)C50 的混凝土，HRB400 的普通鋼筋，公稱直徑15.2 mm、抗拉強(qiáng)度1 860 MPa的標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線。

（2）橋面布置。橋面布置與國(guó)內(nèi)其他高鐵無(wú)砟軌道橋梁一致，線間距5.0 m，線路中心線到擋砟墻內(nèi)側(cè)2.0 m，橋面寬12.6 m［6］，鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橋面布置見(jiàn)圖1。

圖1 鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橋面布置

（3）二期恒載取值。鹽通高鐵橋梁二期恒載為120~150 kN/m，考慮到適當(dāng)減小二期恒載分檔，可以減少殘余徐變變形，同時(shí)部分二期情況下可降低支座規(guī)格。二期恒載分檔見(jiàn)表1。

表1 二期恒載分檔

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 梁高

在雅萬(wàn)高鐵簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中，采用2.3~2.9 m 按0.1 m一級(jí)逐級(jí)進(jìn)行比選，結(jié)合車橋耦合分析中梁高不小于2.6 m的建議，最終梁高取值2.8 m。目前國(guó)內(nèi)時(shí)速350 km的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁采用3.0 m 梁高。因此，采用優(yōu)化后的截面，針對(duì)3.0 m 及2.8 m 梁高進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比選。

（1）強(qiáng)度指標(biāo)。不同梁高的簡(jiǎn)支梁強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2，兩種梁高的強(qiáng)度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，具體數(shù)值二者差距不大，也說(shuō)明了目前高鐵簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)是剛度控制而不是強(qiáng)度控制［7］。

表2 不同梁高的簡(jiǎn)支梁強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

（2）剛度及梁端轉(zhuǎn)角。不同梁高的簡(jiǎn)支梁剛度及梁端轉(zhuǎn)角對(duì)比見(jiàn)表3 及表4，梁高越大，剛度越大，梁端轉(zhuǎn)角越小，但二者都滿足規(guī)范要求，且有一定余量。

表3 不同梁高的簡(jiǎn)支梁剛度對(duì)比

表4 不同梁高的簡(jiǎn)支梁梁端轉(zhuǎn)角對(duì)比

（3）自振頻率。不同梁高的簡(jiǎn)支梁自振頻率對(duì)比見(jiàn)表5。不同梁高均可滿足自振最低限值，梁高2.8 m時(shí)，150 kN/m 的二期恒載情況下，低于不進(jìn)行車橋耦合的限值，采用車橋耦合分析驗(yàn)證動(dòng)力性能滿足規(guī)范要求，詳見(jiàn)第5節(jié)。

表5 不同梁高的簡(jiǎn)支梁自振頻率對(duì)比

（4）徐變變形及經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)細(xì)化預(yù)應(yīng)力布置及二期恒載分檔，2 種梁高的簡(jiǎn)支梁殘余徐變變形均為4~5 mm，滿足規(guī)范不大于10 mm 的要求，也滿足大規(guī)模預(yù)制梁一般不大于7 mm 的通行要求［8］。2 種梁高的簡(jiǎn)支梁主要工程用量對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 不同梁高的簡(jiǎn)支梁主要工程用量對(duì)比

根據(jù)工程經(jīng)濟(jì)專業(yè)計(jì)算，考慮運(yùn)架梁等施工費(fèi)用，2.8 m 梁高簡(jiǎn)支梁每孔梁比3.0 m 梁高簡(jiǎn)支梁節(jié)省約0.2 萬(wàn)元，二者造價(jià)差距不大。

通過(guò)靜力和經(jīng)濟(jì)性分析，2.8 m 梁高簡(jiǎn)支梁在各項(xiàng)指標(biāo)上均能滿足要求，造價(jià)比3.0 m 梁高簡(jiǎn)支梁稍低，且在上建高度、雙層存梁、運(yùn)架施工上有優(yōu)勢(shì)，最終鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁確定采用2.8 m梁高。

3.2 截面尺寸

鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁采用單箱單室截面，等高度設(shè)計(jì)。梁端腹板、底板及頂板向內(nèi)變厚，梁長(zhǎng)32.6 m，梁端懸出長(zhǎng)度0.55 m。頂板寬12.6 m，底板寬5.4 m。根據(jù)采用單排大規(guī)格鋼束布置的構(gòu)造要求及梁體抗彎剪扭的受力要求，腹板跨中厚度取值0.36 m，梁端位置尺寸增加至0.8 m。頂板除承受橋面荷載，同時(shí)還受溫度力影響，厚度取值0.285 m，梁端位置尺寸增加至0.55 m。底板厚度考慮預(yù)應(yīng)力管道及普通鋼筋的布置要求，厚度取值0.27 m，梁端位置尺寸增加至0.7 m。鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁梁體橫斷面見(jiàn)圖2，鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁截面構(gòu)造尺寸與雅萬(wàn)高鐵簡(jiǎn)支梁相同。

圖2 鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁梁體橫斷面

3.3 預(yù)應(yīng)力布置

鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁采用大規(guī)格預(yù)應(yīng)力鋼束，實(shí)現(xiàn)了腹板及底板均單排布束，有效減小梁質(zhì)量。腹板束規(guī)格為15-7Φ5，每側(cè)布置4 根；底板束規(guī)格9~11-7Φ5，共9 根。鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置見(jiàn)圖3。

圖3 鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置

3.4 縱、橫向及三維實(shí)體分析

（1）鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁縱向?yàn)槿A(yù)應(yīng)力構(gòu)件，通過(guò)縱向有限元分析，強(qiáng)度指標(biāo)均滿足要求，不再贅述。鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁撓跨比為1/4 405，梁端轉(zhuǎn)角0.73‰，自振頻率4.6~4.82 Hz，殘余徐變上拱為3.9~4.8 mm，均滿足要求。

（2）鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橫向?yàn)殇摻罨炷翗?gòu)件，通過(guò)建立環(huán)框模型模擬存梁、運(yùn)架施工、運(yùn)營(yíng)、頂梁等各工況下的橫向受力情況，并通過(guò)合理配置鋼筋，控制應(yīng)力及裂縫水平滿足要求。鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橫向計(jì)算有限元模型（跨中截面）見(jiàn)圖4。

圖4 鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橫向計(jì)算有限元模型（跨中截面）

（3）通過(guò)建立三維實(shí)體模型，模擬簡(jiǎn)支梁在建造、架設(shè)、運(yùn)營(yíng)等全生命周期所有工況下的受力情況，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)在終張拉時(shí)梁端下倒角（腹板與底板交角處）有應(yīng)力集中，通過(guò)設(shè)置650 mm×390 mm 的下倒角，可將主拉應(yīng)力控制在4.4 MPa 左右，另外此位置加強(qiáng)了鋼筋配置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工檢驗(yàn)，此位置未出現(xiàn)裂縫，解決了簡(jiǎn)支箱梁施工容易出現(xiàn)的問(wèn)題。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與設(shè)計(jì)成果對(duì)比

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

2018年8 月起，在鹽通高鐵東臺(tái)制梁廠進(jìn)行簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)，共選取3 孔32 m 簡(jiǎn)支梁和1 孔24 m 簡(jiǎn)支梁，試驗(yàn)包括工藝試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)、長(zhǎng)期測(cè)試、運(yùn)營(yíng)性能測(cè)試等，試驗(yàn)項(xiàng)目包含簡(jiǎn)支梁建造、運(yùn)營(yíng)等全生命周期的各種工況［9］。

4.2 對(duì)比結(jié)果

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)ZK 荷載下簡(jiǎn)支梁撓挎比為1/5 612~1/6 322，比設(shè)計(jì)值1/4 405 大。由于現(xiàn)場(chǎng)混凝土彈模較大，現(xiàn)場(chǎng)裸梁自振頻率實(shí)測(cè)值為6.37~6.48 Hz，比設(shè)計(jì)值6.14 Hz 大。

（2）終張拉時(shí)，梁端下倒角實(shí)測(cè)應(yīng)力4.36~4.82 MPa，與三維實(shí)體分析設(shè)計(jì)值4.4 MPa 較接近，張拉過(guò)程中此位置未發(fā)現(xiàn)裂縫。

（3）現(xiàn)場(chǎng)終張拉預(yù)拱度為11.08~13.14 mm，與理論值12.98 mm比較接近。測(cè)量了終張拉90 d后梁體上拱，實(shí)測(cè)值為10 mm，比計(jì)算值11.72 mm小。

4.3 其他試驗(yàn)內(nèi)容及對(duì)比結(jié)果

鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁還完成了吊梁、運(yùn)梁、架梁、1.2倍荷載抗裂試驗(yàn)等，驗(yàn)證了鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁在各種工況下均滿足要求。

5 動(dòng)力性能仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

5.1 仿真結(jié)果

針對(duì)鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橋的實(shí)際情況，進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析［10］，可保證高速行車時(shí)簡(jiǎn)支梁橋的安全性和舒適性，簡(jiǎn)支梁動(dòng)力性能仿真結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 簡(jiǎn)支梁動(dòng)力性能仿真結(jié)果

在所有理論計(jì)算工況下，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)、車體豎向及橫向振動(dòng)加速度、列車行車安全性均滿足規(guī)范要求。CRH3 型動(dòng)車組、350 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組及CRH380A 型高鐵列車在速度等級(jí)所有計(jì)算工況（時(shí)速250~350 km）下，列車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上，在檢算速度等級(jí)所有計(jì)算工況（時(shí)速375~420 km）下，列車的乘坐舒適度均達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)以上，各項(xiàng)評(píng)價(jià)與目前高鐵標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁基本持平［11-13］。

5.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

在鹽通高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試中對(duì)簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行動(dòng)力性能測(cè)試，當(dāng)運(yùn)營(yíng)速度為250-350 km/h 時(shí)，鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橋所有橋梁和動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)性（舒適度）指標(biāo)評(píng)價(jià)為優(yōu)。當(dāng)達(dá)到1.1 倍運(yùn)營(yíng)速度385 km/h 時(shí)，鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁橋所有橋梁和動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)仍可滿足規(guī)范要求，動(dòng)車運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)性（舒適度）指標(biāo)評(píng)價(jià)也為優(yōu)。

6 結(jié)論

（1）鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁每孔梁質(zhì)量696 t，每孔梁比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)梁輕約100 t，具體工程用量對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 簡(jiǎn)支梁工程用量對(duì)比表

（2）經(jīng)工程經(jīng)濟(jì)專業(yè)測(cè)算，鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁每孔梁部造價(jià)比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)梁減少4.7萬(wàn)元。支座噸位由5 000 kN減小為4 500 kN，每孔梁4 個(gè)支座共可節(jié)省約1 萬(wàn)元，鹽通高鐵全線僅梁部節(jié)省工程造價(jià)2億余元。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)速350 km 的鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁在剛度、結(jié)構(gòu)受力、動(dòng)力性能等方面均滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求，在梁場(chǎng)開(kāi)展了簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)滿足要求。在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中開(kāi)展了動(dòng)力性能測(cè)試，證明了鹽通高鐵簡(jiǎn)支梁具有優(yōu)異的動(dòng)力性能。目前，鹽通高鐵已正式開(kāi)通，簡(jiǎn)支梁橋在運(yùn)營(yíng)中表現(xiàn)良好。