高速鐵路常用跨度簡支箱梁支座設置方式研究

李金光　侯建軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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高速鐵路常用跨度簡支箱梁支座設置方式研究

李金光侯建軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Study on Bearing Installation Method of High Speed Railway Commonly Used Simple-Supported Box Girder

LI JinguangHOU Jianjun

摘要以時速250 km客運專線(城際鐵路)有砟軌道預制后張法預應力混凝土簡支整孔箱梁及其配套的圓端形實體橋墩為基礎，通過橫向壓縮0.4 m箱體及橋墩和拉伸0.6 m箱體及橋墩的方式形成支座橫向間距為4.0 m和5.0 m的組合結構。以3種不同支座橫向間距的梁體、支座、橋墩組合體為研究對象，分析梁體、支座、橋墩受力情況。研究表明，支座橫向間距不大于5 m的簡支箱梁可以設置雙固定支座。設置雙固定支座時，梁體、橋墩設計須考慮附加橫向應力影響，支座選取須考慮附加水平力影響。

關鍵詞高速鐵路簡支箱梁支座設置雙固定支座

1概述

據不完全統計，我國正在使用的高速鐵路中橋梁長度比重接近60%(其中京津城際鐵路橋梁累計長度占全線正線總長的比例為86.6%，京滬高速鐵路為80.5%)[5]。高速鐵路橋梁中大量采用整孔簡支箱梁結構，常用跨度整孔簡支箱梁支座需求巨大。作為橋梁工程上下部結構的連接、傳力部件，橋梁支座直接影響橋梁結構的整體性能。雙線整孔簡支箱梁通常采用固定支座、縱向活動支座、橫向活動支座、多向活動支座各一個的支座布置方式，對于支座橫向間距不大于4.0 m的雙線整孔簡支箱梁也采用雙固定支座、雙縱向活動支座的方式設置。

高速鐵路單座橋梁長達幾公里甚至幾十公里，線路平、豎曲線變化多，造成支座布置復雜。支座施工安裝過程中經常會發生4種類型支座安裝混淆的情況，造成不必要的工作反復和浪費。為擴大雙線整孔簡支箱梁雙固定支座、雙縱向活動支座設置的應用范圍，簡化雙線整孔簡支箱梁支座種類和方便施工安裝作業，結合高速鐵路常用跨度簡支整孔箱梁及其配套橋墩和以此為基礎形成的組合體受力情況進行分析，研究雙固定支座設置方式的適應范圍。

2研究對象及方法

2.1研究對象

時速250 km客運專線(城際鐵路)有砟軌道預制后張法預應力混凝土簡支整孔箱梁(圖號：通橋(2009)2229—Ⅰ)為雙線、單箱單室整孔箱梁，計算跨度為31.5 m，支座橫向間距為4.4 m，與其配套的橋墩為圓端形實體橋墩(圖號：通橋(2009)4201—Ⅲ)。以此為基礎，通過壓縮0.4 m箱體及橋墩和拉伸0.6 m箱體及橋墩的方式形成支座橫向間距為4.0 m和5.0 m的結構。對支座橫向間距為4.0 m、4.4 m、5.0 m的組合體結構進行對比分析，從三者自身的受力情況判斷雙固定支座設置是否可行，三者分別定義為組合體一、組合體二、組合體三。

2.2研究方法

采用有限元程序Midas FEA建立三種支座間距組合體的空間模型，模型包括一片箱梁及兩個橋墩。梁端底板預埋支座鋼板處設0.35 m×0.72 m×0.15 m(橫向×縱向×高度)鋼墊板模擬支座板，墩頂設墊石。梁體、支座板、墊石及橋墩均采用實體單元建立，在支點中心位置處通過連接支座板與墊石節點建立1D彈性連接單元模擬支座。4.4 m橫向支座間距組合體模型如圖1所示，模型共計71 348個節點，293 664個單元。

圖1　4.4 m橫向支座間距組合體模型

高速鐵路簡支箱梁常用支座有盆式橡膠支座、球形鋼支座等，每種支座類型對應大量型號，支座各方向剛度具體數值尚不明確，而剛度的取值直接關系到梁體、支座、橋墩三者之間的相互受力。采用1D彈性連接單元模擬支座效應，可賦予其6個方向的剛度，包括順橋向、橫橋向、結構高度方向的平動自由度以及繞此3個方向的轉動自由度。為對比不同支座剛度取值對組合體受力的影響，結合以往經驗對約束平動、轉動剛度取1.0×1010kN/m、1.0×1010kN.m/[rad]；1.0×109kN/m、1.0×109kN.m/[rad]；1.0×108kN/m、1.0×108kN.m/[rad]；1.0×107kN/m、1.0×107kN.m/[rad]四種不同量級的剛度分別計算。

3主要技術參數

3.1材料參數

有限元模型中使用的材料參數如表1所示。

表1　模型材料參數

3.2二期恒載取值

橋面二期恒載按直線有聲屏障考慮，軌下枕底道砟厚度為350 mm，包括鋼軌、道砟、軌枕、防水層、保護層、聲屏障、遮板、擋砟墻、接觸網支柱及基礎、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設施重量，4.4 m支座橫向間距雙線整孔簡支箱梁二恒共計192 kN/m。模型中二期恒載按實際橋面布置轉換為均布面荷載的方式施加。

3.3活載取值

單線活載按均布荷載施加在橫向3.37 m范圍內，考慮沖擊系數。車頭段均布荷載縱向長度5.6 m，取值51.2 kN/m2，車身段均布荷載任意長，取值20.8 kN/m2。模型中考慮單、雙線活載作用效應。

3.4溫度荷載取值

組合體模型中考慮梁、墩(包括墊石)溫差荷載作用。溫差荷載包括：梁升溫10 ℃，墩升溫5 ℃；梁升溫30 ℃，墩升溫25 ℃。這里只計算了升溫模式，梁、墩降溫溫差效應與升溫溫差效應相反。

4計算結果分析

4.1支座受力分析

設雙固定、雙縱向活動支座，固定、縱向、橫向、多向活動支座各設一個對支座受力的影響主要體現在前者在荷載作用下會產生橫向水平力。水平力的大小是否超過支座設計水平力對該設置方式是否可行有重要影響，以此水平力大小是否超過允許范圍為判定因素對雙固定支座設置是否可行進行研究。

各組合體在梁、墩整體溫差荷載作用下產生的支座橫向水平力如表2所示。

表2　梁、墩整體溫差荷載作用下支座橫向水平力　kN

各組合體在自重、二恒及活載作用下產生的支座水平力如表3所示。

匯總組合體在運營期間支座所承受的水平力，組合體運營過程中支座水平力包括二恒、活載及溫度荷載產生的水平力，不考慮自重產生的水平力。支座水平力與豎向設計承載力比值結果如表4所示。

表3　梁、墩二恒及活載作用下支座橫向水平力及相應豎向力　kN

表4　支座水平力與豎向設計承載力比值

從表4可以看出，支座水平力與豎向設計承載力的比值最大為23.3%，球形鋼支座最大設計水平力可以占到其豎向設計承載力的40%，說明從支座受力角度來考慮，支座橫向間距為5.0 m的雙線整孔簡支箱梁可以設置雙固定、雙縱向活動支座。需要說明的是，相同豎向承載能力的支座設計容許最大水平力按地震峰值加速度不同來分類，支座橫向間距大于4.0 m的雙線整孔簡支箱梁選用支座時不能僅靠其所承受豎向力和設計峰值加速度來決定，需要同時考慮上述所計算的水平力。

4.2梁體受力分析

從支座受力分析可以看出，各組合體支座剛度取9次方和10次方量級時產生的水平力基本相同，說明此時支座約束近乎剛性。對梁體的分析采用支座剛度為10次方量級的模型。設雙固定、雙縱向支座主要限制了梁體橫向的自由變形，會使梁體產生附加的橫向應力，對梁體的受力分析也主要從荷載作用下產生的梁端橫向應力入手。分別提取設雙固定、雙縱向活動支座，設固定、縱向、橫向、多向活動支座各一個的組合體模型中梁端橫向應力，對比分析其變化規律。單線活載作用下組合體一和組合體三的梁端橫向應力如圖2所示，各組合體梁端典型橫向應力如表5所示。

圖2　單線活載作用下梁端橫向應力

MPa

結合梁端橫向應力云圖，從表5中可以看出：

(1)在相同荷載作用下，各組合體雙固定約束和設橫向活動約束相比，在相同位置上二恒產生的橫向拉應力差別不大，單線活載產生的橫向拉應力有所增大，并隨支座間距的增加而增大。

(2)對于溫度荷載而言，設雙固定約束和橫向活動約束相比，梁體降溫大于橋墩降溫時，會在整個梁端底板產生一定的橫向拉應力。

(3)由溫度荷載產生的橫向拉應力，各組合體相比差別不大。

(4)設置雙固定支座約束對梁體應力的影響屬于可接受范圍，就梁體受力而言，支座橫向間距為5.0 m的梁可以設置雙固定、雙縱向活動支座，設計時須考慮梁端附加橫向應力影響。

4.3橋墩受力分析

圖3　梁升溫10 ℃，墩升溫5 ℃荷載下橋墩橫向應力

圖4　自重、二恒、雙線活載共同作用下橋墩橫向應力

與梁體受力分析相同，對橋墩的分析也采用支座剛度為10次方量級的模型。主要從荷載作用下產生的橋墩橫向應力入手，分別提取設雙固定、雙縱向活動支座，設固定、縱向活動、橫向活動、多向活動支座各一個的組合體模型中橋墩橫向應力，對比分析其變化情況。梁升溫10 ℃，墩升溫5 ℃荷載下橋墩橫向應力以及自重、二恒、雙線活載共同作用下橋墩橫向應力分別如圖3、圖4所示。從圖4中可以看出：

(1)在梁體升溫大于橋墩升溫的溫度荷載作用下，設雙固定支座的組合體橋墩會產生一定的拉應力，而設橫向活動支座后則不會產生，在相同模式溫度荷載作用下，各組合體橋墩橫向應力差別不大。

(2)在自重、二恒、雙線活載共同作用下，設雙固定約束組合體橋墩橫向受力優于設橫向活動約束的組合體。

(3)設置雙固定支座約束對橋墩應力的影響屬于可接受范圍，就橋墩受力而言，支座橫向間距為5.0 m的梁可以設置雙固定、雙縱向活動支座。

5優缺點分析

對于雙線整孔簡支箱梁，設置雙固定、雙縱向活動支座與設置固定、橫向、縱向和多向活動支座各一個的方式相比具有以下優缺點：

(1)雙固定方式可以簡化支座設計，減少支座類型，但雙固定方式支座造價有一定程度的增加，盆式橡膠支座增加約1.3%的重量，球形鋼支座增加約6.9%的重量。

(2)雙固定方式在更換支座時如果溫差變化過大可能會造成支座安裝困難。

(3)雙固定方式可方便施工，減少現場支座安裝錯誤的發生。

(4)雙固定方式4個支座均參與抵抗地震力，提高了結構的抗震性能。

(5)對于無砟軌道結構來說，雙固定方式對于兩孔梁間軌道橫向偏移量的控制更加有利。

(6)雙固定方式四個支座均參與分擔曲線梁列車豎向靜活載產生的離心力作用，可減小離心力作用下支座分擔的水平力。

6結論

(1)從支座受力角度來考慮，支座橫向間距不大于5.0 m的整孔簡支箱梁可以設置雙固定、雙縱向活動支座，設雙固定支座時，支座的選取須考慮水平力承載能力。

(2)從梁體受力角度來考慮，支座橫向間距不大于5.0 m的整孔簡支箱梁可以設置雙固定、雙縱向活動支座，設雙固定支座時，設計須考慮梁端附加橫向應力影響。

(3)從橋墩受力角度來考慮，支座橫向間距不大于5.0 m的橋墩可以設置雙固定、雙縱向活動支座，設雙固定支座時，設計須考慮墩頂附加橫向應力影響。

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中圖分類號：U443.36

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2016)01-0091-04

作者簡介：第一李金光(1985—)，男，2010年畢業于中南大學橋梁工程專業，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-11-20