西成客專 64 m雙線簡支箱梁設計

張祥君

1 工程概況

漢中漢江特大橋主要為跨越漢江而設,是西成客運專線的重點控制工程之一。該橋全長4 924.1m,其中主橋拱采用 12孔 64m雙線簡支箱梁。該箱梁預制架設施工是目前國內客專中最大跨度節段拼裝預應力混凝土雙線簡支箱梁,每孔 64 m箱梁重達2 600 t,創國內雙線客運專線簡支梁跨度最大、拼裝重量最重。本文主要介紹 64m箱梁的構造、設計過程及施工方法。

2 64 m簡支箱梁設計

2.1 主要技術標準

1 )速度目標值：250 km/h,基礎設施預留進一步發展條件。

2 )線路情況：位于R=8 000m曲線上,線間距5.0m。

3 )設計活載：ZK活載。

4 )地震烈度：本結構位于地震動峰值加速度 0.105g,相當于地震基本烈度 7度。

2.2 箱梁構造

64m雙線簡支箱梁全長66.3m,計算跨度64m,梁端設40 cm槽口,支點距梁端 75 cm。箱梁采用單箱、單室、直腹板、等高度預應力混凝土簡支箱梁,梁高 5.6 m,高跨比為 1/11.43。梁頂寬12.1m,梁頂按兩側排水方式設計,梁底寬 6.7m,頂板厚 40 cm,中心處厚48.4 cm;底板厚35 cm,腹板厚50 cm。在箱梁兩端支座處設置厚 1.5m橫隔板,橫隔板處均設置過人洞。梁上設置通風孔,以降低箱內外溫差。

2.3 箱梁節段劃分

本箱梁采用在預制場地分節段預制,在造橋機上整孔組拼施工。箱梁預制段長度根據梁段重量控制在 1 600 kN以內及減少梁段種類的原則,每跨箱梁采用奇數分塊,跨中不設濕接縫,對稱布置。本梁共分為 15個梁段,14個濕接縫,濕接縫寬 80 cm。

2.4 主要材料

64m簡支箱梁為預應力混凝土結構,箱梁采用 C50混凝土。普通鋼筋采用HPB235,HRB335級鋼筋。

64m箱梁采用縱向、橫向、豎向預應力體系。

縱向預應力：采用抗拉標準強度fpk=1 860MPa,Ep=195GPa的φj15.2mm鋼絞線。預制梁段采用直徑 88mm的橡膠抽拔棒成孔,濕接縫采用外徑 86 mm的雙波波紋管成孔。腹板共布置28束 15-φj15.2mm鋼束,底板共布置 7束 15-φj15.2 mm,8束12-φj15.2mm鋼束。所有縱向鋼束均采用 M 15或 M 12錨具錨固,兩端張拉。

橫向預應力：采用 4-7φ5鋼絞線,BM 15-4(P)錨具,內徑70mm×19mm扁形鍍鋅金屬波紋管成孔。箱梁沿縱向0.5m在頂板內布置一道橫向預應力筋,在箱梁兩側交替單端張拉。

豎向預應力：采用直徑25mm的PSB830預應力混凝土用螺紋鋼筋,JLM-25錨具錨固,內徑 35mm鐵皮管成孔。箱梁每道腹板布置 1根豎向預應力鋼筋,順橋向間距0.5m,梁頂張拉。

采用GTQZ-Ⅲ型球形鋼支座,各支點沿橫向布置2個支座,間距5.5m,支座噸位12 500 kN。

3 計算分析

3.1 梁部縱向計算

預應力混凝土結構計算按照全預應力理論進行設計,受拉區不允許出現拉應力和裂縫。根據擬定的施工方法和施工步驟按平面桿系結構進行整體計算分析。簡支梁采用移動支架施工,施工過程中不存在體系轉換。計算中考慮了恒載、列車活載、預加力以及混凝土收縮徐變對預應力損失的影響,縱向預應力鋼束根據彎矩包絡圖計算并設置。

3.1.1 計算參數及設計荷載

1 )混凝土：箱梁采用 C50混凝土,環境相對濕度 70%,混凝土平均加載齡期按 7 d計,終極齡期按 3 000 d計。混凝土容重采用26.0 kN/m3。

2 )預應力鋼筋：縱向預應力鋼束金屬波紋管道μ=0.23,K= 0.002 5,橡膠抽拔棒μ=0.55,K=0.001 5,計算時按長度取加權平均值。一端錨具回縮6mm,一個接縫壓縮值0.05mm,松弛損失 0.03σcon。錨圈口及喇叭管產生的應力損失由施工單位根據現場試驗確定。

3 )恒載：包括結構及附屬設備自重、預加力、混凝土收縮徐變影響力等。

4 )活載：采用ZK活載。

5 )其余荷載：按照 TB 10621-2009高速鐵路設計規范(試行)及TB 10002.1-2005鐵路橋涵設計基本規范計算。

3.1.2 主要計算結果

簡支箱梁在主力作用下,計算結果為：跨中截面上翼緣 σmax= 9.75MPa,跨中截面下翼緣σmin=2.46MPa,強度安全系數K= 2.14,抗裂安全系數Kf=1.27,靜活載豎向撓度δ=15mm,梁端豎向轉角 0.75‰。箱梁為全預應力構件,設計應力滿足規范要求,并留有一定的安全儲備。

3.2 梁部橫向分析

主梁橫向計算主要包括橫截面計算和支點處橫梁計算。

箱形主梁橫截面的橫向計算按支撐在腹板底板底的橫向框架進行內力分析和計算,取縱向長為 1m的箱梁為計算單元,采用平面程序進行內力計算。計算考慮主梁恒載、二期恒載、列車活載、箱內外溫差等荷載組合,考慮了恒載和活載偏心的影響。根據受力情況,頂板按預應力構件設計;底板及腹板均按鋼筋混凝土構件檢算,選擇最不利工況的內力分別配置普通鋼筋,檢算截面強度和裂縫。

支點處橫梁計算根據支座實際支承位置、承載力大小,按照簡支梁計算截面內力。計算結果顯示：橫梁按照鋼筋混凝土構件配置普通鋼筋,控制截面強度和裂縫。

3.3 車橋動力分析

針對漢中漢江特大橋12孔 64m簡支箱梁,采用空間有限元建立全橋動力分析模型,對橋梁的空間自振特性進行了計算;同時,對橋梁在CRH 2、德國ICE3、國產300 km/h動車組作用下的車橋空間耦合振動進行了分析,評價橋梁動力性能及列車運行安全性與舒適性。研究表明：

1 )漢江特大橋 64 m簡支梁梁部豎向和橫向基頻分別為2.408Hz,3.367Hz;考慮橋墩后,一階縱向、梁—墩體系一階橫彎和梁體一階豎彎自振頻率分別為0.913Hz,1.145 Hz和2.387 Hz;

2 )CRH 2動車組以速度160 km/h～250 km/h、德國ICE3和國產300 km/h動車組以速度200 km/h～420 km/h過橋時,各孔64m簡支梁的豎向和橫向振動位移、加速度以及墩頂橫向振動加速度均小于規范規定的限值,說明橋梁的振動性能良好;

3 )上述動車組過橋時,動車與拖車的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內,列車行車安全性得到保障;

4 )本橋 64m簡支箱梁具有良好的振動性能,能夠滿足國產CRH 2動車組以速度160 km/h～250 km/h、德國ICE3和國產300 km/h動車組以速度200 km/h～420 km/h運行時的安全性和良好舒適性要求。

4 施工方法簡介

箱梁采用造橋機施工,在墩臺頂拼裝移動式造橋機就位,然后通過龍門吊及運梁小車將預制梁段運至造橋機的尾部,由支架上的桁吊吊起放在支架腹內的移梁小車上,運到預定位置,待全部梁段就位后,在造橋機上整孔組拼,調整梁底高程,現澆梁段濕接縫,待達到 90%設計強度及彈性模量后,按張拉順序對第一批鋼束進行張拉,第一批鋼束全部張拉完畢壓漿后梁體即可承受施工荷載(運梁軌道線路重、拖拉移動支架荷載及運梁小車等),張拉完畢后梁體就位,脫離支架。將支架移到下一孔,重復梁段安裝工作。第二批鋼束張拉安排在第一批鋼束張拉后 15 d進行。

5 結語

通過對漢中漢江特大橋 64m雙線簡支箱梁的設計計算,主要有以下兩點體會：

1 )按規范,對于制造工藝不符合工廠制造條件的結構,其強度安全系數應增大10%,即K=2.2。在雙線箱梁設計計算中,其強度安全系數很難達到此限值,本橋箱梁強度安全系數按 2.1左右控制。

2 )雙線箱梁主拉應力控制設計,腹板厚度主要由主拉應力控制取值。由于采用造橋機施工,可以實現大跨度簡支箱梁在鐵路橋梁上的應用,與相同跨度的連續梁結構相比,設計簡單,施工簡便、快速,因而施工質量可以得到保證。64m雙線簡支箱梁在西成客運專線上的采用,使造橋機技術無論從跨度、起吊重量還是線路等級都有所突破,為今后的進一步發展起到推動作用。

[1] 鐵道部專業設計院.混凝土橋[M].北京：中國鐵道出版社, 2000.

[2] 王小民.鋼筋混凝土簡支 T梁橋空間建模及動力分析[J].山西建筑,2009,35(10)：343-344.