市域鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝簡支梁設(shè)計建造研究

欒紫明

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 引言

預(yù)制節(jié)段混凝土整體拼裝施工方法是將梁體沿縱橋向劃分為若干個節(jié)段，在工廠預(yù)制，再使用架橋機(jī)現(xiàn)場拼裝，通過施加預(yù)應(yīng)力成為整體橋梁，其優(yōu)點是節(jié)段重量輕，便于運(yùn)輸，同時還可降低對場地規(guī)模的要求，但施工工序復(fù)雜，施工工藝要求高，影響因素較多，質(zhì)量控制難度大，所以，要提高技術(shù)應(yīng)用水平，通過優(yōu)化設(shè)計、規(guī)范施工實現(xiàn)更好的建造效果。

2 工程簡介

本工程為市域（郊）鐵路，以服務(wù)長三角地區(qū)三地市間的通勤、商務(wù)等客流為主，兼顧各組團(tuán)內(nèi)部日常出行客流的市域（郊）鐵路。線路總體由南向北，正線數(shù)目為雙線，設(shè)計時速為160 km/h，線路全長90.34 km，其中，高架段64.64 km，橋梁占比71.6%。

3 市域鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝簡支梁設(shè)計建造研究

3.1 結(jié)構(gòu)形式

節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁是工業(yè)化建設(shè)常用的一種施工方法，梁段采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，施工質(zhì)量好，現(xiàn)場工作量小，預(yù)制節(jié)段的養(yǎng)護(hù)時間較長，成橋后梁體的徐變和預(yù)應(yīng)力損失較小。梁部的預(yù)制和下部結(jié)構(gòu)的施工可同時開展，節(jié)段的預(yù)制和安裝可以分開進(jìn)行，互不干擾，施工速度快，工期短。節(jié)段梁拼裝施工時，對橋下既有交通的影響小，工廠化預(yù)制和機(jī)械化施工提高了現(xiàn)代化橋梁的建設(shè)水平，有利于節(jié)能環(huán)保。

本項目節(jié)段拼裝箱梁采用單箱單室方案，3 種跨度節(jié)段對1-35 m、1-40 m 和1-45 m 拼裝簡支梁方案進(jìn)行設(shè)計比選。梁段劃分以盡量減少梁段種類為原則，每孔箱梁采用奇數(shù)段劃分，跨中不設(shè)接縫。節(jié)段長度主要取決于節(jié)段重量以及運(yùn)輸?shù)跹b尺寸限制要求，并且最大化地減少節(jié)段數(shù)量，以節(jié)約工期。針對不同跨度，分別考慮2.5 m、2.6 m、2.7 m 三種梁段長度方案[1]。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

市域鐵路節(jié)段拼裝梁設(shè)計計算基于TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》，抗裂安全系數(shù)Kf計算其公式為：

式中，σc為扣除預(yù)應(yīng)力損失后的混凝土預(yù)壓應(yīng)力；kct為混凝土抗拉強(qiáng)度修正系數(shù)；fct為混凝土抗拉極限強(qiáng)度；σ為計算荷載在截面受拉邊緣混凝土中產(chǎn)生的正應(yīng)力。根據(jù)規(guī)范要求，限值Kf≥1.2。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料結(jié)果，在自然環(huán)境條件下，C50 混凝土膠拼試件拉伸試驗結(jié)果為環(huán)氧樹脂膠與混凝土黏合部位軸向抗拉強(qiáng)度在3.2 MPa 以上，人工加速濕熱老化條件下，試件膠接縫抗拉強(qiáng)度約2.9 MPa，膠接縫具備一定的抗拉強(qiáng)度。若計算中不考慮膠的抗拉強(qiáng)度，即在接縫處kct=0，預(yù)應(yīng)力含量偏高，設(shè)計過于保守。在既有工程案例中，京唐鐵路潮白河特大橋節(jié)段拼裝梁設(shè)計計算中kct取0.3，部分公路軌道交通節(jié)段拼裝梁設(shè)計計算中，kct取0.7，甚至1.0 以上。針對市域鐵路節(jié)段預(yù)制膠拼簡支梁進(jìn)行設(shè)計計算及方案比選，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、考慮耐久性和施工中不確定性，并滿足抗裂安全系數(shù)Kf≥1.2，本線節(jié)段預(yù)制膠拼梁計算中kct=0.5，此時，主力+附加力作用下結(jié)構(gòu)下緣最小壓應(yīng)力均在3 MPa 及以上。對不同跨度節(jié)段拼裝簡支梁，對比計算不同梁高及截面尺寸，并對不同抗拉極限強(qiáng)度的鋼絞線進(jìn)行比選，即對比1×7-15.2-1860-GB/T 5224—2014 和1×7-15.2-2200-R-QCR/R 兩種類型鋼絞線，各方案計算結(jié)果見表1。

在考慮節(jié)段膠拼梁剛度0.9 折減系數(shù)情況下，梁體跨中靜活載撓跨比和最大梁端轉(zhuǎn)角見表2，可見梁體剛度均滿足規(guī)范要求。

表2 梁體其他參數(shù)計算結(jié)果表

由以上計算結(jié)果可見，1-35 m 節(jié)段拼裝簡支梁推薦采用梁高2.05 m，腹板厚36 cm，梁體混凝土方量244.4 m3，節(jié)段長度2.5 m，最大梁段質(zhì)量49.5 t。采用公稱抗拉強(qiáng)度fpk=2 200 MPa的鋼絞線，以及fpk=1 860 MPa 鋼絞線均可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，梁體結(jié)構(gòu)尺寸可保持不變，節(jié)約鋼絞線13%。1-40 m節(jié)段拼裝簡支梁，推薦采用梁高2.25 m，節(jié)段長2.5 m，最大梁段質(zhì)量51.1 t。采用公稱抗拉強(qiáng)度fpk=2 200 MPa 鋼絞線可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，腹板厚度36 cm，梁體混凝土方量272.2 m3。采用fpk=1 860 MPa 鋼絞線需要布置雙排腹板鋼束，腹板厚度40 cm，梁體混凝土方量279.8 m3。相比fpk=1 860 MPa 常規(guī)鋼絞線，采用fpk=2 200 MPa 高強(qiáng)鋼絞線可以節(jié)約鋼絞線22%、混凝土3%。1-45 m 節(jié)段拼裝簡支梁，對比分析了2.6 m 和2.8 m兩種梁高方案。梁高采用2.6 m 時，需要布置雙排腹板鋼束，腹板厚度48 cm，混凝土方量為331.4 m3，采用抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa 鋼絞線時，預(yù)應(yīng)力含量約51.8 kg/m3；梁高采用2.8 m，腹板厚度36 cm，可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，混凝土方量為317.6 m3，采用抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa 鋼絞線時，預(yù)應(yīng)力含量約48.6 kg/m3。推薦采用梁高2.8 m，混凝土方量317.6 m3，節(jié)段長2.5 m，最大梁段重量61.6 t；采用公稱抗拉強(qiáng)度fpk=2 200 MPa 高強(qiáng)鋼絞線和fpk=1 860 MPa 常規(guī)鋼絞線均可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，腹板厚度36 cm，采用fpk=2 200 MPa高強(qiáng)鋼絞線可以節(jié)約鋼絞線14%。

通過以上對比可知，雖然高強(qiáng)鋼束的單價稍高，但是高強(qiáng)鋼束用量比普通鋼束用量小，在鋼束總造價基本相當(dāng)?shù)那闆r下，高強(qiáng)鋼束還具有減小梁部腹板厚度、減少混凝土用量、減少預(yù)制節(jié)段分段數(shù)量、方便施工的優(yōu)點。因此，高強(qiáng)鋼束在節(jié)段預(yù)制拼裝梁中使用中可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)價值。

3.3 梁場預(yù)制

市域鐵路采用節(jié)段拼裝梁區(qū)間梁場規(guī)模，推薦采用短線法施工。以約5 km 橋為例，全部按35 m 簡支梁計，并考慮部分調(diào)孔，大約需要2 000 個梁段計，采用短線法施工，每天計劃生產(chǎn)14 個梁段，月生產(chǎn)能力約400 個梁段。梁場主要由制梁區(qū)、存梁區(qū)、公共占地區(qū)和混凝土拌和站等主要幾部分構(gòu)成，根據(jù)預(yù)制生產(chǎn)需求，合理設(shè)置各功能分區(qū)位置和規(guī)模，保證正常生產(chǎn)秩序[2]。

3.4 構(gòu)件運(yùn)輸

節(jié)段預(yù)制膠拼梁可采用平板車運(yùn)輸，市場中平板車運(yùn)輸常規(guī)載貨尺寸為長13 m×寬2.5 m×高2.4 m，根據(jù)客戶需求車型可加長至17.5 m×寬3.0 m×高4.5m（極限高度4.5 m）。一般平板車載重400 kN（40 t）以內(nèi)較為常見，部分情況下載重550 kN（55 t）以上貨物時，需要向交通部門報備。推薦采用節(jié)段長度2.5 m，以適應(yīng)常規(guī)化且經(jīng)濟(jì)性好的運(yùn)輸現(xiàn)狀。

3.5 現(xiàn)場架設(shè)

市域鐵路節(jié)段拼裝梁采用簡支體系，適宜的現(xiàn)場架設(shè)方案主要有架橋機(jī)逐孔架設(shè)、汽車吊和少支架組合架設(shè)、墩梁一體機(jī)架設(shè)等。其中，上行式架橋機(jī)逐孔架設(shè)是目前鐵路及軌道交通節(jié)段拼裝梁常用的施工方法，但其對小半徑曲線梁適應(yīng)性稍差。采用少支架+汽車吊組合架設(shè)方案，需要在橋位處設(shè)置少量鋼管立柱支架，梁段采用汽車吊吊裝就位，可以實現(xiàn)多點作業(yè)。一體化架橋機(jī)是集預(yù)制墩柱、節(jié)段梁實現(xiàn)一體化架設(shè)功能的架橋機(jī)，設(shè)備投資大，經(jīng)濟(jì)性略差。經(jīng)過綜合考慮，市域鐵路節(jié)段拼裝梁擬采用上行式架橋機(jī)架設(shè)[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行市域鐵路橋梁設(shè)計建造時，要經(jīng)過科學(xué)論證分析，通過多方案比選，采用合適的結(jié)構(gòu)體系和梁型，并結(jié)合工程實際確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸及施工方案，保證施工方案的科學(xué)性、合理性、可行性，為具體的施工活動提供指導(dǎo)，減少施工質(zhì)量隱患，提高鐵路交通通行效率。同時，在節(jié)段預(yù)制拼裝梁中使用高強(qiáng)鋼束可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)實用價值，具有減小梁部腹板厚度、降低混凝土用量、減少預(yù)制節(jié)段分段數(shù)量、方便施工的優(yōu)點。