珠三角城際軌道交通簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

鄧運(yùn)清,陳海濤,薄 利,粟明豐,時(shí) 代

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055； 2.廣東珠三角城際軌道交通有限公司,廣州 510320)

1 概述

我國(guó)城際鐵路及高速鐵路建設(shè)中，多采用“以橋代路”策略，橋梁比例高、數(shù)量大，并以常用跨度標(biāo)準(zhǔn)梁橋?yàn)橹?，占橋梁總長(zhǎng)度的80%以上。我國(guó)高速鐵路常用跨度橋梁技術(shù)體系[1-2]以預(yù)制架設(shè)的24，32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋?yàn)橹?。采用整孔預(yù)制、整孔架設(shè)箱梁技術(shù)可以使梁部施工在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行，一方面有利于保證質(zhì)量，另一方面，在橋墩施工的同時(shí)可同時(shí)進(jìn)行梁部施工，有利于縮短施工周期。簡(jiǎn)支箱梁以其受力簡(jiǎn)單、明確、形式簡(jiǎn)潔、外形美觀、抗扭剛度大、施工速度快、基礎(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)、建成后的橋梁養(yǎng)護(hù)工作量小以及噪聲小等特點(diǎn)，在我國(guó)鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，并在保證城際鐵路及高速鐵路橋梁高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高速度建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[3-5]。

自2014年珠三角城際軌道交通簡(jiǎn)支箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖頒布以來(lái)，已經(jīng)成功應(yīng)用于廣清城際廣州北至清遠(yuǎn)段、新白廣城際、廣佛環(huán)佛山西至廣州南城際等工程建設(shè)項(xiàng)目中，并發(fā)揮了顯著作用。近年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也發(fā)生了較大變化，《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》歷經(jīng)修訂和完善[6-9]，在箱梁構(gòu)造要求等方面有新的規(guī)定，同時(shí)新材料、新工藝也為珠三角城際箱梁提供了優(yōu)化空間[10-11]。

2 橋面布置優(yōu)化研究

橋面布置作為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接影響橋梁梁部結(jié)構(gòu)、墩臺(tái)及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，與橋跨結(jié)構(gòu)的總體投資及后期使用的耐久性、養(yǎng)護(hù)維修工作有著密切關(guān)系。

箱梁橋面寬度及布置方式主要取決于建筑限界、線路線間距、電纜槽寬度、接觸網(wǎng)支柱位置、檢查養(yǎng)修方式等因素，有砟軌道還需滿足大機(jī)養(yǎng)護(hù)的要求。目前我國(guó)已建和在建高速鐵路常用跨度橋梁均采用整體橋面布置方式，接觸網(wǎng)立柱設(shè)置于橋面上；客貨共線鐵路、城際鐵路簡(jiǎn)支箱梁則有部分電力電纜設(shè)置于箱內(nèi)。

電力電纜設(shè)置在橋面和箱內(nèi)各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)在橋面便于電纜鋪設(shè)和檢查維修，但橋面寬度需要相應(yīng)增加400～600 mm，結(jié)構(gòu)工程量略有增加；而電力電纜設(shè)置于箱內(nèi)時(shí)，可有效減小橋面寬度，減少結(jié)構(gòu)混凝土用量，但在箱內(nèi)需專門(mén)設(shè)置電纜槽，并在制梁時(shí)預(yù)埋電纜支架安裝螺栓套筒，檢修需從橋下進(jìn)入箱內(nèi)，當(dāng)橋梁較為分散時(shí)則電纜需要反復(fù)上下，路徑較為繁瑣。既有珠三角城際簡(jiǎn)支箱梁通用圖的橋面布置見(jiàn)圖1，其電纜槽均布設(shè)于橋面之上，無(wú)砟軌道雙線梁橋面寬度采用11.6 m，雙線梁線間距僅適用于線間距4.4～4.6 m[12]，線間距適用范圍較小。

圖1 2014年版無(wú)砟軌道梁橋面布置(雙線)(單位：mm)

根據(jù)珠三角城際軌道交通建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，因地形限制及進(jìn)出站、站場(chǎng)設(shè)置的影響，其橋上線間距變化范圍較大，最大可達(dá)到5.0 m，因此，原通用圖橋面寬度及橋面布置不能滿足實(shí)際使用的要求，需對(duì)其線間距的適用范圍進(jìn)行擴(kuò)展。

在保證電纜槽構(gòu)造、接觸網(wǎng)支柱限界要求前提下，考慮線間距變化及四電設(shè)備使用、維護(hù)方便，確定橋面布置基本原則為通過(guò)調(diào)整橋面板翼緣寬度實(shí)現(xiàn)線間距不同時(shí)橋面寬度的變化，其橋面布置見(jiàn)圖2。其中無(wú)砟雙線梁橋面寬度調(diào)整為11.2～12.0 m，在滿足使用功能需要的同時(shí)，兼顧考慮線間距4.2～5.0 m變化需求，擴(kuò)大了珠三角城際鐵路簡(jiǎn)支箱梁的適用范圍，同時(shí)，后期的養(yǎng)護(hù)維修和管理等方面可保持與既有運(yùn)營(yíng)珠三角城際鐵路相統(tǒng)一。

對(duì)于個(gè)別選用小半徑曲線地段，可以結(jié)合線間距以及具體曲線半徑，通過(guò)計(jì)算確定選用合適的橋面寬度，對(duì)于曲線半徑外側(cè)梁縫過(guò)大的問(wèn)題，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)端板的構(gòu)造處理措施進(jìn)行處理。

圖2 優(yōu)化后無(wú)砟軌道梁橋面布置(雙線)(單位：mm)

3 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

3.1 梁高及支座布置

2014年版雙線無(wú)砟軌道箱梁截面尺寸見(jiàn)圖3。由于2014年版珠三角城際鐵路簡(jiǎn)支箱梁已在多條線路上廣泛應(yīng)用，動(dòng)力性能良好[13-14]，目前與箱梁相應(yīng)的配套模板已經(jīng)成型，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)充分考慮了最小限度影響既有模板，在確保結(jié)構(gòu)受力性能的前提下，對(duì)箱梁截面的主要構(gòu)造尺寸進(jìn)行優(yōu)化。梁高保持不變，支座布置方式保持一致，橫向中心距由4.2 m調(diào)整為4.0 m。

圖3 2014版雙線無(wú)砟箱梁截面尺寸(雙線、無(wú)砟軌道)(單位：mm)

3.2 頂板厚度

優(yōu)化設(shè)計(jì)雙線梁兼顧線間距4.2～5.0 m使用，橋面寬度分別為11 200/11 600/12 000 mm(無(wú)砟軌道)和11 900/12 300/12 700 mm(有砟軌道)，通過(guò)調(diào)整箱梁翼緣板寬度實(shí)現(xiàn)。

對(duì)比線間距變化時(shí)梁體鋼筋受力情況，見(jiàn)表1。采用4.9 m的箱寬可適應(yīng)線間距4.2～5.0 m范圍受力需要，采用同一箱寬優(yōu)化后雙線無(wú)砟軌道箱梁截面頂板厚度可采用280 mm，與2014版箱梁頂板厚度保持一致。

表1 不同線間距箱梁鋼筋應(yīng)力 MPa

3.3 底板厚度

考慮預(yù)應(yīng)力管道布置構(gòu)造需要，兼顧縱橫向鋼筋布置的空間影響，同時(shí)考慮單線荷載作用下底板受力需要，雙線梁底板厚度優(yōu)化至260 mm。

3.4 腹板斜率

珠三角城際簡(jiǎn)支箱梁考慮了景觀設(shè)計(jì)，采用的斜腹板方案外形美觀且脫模方便，2014版箱梁的腹板斜率為1∶3.5，為保持外模板不變及景觀效果，腹板斜率保持與2014版箱梁一致。

3.5 腹板厚度

箱梁腹板厚度不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，同時(shí)又要提供足夠的抗扭剛度；在受力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，又需保證預(yù)應(yīng)力管道的混凝土保護(hù)層厚度不小于1倍管道直徑，以避免管道的縱向裂縫，同時(shí)盡可能考慮方便施工。

根據(jù)近年來(lái)對(duì)高速鐵路、客貨共線鐵路及城際鐵路常用跨度簡(jiǎn)支箱梁的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究成果及前期腹板厚度優(yōu)化的工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)整鋼束布置、采用高強(qiáng)鋼絞線和大噸位錨具等方法，優(yōu)化了腹板厚度，減輕了結(jié)構(gòu)自重[15-20]。

2014版雙線簡(jiǎn)支箱梁的腹板厚度采用400 mm，優(yōu)化設(shè)計(jì)中按照360 mm和330 mm兩種腹板厚度進(jìn)行了計(jì)算比選，腹板尺寸調(diào)整見(jiàn)圖4。

采用平面桿系有限元法，建立模型進(jìn)行環(huán)框分析，對(duì)梁體的普通鋼筋進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 箱梁腹板厚度優(yōu)化比選(單位：mm)

表2 雙線無(wú)砟箱梁跨中截面鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度對(duì)比

從橫向計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出： ①兩種腹板厚度的橋面板鋼筋布置及受力狀態(tài)差別不大；② 腹板厚度由360 mm減小到330 mm時(shí)，腹板配筋由φ16 mm需加大至φ18 mm，一孔跨度32 m箱梁需增加普通鋼筋1.0 t，混凝土僅減少2.5 m3。

采用360 mm厚度的腹板更加便于鋼筋綁扎，利于梁體混凝土的灌筑及振搗，可減小施工難度、提高施工質(zhì)量，同時(shí)腹板厚度360 mm時(shí)箱梁的安全儲(chǔ)備、受力性能等均優(yōu)于腹板330 mm方案。因此，腹板厚度360 mm的方案更具優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化后的雙線箱梁跨中截面尺寸見(jiàn)圖5。優(yōu)化設(shè)計(jì)箱梁縱向計(jì)算主要指標(biāo)及與既有2014版箱梁主要計(jì)算指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的雙線箱梁跨中截面(無(wú)砟軌道)(單位：mm)

表3 珠三角城際軌道交通32 m簡(jiǎn)支箱梁主要計(jì)算指標(biāo)(無(wú)砟軌道、雙線)

4 施工階段控制工況分析

為了更準(zhǔn)確地了解梁優(yōu)化后端截面的受力特性，優(yōu)化梁端鋼筋配置，保證結(jié)構(gòu)的安全性，在對(duì)箱梁進(jìn)行平面桿系單元計(jì)算的同時(shí)，對(duì)頂梁、吊梁及架梁工況采用空間有限元進(jìn)行受力分析。吊梁工況應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6，吊梁工況最大豎向應(yīng)力為4.36 MPa，頂梁工況應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7，頂梁工況最大拉應(yīng)力為腹板外側(cè)，其值為1.68 MPa，底板上緣橫向拉應(yīng)力為1.44 MPa。

圖6 吊梁工況豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 頂梁工況橫向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

5 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于一孔無(wú)砟軌道32 m雙線預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁，在標(biāo)準(zhǔn)線間距4.2 m時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后梁體混凝土、普通鋼筋和鋼絞線數(shù)量的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 無(wú)砟軌道32 m雙線預(yù)制箱梁優(yōu)化前后材料數(shù)量對(duì)比

按照原材料價(jià)格計(jì)算，即混凝土850元/m3、普通鋼筋3 950元/t、預(yù)應(yīng)力筋4 710元/t，優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)線間距下，一孔雙線無(wú)砟32 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁可節(jié)省投資約3.9萬(wàn)元。

以100孔雙線32 m簡(jiǎn)支箱梁橋的橋墩、基礎(chǔ)、梁部工程為基礎(chǔ)，對(duì)優(yōu)化前后的簡(jiǎn)支箱梁橋進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，不同墩高和樁周極限摩阻力f情況下的造價(jià)見(jiàn)圖8，降造比例見(jiàn)圖9。

圖8 優(yōu)化前后雙線梁造價(jià)對(duì)比

圖9 優(yōu)化后100孔雙線梁橋造價(jià)優(yōu)化比例

6 結(jié)語(yǔ)

本課題結(jié)合珠三角城際鐵路特點(diǎn)，通過(guò)橋面布置的優(yōu)化，在滿足使用功能需要的同時(shí)，兼顧線間距4.2～5.0 m變化需求，采用通用模板減少施工設(shè)備投入，拓寬了珠三角城際鐵路簡(jiǎn)支箱梁的適用范圍，后期的養(yǎng)護(hù)維修和管理等方面可保持與目前運(yùn)營(yíng)的珠三角城際鐵路協(xié)調(diào)統(tǒng)一。通過(guò)優(yōu)化箱支梁的結(jié)構(gòu)尺寸、采用1 960 MPa級(jí)鋼絞線及大噸位錨具等措施，減少了材料用量和梁體質(zhì)量，降低了簡(jiǎn)支箱梁橋建設(shè)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。