高速鐵路T構設計及探討

白琦成

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

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高速鐵路T構設計及探討

白琦成

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

【摘要】文章闡述T構的形式、特點、發展等，實例說明高速鐵路T構適用地形條件，列舉高速鐵路T構設計主要技術標準、設計原則、技術參數、材料。并結合西成客運專線T構設計介紹高速鐵路T構梁體構造、鋼筋及混凝土用量、主要計算結果等，探討高速鐵路T構常用跨度、梁高與跨度之比、橋墩剛度要求及橋墩型式等問題，可供高速鐵路T構設計參考。

【關鍵詞】高速鐵路;T構;設計;探討

T構是預應力混凝土T形剛構的簡稱，T構墩梁固結、墩上兩側伸出懸臂如同T字。T構有三種形式：跨中設鉸的鉸接T構或跨中帶掛梁的T構、兩跨單T構、主梁連續的T構組合體系即連續剛構。高速鐵路迄今主要采用單T構或連續剛構，一般的高速鐵路T構即指單T構。

T構墩梁固結方便平衡懸臂施工、省掉大型支座；墩的作用使主梁彎矩減小，因此相對而言T構材料用量較省；成橋受力同施工階段受力比較接近，懸臂施工不用臨時支撐，不會因為施工增加過多材料。

20世紀50年代中期，西歐出現了預應力混凝土橋的懸臂施工方法，形成了T構橋。T構墩梁固結，為抵抗懸臂施工中的不平衡彎矩以及抵抗運營時活載或附加力產生的彎矩，橋墩需要的抗彎剛度和抗推剛度較大。由于鉸接T構當預應力、混凝土收縮徐變和溫度變化引起結構變位時將會在墩梁固結處產生很大的推力和彎矩，鉸處折角造成橋面不平順，剪力鉸易損壞；帶掛梁的T構伸縮縫增多，牛腿構造復雜且易損壞，吊裝掛梁致施工設備增多，因此20世紀80年代以后已很少采用鉸接T構和帶掛梁的T構。

自20世紀60年代前西德工程師們采用薄壁墩代替粗大中墩開始，逐漸優化形成柔性墩、墩梁固結連續剛構體系，現在仍然是大跨度梁式橋的主要橋型。

1高速鐵路T構適用地形條件及實例

高速鐵路在跨越既有公路、鐵路、溝谷等時，因地制宜采用T構可以減少特殊結構橋梁長度、減少陡坡墩數、方便施工，也可在橋梁孔跨布置時用于調跨，山區高速鐵路T構是橋梁孔跨布置重要考慮的結構型式之一。高速鐵路T構適用地形條件可以從西成客運專線兩座橋梁實例中得到一定啟發。

1.1某橋采用2×48 m的T構

采用2×48mT構跨越既有公路和河流，平面布置示意見圖1。

圖1　某橋采用2×48 m T構橋址平面示意

1.2某橋采用2×64 m的T構

采用2×64mT構跨越既有鐵路、避免陡坡設墩，立面布置示意見圖2。

2高速鐵路T構設計主要技術標準

高速鐵路T構設計技術標準主要包括：(1)橋上線路。西成客運專線為雙線、線間距4.6m；平面為直線，坡度不大于20 ‰。(2)設計行車速度。西成客運專線為時速250km。(3)設計活載為ZK活載。(4)軌道結構。西成客運專線為CRTSI型雙塊式無砟軌道。(5)橋梁建筑限界。客運專線鐵路建筑限界為200km/h≤v≤350km/h。(6)主體結構使用年限為100a。(7)適用環境。碳化環境作用等級T1、T2。(8)地震動峰值加速度。西成客運專線為0.1g，反應譜特征周期為0.45s。

3高速鐵路T構主要設計原則、技術參數

設計荷載、荷載組合、主要設計指標中設計安全系數及各階段應力控制、混凝土收縮徐變、預應力損失計算參數、錨下控制應力、梁體變形限值除靜活載作用下所引起的最大豎向撓度外與預應力混凝土連續梁一樣[6]。

根據《高速鐵路設計規范》，在靜活載作用下所引起的最大豎向撓度，如西成客運專線采用跨度不大于80m的T構，要求不大于1.4×L/1 400；若跨度80m以上，要求不大于1.4×L/1 000；梁端轉角相鄰兩孔梁之間小于2.0 ‰。

圖2　某橋采用2×64 m T構立面布置示意

4材料

西成客運專線T構混凝土及水泥漿強度以及普通鋼筋材料使用情況與預應力混凝土連續梁一樣[6]。

4.1預應力體系

梁體按三向預應力設計。西成客運專線懸臂灌筑T構2×48m、2×64m、2×72m、2×80m設計如下:

(1)縱向。2×48m、2×64m的T構縱向預應力束采用12-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內徑85mm、外徑98mm塑料波紋管成孔，M15A-12群錨錨固。2×72m的T構縱向預應力束采用15-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內徑90mm、外徑104mm塑料波紋管成孔，M15-15群錨錨固。2×80m的T構縱向預應力束采用16-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內徑90mm、外徑104mm塑料波紋管成孔，M15A-16群錨錨固。鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1 860MPa，彈性模量Ep=195GPa，公稱直徑為15.2mm，其技術條件應符合GB/T5224-2003標準。

(2)豎向。2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構均采用公稱直徑32mm的PSB830預應力混凝土用螺紋鋼筋，內徑45mm鐵皮管成孔，JLM-32型錨具錨固。

(3)橫向。2×48m的T構橫向頂板束均采用3-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內寬60mm、高22mm的扁形塑料波紋管成孔，BM15-3扁形錨具(張拉端)和BM15P-3扁形錨具(非張拉端)錨固。2×64m、2×72m、2×80m的T構橫向頂板束均采用4-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內寬72mm、高23mm的扁形塑料波紋管成孔，BM15-4扁形錨具(張拉端)和BM15P-4扁形錨具(非張拉端)錨固。鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1 860MPa，彈性模量Ep=195GPa，公稱直徑為15.2mm，其技術條件應符合GB/T5224-2003標準。

4.2邊支座

2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構邊支座均采用球型鋼支座。2×48m的T構邊支座要求豎向承載力不小于7 000kN，2×64m的T構邊支座要求豎向承載力不小于8 000kN，2×72m的T構邊支座要求豎向承載力不小于9 000kN，2×80mT構邊支座要求豎向承載力不小于10 000kN。

5高速鐵路T構梁體構造

西成客運專線懸臂灌筑T構2×48m、2×64m、2×72m、2×80m梁體均為單箱單室、變高度、變截面箱梁，箱梁頂板寬12.2m，箱梁底寬隨跨度增大而不同；梁體在中墩墩頂設置兩道橫隔板，梁端支座處設置一道橫隔板，共設4道橫隔板，橫隔板中部板中部設有孔洞供檢查人員通過。其余構造如下:

5.12×48 m的T構梁體構造

梁體全長97.5m，箱梁底寬6.7m，端部等高梁段梁高3.05m，中墩處梁高為5.4m；全橋頂板厚40cm，底板厚42～80cm，腹板厚45～80cm。

5.22×64 m的T構梁體構造

梁體全長129.5m，箱梁底寬6.7m，端部等高梁段梁高4.0m，中墩處梁高為7.5m；全橋頂板厚40cm，底板厚42～90cm，腹板厚45～90cm。

5.32×72 m的T構梁體構造

梁體全長145.5m，箱梁底寬6.7m，端部等高梁段梁高4.2m，中墩處梁高為8.0m；全橋頂板厚40cm，底板厚45～90cm，腹板厚45～90cm。

5.42×80 m的T構梁體構造

梁體全長161.5m，箱梁底寬7.0m，端部等高梁段梁高5.0m，中墩處梁高為9.5m；全橋頂板厚45～80cm，底板厚45～100cm，腹板厚45～90cm。

6高速鐵路T構鋼筋及混凝土用量

西成客運專線懸臂灌筑T構2×48m、2×64m、2×72m、2×80m預應力鋼筋、普通鋼筋及混凝土用量如表1所示。

表1　預應力鋼筋、普通鋼筋及混凝土用量

7主要計算結果

西成客運專線懸臂灌筑T構2×48m、2×64m、2×72m、2×80m主要計算結果如下：

(1)運營階段應力計算結果見表2。

表2　運營階段應力

(2)施工階段應力計算結果見表3。

表3　施工階段應力

(3)正截面抗裂性計算結果見表4。

表4　正截面抗裂性

(4)斜截面抗裂性計算結果見表5。

表5　斜截面抗裂性

(5)靜活載作用下的擾度值及梁端豎向折角計算結果見表6。

表6　靜活載作用下的擾度值及梁端豎向折角

(6)正截面強度檢算計算結果見表7。

表7　正截面強度安全系數K2

徐變、支反力等計算結果未列述。

8高速鐵路T構設計問題探討

8.1T構常用跨度

日本上越新干線吾妻川橋，其跨度組合為2×110m，橋高30m。我國宜萬鐵路馬水河大橋，其跨度組合為2×116m，墩高108m。我國的西成客運專線T構最大跨度80m。1998年挪威建成了世界第一主跨301m的stolma橋和世界第二主跨298m的拉夫特橋，將PC連續剛構橋跨徑發展到極致。參考國內外已建成高速鐵路T構及T構的技術經濟指標，從2×80m的T構與(44+80+44)m連續梁梁部主要工程數量比較表(表8)可以看出，聯長168m連續梁比2×80m的T構梁部要省，所以高速鐵路T構常用跨度一般不大于80m。

表8　2×80 m的T構與(44+80+44) m

8.2梁高與跨度之比

高速鐵路T構梁高與跨度之比，梁端截面一般為1/15～1/18，中墩處截面一般為1/8～1/10。西成客運專線T構梁高與跨度之比見表9。

表9　T構梁高與跨度之比

8.3橫隔板

梁端部支座處設置橫隔板，主要作用除增加截面的橫向剛度、限值畸變應力外，滿足支座布置及承受支座反力需要。中墩處墩梁固結區是T構傳遞荷載、擴散應力的重要構造，為保證墩梁剛性連接假定成立，一般在中墩處設置兩道橫隔板，吾妻川橋與馬水河大橋在局部構造設計中增加了橫隔板橫豎向預應力。西成客運專線2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構中橫隔板與端橫隔板均只布置普通鋼筋；2×48m的T構中橫隔板厚0.8m，2×64m、2×72m、2×80m的T構中橫隔板厚1.2m，2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構端橫隔板厚1.07m。

8.4支座處加寬

在邊支座處應根據支座橫向布置距離以及按照規范支座邊緣距離要求檢算支座處梁底加寬值。西成客運專線2×48m、2×64m、2×72m的T構邊支座處采用了20cm橫向加寬值，2×80m的T構邊支座處采用了25cm橫向加寬值。

8.5橋墩剛度要求及橋墩型式

T構中墩剛度對橋梁豎向剛度貢獻較小，橋梁的縱向剛度主要來自墩身的縱向抗推剛度以及梁端的約束影響，橋梁的橫向剛度由墩身、基礎、梁體的橫向剛度決定。高速鐵路對于T構這樣墩梁共同受力結構的中墩并沒有縱橫向剛度具體值的規定，而是針對不同跨度、不同墩高、不同墩型、不同基礎尺寸的具體情況進行計算，以滿足高速鐵路T構變形限值要求為準。

高速鐵路T構中墩一般采用矩形墩較多，位于河谷或有景觀要求時也有采用圓端形或圓形墩，根據墩高情況采用實體或空心墩。西成客運專線2×48m的T構采用矩形實體墩，2×64m的T構采用了圓形空心墩，2×64m、2×72m、2×80m的T構采用了矩形空心墩。

9結束語

預應力混凝土T構是高速鐵路重要的橋梁結構型式之一。由于T構墩梁固結的特殊性而無通用圖可供使用，因此經常需要結合具體情況開展T構設計。本文結合西成客運專線T構設計情況介紹設計者關心的T構設計主要問題，并未開展關于T構施工方法、預應力鋼束配置以及收縮徐變控制方面的探討，可為高速鐵路T構設計提供借鑒和參考。

參考文獻

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[2]TB10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3]TB10002.3-2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[4]饒少臣．大跨高墩T構鐵路橋設計研究[J]．鐵道標準設計，2005(11)．

[5]中鐵二院工程集團股份有限公司．西成客運專線施工圖[R]．

[6]白琦成．高速鐵路常用中小跨度連續梁設計及探討[J]．四川建筑，2016(2)．

[作者簡介]白琦成(1966～)，男，工學學士,高級工程師，從事橋梁工程設計。

【中圖分類號】U448.23+1

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-01-15