高速鐵路預制后張法預應力混凝土大跨度簡支梁技術研究

牛斌

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路預制后張法預應力混凝土大跨度簡支梁技術研究

牛斌

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國高速鐵路運營里程已經占全球1/2以上，預制架設的簡支梁橋占我國高速鐵路橋的絕大部分，研究預制架設大跨度簡支梁對推動我國高速鐵路橋梁技術進步十分必要。本文的研究及設計統(tǒng)計結果表明，對于高速鐵路簡支梁設計，跨度≤32 m由基頻限值控制，隨著跨度增大，梁端轉角限值的影響越來越大。分析不同基頻的簡支梁在運營列車作用下的動力系數(shù)發(fā)現(xiàn)，大跨簡支梁車橋動力效應不明顯。40 m簡支梁試設計證明梁體質量可以控制在1 000 t以內，因此目前的運架設備通過改造可以滿足其運輸架設要求。此外，在一定條件下使用40 m簡支梁將帶來巨大的經濟效益。

高速鐵路 大跨度簡支梁 容許動力系數(shù)

國內外高速鐵路橋梁主要采用簡支梁結構，其中預應力混凝土簡支梁具有受力明確、構造簡單、耐久性好、施工便捷等優(yōu)點，是高速鐵路橋梁的主要結構形式。

1 國內外高速鐵路橋梁概況

1.1 國外高速鐵路簡支梁

日本、德國、法國等高速鐵路發(fā)達國家的簡支梁橋應用情況如下述。

1)日本:早期修建的東海道新干線近50% 的橋梁為鋼橋和結合梁橋，后期修建的幾條新干線上鋼橋應用越來越少，其中東北新干線混凝土橋已占70% 。日本新干線預應力混凝土簡支箱梁最大跨度為67 m，預應力混凝土槽形梁最大跨度為61.4 m，簡支T形梁最大跨度為49 m。

2)德國:高速鐵路橋梁的標準跨度是25 m，44 m 和58 m。25 m跨度主要用于高架橋，44 m和58 m跨度主要用于山谷橋。近期修建橋梁主要采用預應力混凝土簡支箱梁，跨度以44 m為主，一般采用支架法、移動模架法、頂推法施工。

3)法國:高速鐵路混凝土橋多采用預應力混凝土連續(xù)梁，截面形式主要為雙線等高箱梁，頂推法施工，跨度40～80 m，梁高3.5～5.0 m。鋼—混凝土結合梁在法國高鐵應用普遍，約占橋梁總數(shù)的70% 。

4)西班牙:高速鐵路橋梁主要為多片式預應力混凝土T梁和箱梁橋，其中跨度26.6 m的T梁橫向為5片并置，梁高為2.05 m;跨度38 m的T梁橫向為9片并置，梁高2.10 m。

5)意大利:第一期高速鐵路預應力混凝土箱梁跨度為20～25 m，質量550 t，工廠集中預制，架橋機架設;第二期高速鐵路的橋梁為跨度33.6 m單箱雙室簡支梁，整孔預制，先張法預施應力。

6)韓國:京釜高速鐵路90% 以上橋梁采用預應力混凝土雙線連續(xù)箱梁，標準跨度為25 m和40 m兩種。

1.2 我國高速鐵路簡支梁

截止2014年底，我國高速鐵路運營里程超過16 000 km，“四縱”干線基本成型，約占世界高速鐵路運營里程的50% ，已擁有全世界規(guī)模最大、運營速度最高的高速鐵路網。

我國高速鐵路多采取“以橋代路”策略，各條高速鐵路橋梁所占比例均較高，其中以跨度32 m預應力混凝土簡支箱梁橋為主，部分采用跨度24 m簡支箱梁，少量采用跨度40，44，56 m簡支箱梁。跨度32 m及以下箱梁主要采用沿線設制梁場集中預制、架橋機架設的方法施工，跨度32 m以上簡支箱梁主要采用現(xiàn)場澆筑或節(jié)段拼裝的方法施工。

我國高速鐵路橋梁里程占線路里程的比例最高達82% ，其中常用跨度混凝土簡支箱梁橋占橋梁總里程的比例基本在80% 以上，最高達96% 。我國典型線路高速鐵路簡支梁統(tǒng)計情況見表1。

表1 我國典型線路高速鐵路簡支梁情況統(tǒng)計

1.3 發(fā)展預制大跨度簡支梁的意義

橋梁技術的發(fā)展和進步成為我國高速鐵路建設工程中的重大技術突破，并形成了我國自有的技術標準體系。隨著高速鐵路建設的發(fā)展，橋梁設計理論和建設技術也在逐步完善和發(fā)展，其中基于預制架設施工模式的大跨度預應力混凝土簡支箱梁就是其中重要發(fā)展方向之一。

我國高速鐵路建設規(guī)模大，橋梁數(shù)量多，設計、施工技術成熟，并依托聯(lián)調聯(lián)試工作積累了豐富的試驗數(shù)據(jù)，對于高速鐵路橋梁的建設和發(fā)展也積累了充足的技術儲備。根據(jù)近年來高速鐵路常用跨度預應力混凝土簡支梁的設計和試驗研究成果，我們對簡支梁的設計理論有了更為深刻的認識，為高速鐵路(時速250 km及以上)大跨度預應力混凝土簡支梁的進一步發(fā)展打下了基礎。

高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎橋梁，下部結構造價在橋梁建設費用中的比重較大，大量使用跨度32 m簡支梁時經濟性較差;跨度＞32 m時若只能采用原位澆筑的簡支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構橋，經濟性也較差，且質量不易控制。發(fā)展跨度40 m及以上預應力混凝土簡支梁，并采用集中預制、運梁車移運、架橋機架設的施工模式，將顯著提高橋梁的經濟性。我國高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上、采用預制架設施工模式的預應力混凝土簡支梁技術，不但能夠提高簡支梁橋的跨越能力，還能夠擴大簡支梁橋的適用范圍，并具有一定的技術、經濟優(yōu)勢。

2 既有高速鐵路簡支梁設計與使用情況

2.1 設計參數(shù)及控制指標

對于我國高速鐵路用量最大的跨度32 m預應力混凝土簡支箱梁，高速鐵路運營活載靜態(tài)效應(動車組)約為設計活載靜效應的35% ～40% ，橋梁結構設計控制指標已由強度變?yōu)閯偠取蛄航Y構的變形和變位限值主要是為保證橋上軌道結構受力安全性和穩(wěn)定性，同時滿足列車高速運行條件下行車安全及乘車舒適的要求。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，高速鐵路橋梁剛度設計參數(shù)應滿足如下要求。

1)豎向撓度

梁部結構在ZK豎向靜活載作用下，梁體的豎向撓度不應大于表2所示限值。

表2 梁體豎向撓度限值

2)梁端轉角

對于采用無砟軌道的橋梁，由于梁端豎向轉角使得梁縫兩側的鋼軌支點分別產生鋼軌的上拔和下壓現(xiàn)象。當上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時將導致鋼軌與下墊板脫開，當墊板所受下壓力過大時可能導致墊板產生破壞。對于采用有砟軌道的橋梁，還要保證橋梁接縫部位有砟道床的穩(wěn)定性。梁端轉角規(guī)定見表3。

表3 ZK豎向靜活載作用下梁端豎向轉角限值

3)豎向自振頻率限值

研究表明梁體固有頻率過低將導致高速列車通過時產生較大振動或共振，頻率過高時橋上軌道不平順引起的車輛動力響應明顯增加，因此對簡支梁豎向自振頻率提出限值。對于運行車長24～26 m的動車組、L≤32 m混凝土及預應力混凝土雙線簡支箱梁，給出了不需要進行車橋耦合動力響應分析的自振頻率限值。同時，研究發(fā)現(xiàn)對于跨度40 m及以上的簡支梁，由于長列荷載的影響，動力荷載產生的突變效應減弱。

高速鐵路橋梁設計的控制性參數(shù)與橋梁跨度有關。研究發(fā)現(xiàn)，選取跨度20，24，32及40 m的簡支箱梁，每種跨度的簡支梁分別選取21種不同尺寸的截面，二期恒載統(tǒng)一按180 kN/m來計算梁體豎向基頻，以此研究分析不同剛度設計參數(shù)間的關系。跨度32，40 m簡支梁梁端轉角與跨撓比(雙線靜活載)、梁體豎向基頻之間的關系分別見圖1和圖2。從圖中擬合函數(shù)及相關系數(shù)可以看出，不同剛度限值間呈冪函數(shù)對應關系。

圖1 跨度32 m簡支箱梁剛度限值關系對比

根據(jù)不同剛度限值對應函數(shù)關系，梁端轉角和基頻滿足要求前提下其它剛度參數(shù)情況見表4和表5。表中32 m及以下跨度簡支梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中不需要動力檢算的下限值，40 m箱梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中公式計算的下限值，梁端懸出長度按預制架設模式統(tǒng)一取0.55 m，梁端轉角限值取1.5×10－3rad。

表4 梁端轉角滿足限值情況下簡支箱梁撓跨比及自振頻率

表5 基頻滿足要求的情況下簡支箱梁撓跨比及梁端轉角

綜上分析可以看出:①梁體豎向剛度滿足梁端轉角限值或滿足基頻限值的情況下，撓跨比遠小于規(guī)范規(guī)定的1/1 600，撓跨比不控制梁體設計;②跨度32 m及以下的預制簡支梁，基頻為梁體設計控制指標;③跨度40 m預制簡支梁，基頻和梁端轉角的對應關系接近，梁體設計控制指標在基頻和梁端轉角方面差別較小，可實現(xiàn)箱梁經濟性設計。

2.2 實梁設計狀況

以我國高速鐵路跨度32，40 m預應力混凝土簡支箱梁為代表，分析了既有簡支梁的設計情況。

2.2.1 跨度32 m簡支箱梁

為研究試驗因素交互作用對羊肚菌SDF提取效果的影響，可以通過響應面分析實現(xiàn)。通過Design-Expert 8.0.6軟件分析，所得的響應面圖見圖5～圖10。

我國高速鐵路跨度32 m預應力混凝土簡支箱梁(通用參考圖)設計參數(shù)統(tǒng)計情況見表6。高速鐵路有砟、無砟橋面雙線箱梁二期恒載設計值分別為206.5 ～211.0 kN/m和120.0～180.0 kN/m，受二期恒載影響(不同無砟軌道類型、直曲線及有無聲屏障等)，同一圖號的無砟簡支箱梁基頻和殘余徐變拱度略有差異。

對于設計時速350 km高速鐵路32 m無砟軌道預應力混凝土雙線簡支箱梁，預制梁的梁端轉角、基頻的設計參數(shù)與規(guī)范參數(shù)比值分別為53% ，101% ～108% ，現(xiàn)澆梁相應的兩者比值分別為70% 和106% ～114% 。

2.2.2 跨度40 m簡支箱梁

時速350 km高速鐵路無砟軌道后張法預應力混凝土雙線簡支箱梁(圖號:叁橋通［2008］2326－Ⅳ)，計算跨度為39.1 m，施工方法為原位現(xiàn)澆，截面中心梁高為3.75 m，橋面寬度為12.0 m，質量1 130 t，主要設計參數(shù)見表7。

表6 高速鐵路跨度32 m預制箱梁設計參數(shù)統(tǒng)計

表7 跨度40 m簡支梁設計情況

對于設計時速350 km高速鐵路跨度40 m無砟軌道預應力混凝土雙線簡支箱梁，梁端轉角、基頻的設計參數(shù)與規(guī)范限值的比值分別為62% 和139% 。

2.2.3 對比分析

1)高速鐵路各種箱梁的撓跨比設計值遠小于規(guī)范規(guī)定的限值。

2)跨度32 m箱梁的豎向基頻設計值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值，梁端轉角富余度較高，基頻限值控制箱梁的設計。

2.3 實梁測試結果

根據(jù)高速鐵路橋梁聯(lián)調聯(lián)試的測試結果，跨度40 m簡支梁實測結果見表8。

表8 高速鐵路跨度40 m箱梁測試結果統(tǒng)計

將高速鐵路常用跨度簡支梁設計情況和實測結果對比可知:

1)撓跨比不是梁體設計控制指標，跨度32 m以下的簡支梁的設計參數(shù)由基頻控制，跨度40 m的簡支梁基頻和梁端轉角的影響接近。

2)高速鐵路各種箱梁的撓跨比設計值小于規(guī)范規(guī)定的限值。跨度32 m箱梁豎向基頻設計值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值，跨度40 m箱梁基頻設計值與規(guī)范限值的差別較大，有較大的優(yōu)化空間。

3)從設計和運營指標測試結果來看，我國高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上的預應力混凝土簡支箱梁技術可行。

3 大跨度簡支梁適用性分析

我國高速鐵路橋梁建設過程中，雖然有節(jié)段預制拼裝混凝土簡支梁、現(xiàn)澆混凝土簡支梁、鋼—混組合結構簡支梁、鋼結構等跨度較大簡支梁橋的工點應用，但都不具備整孔預制架設施工方法的現(xiàn)代工業(yè)標準化生產優(yōu)勢。通過研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)采用預制架設施工方法的跨度40 m及以上預應力混凝土簡支梁的推廣應用，可以進一步提高我國高鐵預制架設簡支梁的跨越能力和適用范圍，技術經濟效益明顯。

3.1 設計參數(shù)分析

大跨度簡支梁的各項受力性能指標主要由剛度控制，由此提出“容許動力系數(shù)”來評判大跨度簡支梁剛度取值的合理性。

大跨度簡支梁豎向剛度不同時，運營車輛作用產生的運營動力系數(shù)不同，梁體豎向基頻是主要的影響因素。但運營動力系數(shù)必須滿足:運營動力系數(shù)＜容許動力系數(shù)，等同于:設計活載圖式靜效應×設計動力系數(shù)＞運營車輛靜效應×運營動力系數(shù)。

大跨度簡支梁豎向剛度取值研究流程見圖3。選取40，48，56，64 m簡支梁進行容許動力系數(shù)分析，在運營車輛作用下跨度40，48，56，64 m簡支梁的最小容許動力系數(shù)分別為3.062，3.027，2.874和2.733。

圖3 大跨度簡支梁豎向剛度取值研究流程

以跨度40 m簡支梁為例，分析不同基頻的簡支梁在運營列車作用下的動力系數(shù)分布情況。基頻1～20 Hz范圍內跨度40 m簡支梁在不同速度級下的最大動力系數(shù)見圖4，研究結果發(fā)現(xiàn)最大動力系數(shù)均遠小于容許動力系數(shù)。不同基頻條件下跨度40 m簡支梁的運營動力系數(shù)隨列車速度的關系見圖5，結果表明跨度40 m簡支梁接近車長的1.5倍，有效避開了1階共振點，車橋動力響應較小。

圖4 跨度40 m簡支梁不同基頻下最大動力系數(shù)

圖5 不同基頻條件下跨度40 m簡支梁動力系數(shù)分布

分析表明，跨度40 m簡支梁設計受基頻控制的影響較小，箱梁設計思路可以從跨度32 m簡支梁的豎向剛度(基頻)控制設計轉變?yōu)閺姸群拓Q向剛度(基頻、梁端轉角)共同控制設計。

3.2 簡支梁試設計

根據(jù)實際工程現(xiàn)場條件和應用需求，參照40 m簡支梁通用參考圖(圖號:叁橋通(2008)2326－Ⅳ)，開展跨度40 m預制架設簡支梁的試設計。橋面寬度參考最新簡支梁通用參考圖選為12.6 m;腹板厚度考慮2種，一種與通用參考圖一致為45 cm，另一種考慮采用大噸位錨具技術將腹板減為36 cm。通過變化腹板高度使梁高在2.6～4.0 m變化(逐級增加0.1 m)，共擬定30種截面，來分析不同截面跨度40 m箱梁的剛度設計值。跨度40 m箱梁不同剛度指標與梁高的關系見圖6和圖7，跨中截面示意圖見圖8。

圖6 跨度40 m箱梁基頻與梁高關系

計算分析結果表明:①對于跨度40 m簡支梁，腹板從45 cm減薄為36 cm對梁體基頻和梁端轉角影響很小。②在跨度40 m簡支梁滿足規(guī)范基頻限值(2.66 Hz)情況下，梁高需不小于2.8 m。③在跨度40 m簡支梁滿足1.5‰的梁端轉角限值情況下，梁高需≥2.7 m。④綜合考慮各種指標，跨度40 m簡支梁的梁高控制在3.1 m左右時，單孔梁質量可以控制在1 000 t以內。⑤若單孔梁質量需進一步降低，應考慮梁體截面型式的進一步優(yōu)化和橋面附屬設施的輕型化。

跨度40 m簡支梁初步設計情況見圖9、圖10和表9，表9中各項設計指標均滿足規(guī)范要求。

圖7 跨度40 m箱梁梁端轉角與梁高關系

圖8 跨度40 m簡支梁跨中截面示意(單位:mm)

圖9 跨度40 m簡支梁截面布置(單位:mm)

圖10 跨度40 m簡支梁立面布置(單位:mm)

表9 跨度40 m簡支梁主要設計參數(shù)

3.3 運架能力分析

高速鐵路的發(fā)展帶動了我國工程機械行業(yè)的飛躍進步。目前高速鐵路跨度32 m整孔預制混凝土箱梁使用的載重900 t輪胎式平板運梁車技術發(fā)展成熟，其液壓驅動、液壓懸掛和液壓轉向技術使其可在窄小場地等復雜路況下執(zhí)行任務，并具有自動輔助駕駛、遙控、防撞和故障診斷等智能化控制系統(tǒng)，可完成運梁作業(yè)、架梁作業(yè)、架橋機轉場和穿越高速鐵路隧道等任務。架設跨度32 m雙線簡支梁的900 t架橋機，可以適應高速鐵路架設全部工況，是集機、電、液、控、橋等多學科跨專業(yè)的架設裝備。

針對跨度40 m整孔預應力混凝土箱梁，質量可以控制在1 000 t左右，相關運架設備生產單位能夠制造出適應跨度40 m簡支梁的運架設備，也可以通過改造目前適應跨度32 m箱梁900 t運架設備來實現(xiàn)運架跨度40 m簡支梁。初步測算，為了適應1 000 t左右的跨度40 m箱梁，改造900 t運梁車增加費用約300萬元，改造900 t架橋機增加費用約270萬元，相比較于運架設備的購置費用，均攤后的改造設備費用較小，并可以避免既有設備的閑置。

3.4 經濟性對比分析

以某在建高速鐵路典型區(qū)段為代表工點，開展了跨度40 m預制簡支梁的經濟性研究，選取對象為一般段落橋梁。分析結果表明:

1)抗震設防類別的選用對橋梁的工程造價影響較大，主要影響下部結構造價。跨度40 m預制簡支梁規(guī)模化應用后，重要性及震后修復困難程度將降低，應研究其抗震設防類別設置的合理性。為降低高烈度地震區(qū)大跨度簡支梁的造價，應積極研究采用有效的減隔震措施，降低地震作用。

2)按現(xiàn)行抗震設計方法，在抗震設防等級較低的常規(guī)地段和高墩、深基礎地段，跨度40 m預制簡支梁與跨度32 m預制簡支梁相比具有經濟優(yōu)勢。

3)我國高速鐵路常規(guī)地段的抗震設防類別多數(shù)在7度及以下，跨度40 m預制簡支梁與現(xiàn)行32 m預制簡支梁相比，規(guī)模化應用后在直接造價方面具有一定的經濟優(yōu)勢。

4)采用跨度40 m預制簡支梁，可減少制、運、架作業(yè)班次，提高生產效率，間接效益明顯。若綜合考慮直接造價和間接效益，跨度40 m預制簡支梁橋規(guī)模化應用后的綜合造價預期可降低3% 左右，經濟優(yōu)勢顯著。

4 結語

根據(jù)高速鐵路預制后張法預應力混凝土大跨度簡支梁技術可行性和經濟性對比分析研究結果，得出結論如下:

1)高速鐵路跨度40 m簡支梁的設計控制指標已從跨度32 m簡支梁的剛度(基頻)控制轉變?yōu)閺姸群蛣偠?基頻、梁端轉角)共同控制。

2)跨度40 m預制簡支梁的梁高設計可以控制在3.1 m左右，單孔梁質量可以控制在1 000 t以內。該梁高與既有跨度32 m簡支梁的梁高接近，便于橋梁跨度布置及美觀設計。

3)無論是研制新的運架設備還是對既有的運架設備進行改造，均可滿足跨度40 m預制簡支梁的制、運、架施工要求。

4)高速鐵路跨度40 m的預制簡支梁橋，在墩高10 m左右的常規(guī)地段綜合造價與跨度32 m簡支梁橋相比具有一定經濟優(yōu)勢，在高墩、深基礎等下部結構費用較高的地段綜合造價與跨度32 m簡支梁橋相比經濟優(yōu)勢增加。

5)采用跨度40 m預制簡支梁橋，可提高橋梁的跨越能力、增加橋跨布置的適應性、減少墩臺基礎的數(shù)量、擴大簡支梁橋的適用范圍，并可減少施工作業(yè)班次、提高生產效率，工程建設實際意義顯著。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國國家鐵路局.TB 10621—2014高速鐵路設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2015.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］胡所亭，牛斌，柯在田，等.高速鐵路常用跨度簡支箱梁優(yōu)化研究［J］.中國鐵道科學，2013(1):15－21.

［5］牛斌，胡所亭，魏峰，等.我國高速鐵路預應力混凝土箱梁研究與應用［C］//第十九屆全國橋梁學術會議論文集(上冊).上海:中國土木工程學會橋梁及結構工程分會、上海市城鄉(xiāng)建設和交通委員會，2010.

［6］蔡超勛，胡所亭，牛斌，等.32 m雙線簡支箱梁在對開列車作用下梁體豎向動力響應規(guī)律研究［C］//第二十屆全國橋梁學術會議論文集(下冊).上海:中國土木工程學會橋梁及結構工程分會，2012.

Research on precasting of long-span simply-supported post-prestressed concrete girder

NIU Bin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Over a half mileage of high speed railway all over the world is built in china.The majority of high speed railway bridge employed simply－supported girders which were precast in factorys and erected in－site.The study on long－span simply－supported girder was important for the development of China high speed railway bridge technique. In this paper，investigation and statistical analysis of high speed railway bridge design shows that the fundamental frequency limit was the most important design factor for the girder which span is within 32 m.W ith the increase of span，the angle limit is getting more important.Dynamic response is not significant through analysis of impact facotr of simply－supported girders with different fundamental frequency and under the action of high speed train.The weight of 40 m girder may be controlled within 1 000 t，satisfying the current requirement of transportation and erection.Besides，it may bring huge economic benefits.

High speed railway;Long－span simply－supported girder;Allowable impact factor

U448.21+7;U448.35

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.06

(責任審編 趙其文)

1003－1995(2015)10－0031－07

2015－08－01;

2015－09－07

中國鐵路總公司鐵道科學技術研究發(fā)展中心科研項目(J2014G009)

牛斌(1966—)，男，研究員，碩士。