客運專線簡支箱梁四支點平整度分析及施工控制

侯建軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

整孔箱梁具有受力簡單、明確，形式簡潔，外形美觀，抗扭剛度大，建成后的橋梁養護工作量小以及噪聲小等優點，在我國客運專線建設中大量采用。整孔箱梁與我國既有鐵路T梁相比，梁體橫向寬度大，支座設置需要四點支承。箱梁采用的四支點支承受力模式，理論上應處于同一平面的支承狀態，但實際工程中勢必出現四支點不處于同一平面的狀態，即箱梁的“三條腿”現象，簡支箱梁四支點平整度對結構受力的影響以及如何控制是箱梁設計和施工的關鍵。

1 箱梁四支點平整度對結構影響

1.1 箱梁橫向抗扭影響

箱梁橫截面抗扭計算是設計的一個重要環節，結構扭矩產生主要由自重和二期恒載偏載、單線活載和風荷載、列車離心力等橫向作用力引起，參照《公路橋涵設計規范》(JTG D60—2010)及英國鐵路設計規范(BS5400)中相關規定，進行橫截面抗扭箍筋及抗扭縱向鋼筋的配置。如果箱梁產生四支點不平整，也將引起箱梁截面附加扭矩產生，增大箱梁橫截面扭矩作用力及箱梁端部的橫向拉應力;但由于客運專線整孔箱梁具有較大抗扭剛度，箱梁支點不平整對箱梁跨中截面橫向抗扭影響較小，對跨中縱、橫向應力影響不大，不作為本文分析重點。

1.2 梁端局部應力影響

箱梁“三條腿”現象將會引起箱梁梁端截面局部應力，由于支座沉降，梁端截面箱梁內側四個角點應力將發生變化，支座下沉端底腹板倒角和其斜對角頂腹板倒角處受壓狀態，非下沉端支座底腹板倒角和其斜對角頂腹板倒角處于受拉狀態，見圖1。梁端應力隨著支座不平整度增加而增大，當倒角范圍處引以的拉應力超過混凝土極限抗拉強度時，將會產生沿梁端45°方向的斜向裂縫，并沿倒角向梁內延伸，所以應嚴格控制簡支箱梁四支點平整度。

圖1 支座不平整狀態下梁端截面應力

1.3 支座承載能力影響

簡支箱梁四支點不處于同一平面狀態時，箱梁4個支點反力大小將發生變化，脫空支點及其對角線支點支座反力減小，對應其他兩支座反力增加，最大與最小兩者支座反力差將隨著支座不平整度和箱梁負載變化而不同。支座不平整度越大，其支反力差值越大，在支座完全脫空狀態，箱梁荷載僅為兩支座承擔，其支座承載增加1倍;當支座平整度控制在固定范圍，其兩者支座差值也在不同荷載階段發生變化。以客運專線32 m跨度箱梁為例，在四支點不平整度為2 mm狀態下，引起最大支反力變化幅值見表1。

表1 客運專線32 m跨度雙線整孔箱梁支點平整度2 mm時支反力變化

2 客運專線整孔箱梁四支點平整度空間分析

在箱梁制造、存放、運輸和架設階段，支點平整度對箱梁梁端應力的影響較大，通過研究支點在不同平整度狀態下梁端應力狀況，確定合理的支點不平整度限值，可以更好地進行箱梁各階段控制，保證結構安全性和耐久性。

對我國客運專線鐵路常用的3個系列32 m跨度整孔雙線箱梁，采用MADISFEA進行空間模擬分析計算，分析其不同支座平整度情況下梁端受力狀態。

2.1 時速350 km客運專線無砟軌道整孔雙線箱梁

時速350 km客運專線無砟軌道整孔雙線箱梁是我國客運專線用量最大的系列梁型，已在京津、鄭西、武廣、石武、京石、滬杭、寧杭、杭甬、合蚌等客運專線上使用，其梁端截面形式見圖2，箱梁在不同支點平整度狀態下梁端應力見表2。時速350 km客運專線無砟軌道雙線整孔箱梁支點不平整分析見圖3～圖6。

圖2 時速350 km客運專線無砟軌道整孔雙線箱梁梁端截面[1］(單位:mm)

圖3 支座沉降2 mm模型

圖4 支座沉降2 mm主拉應力云圖(單位:MPa)

圖5 支座脫空(6.6 mm)模型

圖6 支座脫空(6.6 mm)主拉應力云圖(單位:MPa)

表2 時速350 km客運專線無砟軌道雙線整孔箱梁不同支點平整度梁端應力

2.2 時速250 km客貨共線有砟軌道整孔雙線箱梁

時速250 km客貨共線有砟軌道箱梁已經成功用于我國多條客運專線建設中，如合寧、合武、甬臺溫、石太、福廈、廈深、南廣等客運專線，其梁端截面形式見圖7，箱梁在不同支點平整度狀態下梁端應力見表3。

圖7 時速250 km客貨共線有砟軌道整孔雙線箱梁梁端截面[2］(單位:mm)

時速250 km客貨共線有砟軌道雙線整孔箱梁支點不平整分析見圖8～圖11。

圖8 支座沉降2 mm模型

圖9 支座沉降2 mm主拉應力云圖(單位:MPa)

圖10 支座脫空(7.34 mm)模型

圖11 支座脫空(7.3 mm)主拉應力云圖(單位:MPa)

表3 時速250 km客貨共線有砟軌道雙線整孔箱梁不同支點平整度梁端應力

2.3 時速250 km客運專線有(無)砟軌道整孔雙線箱梁(單箱單室)

時速250 km客運專線有(無)砟軌道整孔單箱單室雙線箱梁受力簡單、明確，其斜腹板、大圓弧的流線形外形更加融合了城際鐵路對景觀設計的需求，已經在柳南、云桂、鄭焦、青容、哈齊等多條城際鐵路中投入使用，其梁端截面形式見圖12，箱梁在不同支點平整度狀態下梁端應力見表4。

圖12 250 km客運專線有(無)砟軌道整孔單箱單室雙線箱梁梁端截面[3］(單位:mm)

250 km客運專線有(無)砟軌道雙線整孔箱梁支點不平整分析見圖13～圖16。

圖13 支座沉降2 mm模型

圖14 支座沉降2 mm主拉應力云圖(單位:MPa)

圖15 支座脫空(8.08 mm)模型

圖16 支座脫空(8.1 mm)主拉應力云圖(單位:MPa)

綜合表2～表4分析可知，我國客運專線常用的3種系列整孔箱梁由于其橫向抗扭剛度有差別，箱梁支點完全脫空量有所不同，箱梁抗扭剛度越大，其支座脫空量將越小。為保證各箱梁在制造、存放、運輸、架設及運營維護階段梁端角點主拉應力不超過混凝土極限抗拉強度，避免出現斜向裂縫，應盡可能控制其梁體四支點位于同一平面，各種荷載狀態下箱梁四支點不平整誤差不應大于2 mm。

表4 250 km客運專線有(無)砟軌道雙線整孔箱梁不同支點平整度梁端應力

3 客運專線整孔箱梁支座施工控制

為保證箱梁在制造、存放、運輸、架設及運營維護階段四支點不平整度不超出容許范圍，以保證箱梁結構安全性和耐久性，施工過程中應從多個方面嚴格控制。

3.1 底模設置

箱梁底模設置在保證箱梁成橋線形的同時，對于梁端部底模支撐及其基礎應充分考慮沉降的影響，當箱梁在初張拉完畢后，箱梁重量全部由梁端部位承受，為保證箱梁在制梁臺位上不發生四支點不均勻沉降，梁端底模基礎除滿足承載力要求外，還應進行基礎沉降檢算。

3.2 鋼筋設置

當箱梁四支點不處在同一平面時，箱梁梁端倒角將有拉應力產生，為避免斜裂縫出現，箱梁設計時在梁端倒角布置有與可能出現裂縫相垂直的斜向鋼筋，施工過程中應嚴格控制其位置準確，避免出現混凝土保護層厚度過大情況。

3.3 箱梁吊裝

箱梁吊裝采用橋面預留的8個吊孔起吊，吊裝過程中，箱梁吊點作為整孔箱梁的支撐，為避免出現箱梁“三條腿”現象，吊裝設備應具備“三點吊梁”功能，即一側2個吊點串聯工作，并且起吊過程應緩慢、間段進行，保證串聯輪組能夠充分平衡調整。

3.4 存梁臺位設置

存梁臺座是箱梁長期存放的場地，除承載力應滿足要求外，4個支墩的平整度及其負載狀態下的不均勻沉降控制至關重要，箱梁存放前應對支墩進行操平處理，并在支墩頂設置厚度不小于50 mm的橡膠墊板，箱梁存放過程中應對存梁臺位進行定期測量，加強沉降監控。

3.5 橋梁架設

箱梁在架設過程中，采用了千斤頂落梁和重力灌漿的工藝，落梁過程中在保證梁面高程滿足設計要求的基礎上，保證箱梁四支點平整度度至關重要，因為此時產生四支點不平整后期將不可再調整，所以應盡可能減少四支點不平整量，應從嚴控制，設計要求落梁時反力間誤差范圍應小于5%。

3.6 墩臺設計

客運專線橋墩多采用圓端或矩形橋墩，箱梁支撐墊石高程容易控制。但對于整孔箱梁與框架橋墩配合使用的情況，由于框架墩橫梁不同負載作用下變形的影響，將導致箱梁四支點沉降不一致，引起箱梁“三條腿”現象，所以框架墩設計時應充分考慮箱梁四支點平整度影響，必要時需要采用調高支座以滿足四支點平整度的要求。

3.7 支座更換工況，頂梁控制

箱梁支座更換是客運專線后期養護維修的需要，頂梁過程中，由于橋面二期恒載的存在，同等支點不平整度情況下，梁端應力較施工架設過程要增大，所以頂梁過程應更加嚴格控制各支反力間誤差。

4 結束語

客運專線整孔箱梁“三條腿”現象施工中較容易出現，箱梁設計過程中通過分析計算，充分考慮其對結構的影響，確定支點不平整容許限值，在箱梁制造、吊裝、存放、架設、運營等階段多方面加強支點不平整度測量和監控，將支點不平整控制在容許范圍內，可以有效地保證箱梁受力及耐久性要求。

[1]鐵道部經濟規劃研究院.時速350公里客運專線鐵路無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁通用參考圖[Z］－北京:鐵道部經濟規劃研究院，2008

[2]鐵道部經濟規劃研究院.時速250公里客運專線鐵路有砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁通用參考圖[Z］－北京:鐵道部經濟規劃研究院，2008

[3]鐵道部經濟規劃研究院.時速250公里客運專線(城際鐵路)有/無砟軌道后張法預應力混凝土簡支整孔箱梁通用參考圖[Z］－北京:鐵道部經濟規劃研究院，2009

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10002.1～TB10002.5—2005 鐵路橋涵設計規范[S］.北京:中國鐵道出版社，2005

[5]中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S］.北京:中國鐵道出版社，2009

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S］.北京:中國鐵道出版社，2010

[7]中華人民共和國建設部.GB 50010－2002 混凝土結構設計規范[S］.北京:中國建筑工業出版社，2002

[8]鄧運清，盛黎明.秦沈客運專線后張法預應力混凝土簡支箱梁設計[J］.鐵道標準設計，2000(1):3-6

[9]鄧運清.秦沈客運專線整孔箱梁的質量控制因素[J］.鐵道標準設計，2001(9):23-25

[10］鄧運清.客運專線簡支箱梁綜述[J］.鐵道工程學報，2005(1):65-71