客運專線56 m預應力混凝土雙線簡支箱梁設計

張金芝

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

哈大客運專線普蘭店跨海特大橋為跨越普蘭店海灣而設，位于客運專線正線，雙線，速度目標值350 km/h、鋪設無砟軌道地段。橋位處于既有沈大高速公路跨海灣大橋外海側，與高速公路橋位平行。考慮該橋跨越深水主海溝及與既有沈大高速公路跨海灣橋盡量對孔，同時結合該橋處于高地震烈度、無砟軌道橋面、避免設置鋼軌伸縮溫度調節器等因素，主孔設計采用56 m預應力混凝土簡支箱梁;考慮周邊施工場地條件、建設工期、易于保證施工質量等因素，主孔56 m預應力混凝土簡支箱梁設計采用預制節段法施工。

2 結構設計

2.1 箱梁構造

56 m簡支箱梁為單箱單室截面，總長度57.1 m，梁高采用5.3 m，箱梁在梁端支點處設置2.0 m厚的端隔板。箱梁截面詳見圖1。

圖1 箱梁截面(單位:mm)

箱梁分為11個預制梁段，兩端梁段長2.6 m，中間梁段長5.1 m，濕接縫10道、縫寬0.6 m。中間標準梁段重1 631 kN，標準濕接縫重 192 kN，箱梁總重21 901 kN。

2.2 預應力鋼束的布置

為滿足造橋機連續施工的施工工藝特點，縱向預應力鋼束布置采用在梁端開槽兩端對稱張拉腹板及底板鋼束，待相鄰孔梁施工完畢，澆筑封錨混凝土。采用對稱布置縱向預應力鋼束、梁端對稱張拉的布束形式，可以大幅度地簡化梁體的結構形式，避免在箱內設齒塊，簡化了施工工藝，便于保證梁體施工質量。預應力鋼束布置詳見圖2。

圖2 鋼束布置(單位:mm)

根據施工工藝特點，預應力鋼束采用分批張拉，以便合理選擇造橋機移除時機，加快施工進度。

鋼絞線采用7φ5 mm高強度、低松弛預應力鋼絞線，標準強度為fpk=1 860 MPa。

3 施工過程結構分析計算

由于56 m主梁采用移動支架造橋機拼裝施工，梁部預制節段的安裝及線形控制是工程實施的關鍵工序，需要結合拼架設備的剛度、梁段尺寸、現澆濕接頭施工工藝加強控制，來保證梁部的整體線形。同時梁部的線形控制對梁體的縱向預應力鋼束的孔道線形、孔道的摩阻也有較大的影響，需要通過施工監測、監控動態調整設計，優化結構的線形控制及預應力鋼束的張拉控制參數。

3.1 有限元模型的建立

采用有限元程序Midas/civil對56 m箱梁預制節段法施工全過程進行結構建模計算分析，將其簡化為空間有限元模型，移動模架造橋機采用梁單元及桁架單元，箱梁各節段均采用梁單元。造橋機的導梁與主桁采用剛性連接，橫聯端部與主桁為鉸接。1號梁塊由于直接放置在墩頂，由節點一般支撐來模擬，其余各節段箱梁由提梁吊機安放在造橋機下托梁上后，各梁塊由下托梁上的千斤頂支撐。由于千斤頂主要受壓，當張拉預應力鋼束達到一定束數時，梁體上撓，千斤頂脫離，故千斤頂模擬為只受壓單元。

圖3 空間計算整體模型示意

全部模型共有1 001個節點，2 038個單元。具體模型見圖3、圖4。通過有限元模型可以很好地模擬預制拼裝施工的全過程，在充分考慮混凝土收縮徐變等因素的作用下，能夠比較精確地計算箱梁線形及各控制截面應力的發展情況。

圖4 箱梁模型示意

3.2 施工階段劃分

針對節段拼架箱梁實際施工過程，以及預應力束的張拉順序(先自下向上張拉腹板束，最后張拉底板束)，進行施工計算仿真分析時總共劃分了26個施工階段，如表1所示。

表1 施工階段劃分

3.3 造橋機卸千斤頂時機的選擇

如前所述，除1號塊以外的其他各節段梁塊由千斤頂支撐在造橋機的下托梁上。在張拉鋼束之前，造橋機主桁及下托梁由于彈性變形均會產生一定的下撓。開始張拉后，由于預應力的作用，箱梁開始上拱，這時造橋機由于開始卸載也會向上回彈。如果造橋機移除過晚，預應力增大到一定程度而箱梁與造橋機又沒有完全分離，在預應力和造橋機卸載產生的回復力的共同作用下，可能會導致箱梁頂板出現拉應力甚至開裂，從而影響整個梁體的安全。但如果造橋機卸除過早，即預應力束張拉過少就移除造橋機，會導致箱梁底板沒有足夠的壓應力儲備，從而在造橋機移除的一瞬間，箱梁會產生過大的下撓，也會影響梁體的安全。所以完全有必要對箱梁分批張拉過程中造橋機卸除的時機加以確定。

現將張拉12束與16束時箱梁撓度及控制截面的應力情況對比如下。

箱梁張拉N5，N11(12束)后變形(圖5)及應力情況:通過計算，在預應力鋼束張拉12束后，箱梁跨中撓度為-5.7 mm。跨中截面頂板應力為-3.74 MPa(壓應力)，底板應力為-0.13 MPa(壓應力)。

張拉完N6，N12(16束)后變形(圖6)及應力情況:通過計算，在預應力鋼束張拉16束后，箱梁跨中處撓度為0.08 mm，1/4截面處撓度最大為1.31 mm。跨中截面頂板應力為-3.45 MPa(壓應力)，底板應力為-2.48 MPa(壓應力)。

由以上對比可以看出，箱梁張拉12束后，箱梁跨中還處于下撓階段，跨中截面底板的壓應力非常小;張拉16束后，箱梁已經開始上撓，且跨中截面上下緣的壓應力也比較大，預應力荷載已經足夠支撐箱梁的自重，所以實際施工時選擇在張拉16束鋼束后移除造橋機。

圖5 張拉12束后箱梁變形值

圖6 張拉16束后箱梁變形值

3.4 施工階段撓度計算

根據模型計算結果，得出張拉16束鋼束、造橋機主桁卸千斤頂、全部鋼束張拉完、3年收縮徐變等4個主要施工階段的撓度值，各張拉階段梁體變形對照情況如圖7所示。3.5 施工階段應力計算

圖7 箱梁各主要施工階段變形值

各主要施工階段箱梁跨中截面的應力對照如圖8所示。

圖8 箱梁跨中截面各施工階段應力對照

施工過程中箱梁承受壓應力，箱梁頂板最大壓應力為3.51 MPa，箱梁底板最大壓應力為17.75 MPa，符合混凝土的抗壓強度要求。

4 運營階段結構分析計算

4.1 有限元模型的建立

建立平面桿系有限元模型，模擬運營階段工況，計算各截面的內力、應力和變位。梁部沿縱向劃分為32個單元，設計中考慮了溫度荷載的影響，按照整體升溫20℃，整體溫降30℃，橋面板的溫度變化采用5℃進行分析。二期恒載采用143 kN/m。

4.2 主要計算結果

4.2.1 強度計算結果(表3)

表3 強度計算結果

4.2.2 剛度計算結果(表4)

表4 剛度計算結果

5 結語

雙線無砟軌道56 m大跨度預應力混凝土簡支箱梁為國內、外鐵路客運專線橋梁建設中首次采用。其整孔梁重在20 000 kN以上，結合橋位具體情況及建設工期，為保證施工質量，采用梁體分節段集中預制、利用移動拼架原位拼裝澆筑濕接縫的施工工藝，較好地解決了超大質量的客運專線大跨度無砟軌道雙線簡支箱梁的施工難題。

預應力混凝土簡支箱梁具有很好的整體豎向、橫向及扭轉剛度，能夠很好地適應客運專線高速行車的舒適性、安全性要求以及鋪設無砟軌道的技術條件要求;通過對箱梁變形和控制截面應力的理論計算以及現場施工監控、檢測分析，驗證了結構分析理論、邊界條件的設置及設計參數取值的正確性，為確保橋梁施工過程和成橋結構安全提供了可靠的技術保證，同時也為同類橋梁的設計和施工提供了成功的經驗。

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