高速鐵路常用中小跨度連續(xù)梁設(shè)計及探討

白琦成

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

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高速鐵路常用中小跨度連續(xù)梁設(shè)計及探討

白琦成

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

【摘要】梳理現(xiàn)行高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通用圖設(shè)計情況，闡述高速鐵路連續(xù)梁設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計原則及技術(shù)參數(shù)，結(jié)合西成客運專線連續(xù)梁設(shè)計介紹采用材料、梁體構(gòu)造、鋼筋及混凝土用量、主要計算結(jié)果，并探討連續(xù)梁邊中跨比例及結(jié)構(gòu)尺寸方面的問題，可供高速鐵路連續(xù)梁設(shè)計參考。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路;連續(xù)梁;設(shè)計;探討

鐵路中小跨度連續(xù)梁主要指主跨100 m及以下跨度的連續(xù)梁。高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通用圖有時速250 km有砟軌道(24+32+24) m、(32+40+32) m、(32+48+32) m、(60+100+60) m支架現(xiàn)澆連續(xù)梁；時速250 km有砟軌道(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m懸灌施工連續(xù)梁；時速350 km有砟軌道(32+48+32) m支架現(xiàn)澆連續(xù)梁；時速350 km無砟軌道2×24、3×24、2×32、3×32、2×40、(32+48+32) m支架現(xiàn)澆連續(xù)梁；時速350 km無砟軌道(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m懸灌施工連續(xù)梁。

由于2×24 m、3×24 m、2×32 m、3×32 m、(24+32+24) m連續(xù)梁可以采用相同跨度簡支梁替換，現(xiàn)澆簡支梁模板可利用率高、工序簡單、經(jīng)濟性較好，因此這幾種跨度連續(xù)梁較少采用。

各設(shè)計院根據(jù)各線工點具體情況編制了主跨100 m以下而通用圖所沒有的連續(xù)梁設(shè)計圖。時速350 km京滬高速鐵路采用了(24+40+24) m、(32+40+32) m、(37+60+37) m、(44+68+44) m、(40+72+40) m、(55+80+55) m等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁；時速250 km西成客運專線采用了(32+48+32) m、(36+64+36) m、(44+80+44) m等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

1高速鐵路連續(xù)梁設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

高速鐵路連續(xù)梁設(shè)計的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：(1)橋上線路。西成客運專線為雙線，線間距4.6 m，平面為直線，坡度不大于20‰。(2)設(shè)計行車速度。西成客運專線為時速250 km。(3)設(shè)計活載。ZK活載。(4)軌道結(jié)構(gòu)。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200 km/h≤v≤350 km/h。(6)主體結(jié)構(gòu)使用年限100年。(7)適用環(huán)境。碳化環(huán)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(yīng)譜特征周期為0.45 s。

2高速鐵路連續(xù)梁主要設(shè)計原則及技術(shù)參數(shù)

2.1設(shè)計荷載

(1)恒載：包括梁體自重、二期恒載和基礎(chǔ)不均勻沉降。二期恒載含鋼軌、扣件、軌道板、防水層、保護層、人行道遮板、防撞墻、電纜槽豎墻及蓋板等重量。

(2)活載：包括ZK荷載及動力系數(shù)、列車橫向搖擺力、設(shè)計人行道豎向靜活載。西成客運專線采用5 kPa，主梁設(shè)計時人行道豎向靜活載不與列車活載同時計算。

(3)附加力：包括橋上列車制動力或牽引力、風(fēng)力、溫度變化的作用。

(4)特殊荷載：包括運梁架橋工況荷載、施工荷載。施工荷載含掛籃(懸臂灌筑時)、機具、人員等。

2.2荷載組合

2.2.1主力

(1)自重+二期恒載+活載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變。

(2)自重+二期恒載+活載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+基礎(chǔ)沉降。

2.2.2主力+附加力

(1)主力+溫度變化+風(fēng)力。

(2)主力+溫度變化+風(fēng)力+制動力。

2.3 主要設(shè)計指標(biāo)

2.3.1設(shè)計安全系數(shù)及各階段應(yīng)力控制

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,其中：

設(shè)計強度安全系數(shù)K：主力≥2.2，主+附≥1.98，安裝荷載≥1.8。

設(shè)計抗裂安全系數(shù)Kf：主力、主+附≥1.2，安裝荷載≥1.1。

混凝土應(yīng)力控制：(1)傳力錨固時混凝土壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別≯fct和≯0.6fc。(2)運營荷載下混凝土壓應(yīng)力主力時≯0.5fc，主+附時≯0.55fc。(3)運營荷載下混凝土拉應(yīng)力≯0，特載時≯0.6fct。(4)抗裂荷載下混凝土主拉應(yīng)力≯fct，主壓應(yīng)力≯0.6fc。其中fct為混凝土抗拉極限強度，fc為混凝土抗壓極限強度。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力控制：(1)錨下控制應(yīng)力≯0.75fpk。(2)傳力錨固時鋼絞線應(yīng)力≯0.65fpk。(3)運營荷載下鋼絞線應(yīng)力≯0.6fpk。(4)疲勞荷載下鋼絞線應(yīng)力幅≯140。(5)疲勞荷載下豎向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋應(yīng)力幅≯80。其中，fpk為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3.2混凝土收縮徐變

按《鐵路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算。

2.3.3預(yù)應(yīng)力損失計算參數(shù)

西成客運專線計算參數(shù)取值如下：

(1)縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ=0.15；管道位置的偏差系數(shù)k=0.001 5；錨頭變形、鋼筋回縮(考慮反摩阻)△L=6 mm，鋼絞線松弛系數(shù)0.025。

(2)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋。波紋管摩阻系數(shù)μ=0.35；孔道偏差系數(shù)k=0.003；錨具變形與鋼束回縮值(一端)為1 mm，鋼束松弛系數(shù)為0.035。

2.3.4錨下控制應(yīng)力

西成客運專線縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線(不包括錨圈口之間及錨下墊板喇叭口處摩阻損失)σcon=0.7fpk=1 302 MPa,豎向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋(不包括錨圈口之間及錨下墊板喇叭口處摩阻損失)σcon=0.85fpk=706 MPa。

2.3.5梁體變形限值

(1)在靜活載作用下所引起的最大豎向撓度。西成客運專線對于連續(xù)梁邊跨和中間跨80 m及以下不大于1.1×L/1 400，中間跨80 m以上不大于1.1×L/1 000。梁端轉(zhuǎn)角相鄰兩孔梁之間<1.0‰。

(2)梁體豎向撓度除考慮列車豎向靜荷載作用外，尚應(yīng)計入溫度影響。梁體豎向撓度按下列情況最不利者取值：①列車豎向靜活載撓度與0.5倍溫度豎向撓度之和；②0.63倍列車豎向靜活載撓度與溫度豎向撓度之和。

(3)梁體水平撓度。在列車橫向搖擺力、風(fēng)力和溫度力的作用下，梁體的水平撓度不大于梁體計算跨度的1/4 000。

(4)梁體豎向殘余徐變變形。中間跨跨度≤50 m在軌道鋪設(shè)完成后不大于10 mm；中間跨跨度>50 m時不大于L/5 000，且不大于20 mm。

(5)相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移不大于1 mm。

(6)以一段3 m長的線路為基準(zhǔn)，在ZK活載作用下，一線兩根鋼軌的豎向相對變形量不大于1.5 mm。

(7)在ZK活載、橫向搖擺力、風(fēng)力和溫度力作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向水平變形引起的梁端水平折角不大于0.001 rad。

3材料

西成客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁材料使用情況如下:

3.1 混凝土及水泥漿強度

(1)梁體混凝土強度等級為C55，彈性模量符合《鐵路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求。封錨采用強度等級為C55的收縮補償混凝土，封錨前采用液態(tài)阻銹劑涂刷錨頭。

(2)防護墻及電纜槽豎墻混凝土強度等級為C40。

(3)保護層、防水層按客運專線鐵路常用跨度梁橋面附屬設(shè)施及其局部修改圖紙通橋(2008)8388A辦理。

(4)管道壓漿采用M40微膨脹水泥漿并摻入阻銹劑。

(5)塑料波紋管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足JT/T 529-2004《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用塑料波紋管》相關(guān)要求。

3.2預(yù)應(yīng)力體系

梁體按三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計。西成客運專線懸臂灌筑中小跨度(主跨48 m、64 m、80 m、100 m)連續(xù)梁設(shè)計如下:

3.2.1縱向

跨度(32+48+32) m、(36+64+36) m連續(xù)梁縱向預(yù)應(yīng)力束采用9-φ15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)徑80 mm、外徑93 mm塑料波紋管成孔，M15A-9群錨錨固。跨度(44+80+44) m、(60+100+60) m連續(xù)梁縱向預(yù)應(yīng)力束采用12-φ15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)徑85 mm、外徑98 mm塑料波紋管成孔，M15A-12群錨錨固。鋼絞線抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=195 GPa，公稱直徑為15.2 mm，其技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T 5224-2003標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2豎向

跨度(32+48+32) m連續(xù)梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力分別采用公稱直徑25 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，內(nèi)徑35 mm鐵皮管成孔，JLM-25型錨具錨固。跨度(36+64+36) m、(44+80+44) m、(60+100+60) m連續(xù)梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力分別采用公稱直徑32 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，內(nèi)徑45 mm鐵皮管成孔，JLM-32型錨具錨固。

3.2.3橫向

跨度(32+48+32) m、(36+64+36) m、(44+80+44) m、(60+100+60) m連續(xù)梁橫向頂板束均采用4-φ15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)寬72 mm、高22 mm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(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=195 GPa，公稱直徑為15.2 mm，其技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T 5224-2003標(biāo)準(zhǔn)。

3.3鋼筋

普通鋼筋采用HPB235鋼筋和未經(jīng)高壓穿水處理過的HRB335鋼筋，彈性模量Es分別為210 GPa、200 GPa，其技術(shù)條件應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 13013《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》和GB 1499《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》的要求，HRB335鋼筋的化學(xué)成分C+Mn/6應(yīng)不大于0.5%。

3.4支座

跨度(32+48+32) m、(36+64+36) m、(44+80+44) m、(60+100+60) m連續(xù)梁均采用球型鋼支座。主跨48～80 m連續(xù)梁邊支座要求豎向承載力不小于6 000 kN；主跨100 m連續(xù)梁邊支座要求豎向承載力不小于8 000 kN；主跨48 m、64 m、80 m、100 m連續(xù)梁中支座要求豎向承載力分別不小于17 500 kN、25 000 kN、30 000 kN、45 000 kN。

4高速鐵路連續(xù)梁梁體構(gòu)造

西成客運專線懸臂灌筑中小跨度(主跨48 m、64 m、80 m、100 m)連續(xù)梁梁體均為單箱單室、變高度、變截面箱梁，箱梁頂板寬12.2 m，箱梁底寬隨跨度增大而不同。梁體在支座處設(shè)橫隔板，全聯(lián)共設(shè)4道橫隔板，橫隔板中部板中部設(shè)有孔洞供檢查人員通過。其余構(gòu)造如下:

4.1(32+48+32) m連續(xù)梁梁體構(gòu)造

梁體全長113.5 m，箱梁底寬6.4 m，中跨中部10 m梁段和邊跨13.75 m梁段為等高梁高3.05 m，中墩處梁高為4.0 m，其余梁段梁底下緣按二次拋物線變化。全橋頂板厚32 cm,底板厚35～60 cm,腹板厚40～70 cm。

4.2(36+64+36) m連續(xù)梁梁體構(gòu)造

梁體全長137.5 m，箱梁底寬6.7 m，中跨中部10 m梁段和邊跨9.75 m梁段為等高梁高3.2 m，中墩處梁高為6.0 m，其余梁段梁底下緣按二次拋物線變化。全橋頂板厚40 cm,底板厚42～80 cm,腹板厚42～80 cm。

4.3(44+80+44) m連續(xù)梁梁體構(gòu)造

梁體全長169.5 m，箱梁底寬6.7 m，中跨中部10 m梁段和邊跨9.75 m梁段為等高梁高3.85 m，中墩處梁高為6.65 m，其余梁段梁底下緣按二次拋物線變化。全橋頂板厚42 cm,底板厚42～85 cm,腹板厚40～80 cm。

4.4(60+100+60) m連續(xù)梁梁體構(gòu)造

梁體全長221.5 m，箱梁底寬6.7 m，中跨中部10 m梁段和邊跨15.75 m梁段為等高梁高4.8 m，中墩處梁高為7.8 m，其余梁段梁底下緣按二次拋物線變化。全橋頂板厚45～70 cm,底板厚44～100 cm,腹板厚50～90 cm。

5高速鐵路中小跨度連續(xù)梁鋼筋及混凝土用量

西成客運專線懸臂灌筑(主跨48 m、64 m、80 m、100 m)連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋及混凝土用量見表1。

表1　預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋及混凝土用量

6主要計算結(jié)果

西成客運專線懸臂灌筑連續(xù)梁主要計算結(jié)果如下。

(1)運營階段應(yīng)力見表2。

表2　運營階段應(yīng)力

(2)施工階段應(yīng)力見表3。

表3　施工階段應(yīng)力

(3)正截面抗裂性見表4。

表4　正截面抗裂性

(4)靜活載作用下的撓度值及梁端豎向折角見表5。

表5　靜活載作用下的撓度值及梁端豎向折角

(5)正截面強度檢算見表6。

表6　正截面強度檢算

(6)梁體徐變上拱度。二期恒載上橋時間按預(yù)加應(yīng)力后60 d計算，軌道鋪設(shè)后梁體徐變上拱值見表7。

表7　梁體徐變上拱度

(7)由于預(yù)應(yīng)力及收縮徐變引起的梁端縱向壓縮量見表8。

表8　由于預(yù)應(yīng)力及收縮徐變引起的梁端縱向壓縮量

斜截面抗裂性、支反力等計算結(jié)果未列述，支座預(yù)偏量根據(jù)施工實際情況計算。

7高速鐵路中小跨度連續(xù)梁設(shè)計問題探討

7.1邊中跨比例

高速鐵路中小跨度連續(xù)梁主跨跨度應(yīng)符合GB/T 904-94《鐵路橋梁跨度系列》的規(guī)定，因此主跨跨度一般應(yīng)為40 m、48 m、56 m、64 m、80 m、96 m等。邊跨與主跨跨徑之比一般為0.5～0.8。當(dāng)邊跨與中跨之比小于約0.3時，邊孔支座要做成拉壓式，以承受負(fù)反力。邊跨跨度可根據(jù)橋址實際情況需要調(diào)整，一般情況下，盡量采用兩側(cè)邊跨跨度相等。邊跨跨度確定在采用懸臂灌筑施工方法時還應(yīng)考慮節(jié)段劃分及盡量減小邊跨支架現(xiàn)澆段長度。

7.2結(jié)構(gòu)尺寸

7.2.1梁高與最大跨徑之比

高速鐵路中小跨度變截面連續(xù)梁的梁高與最大跨徑之比，跨中截面一般為1/15～1/25，支點截面一般為1/10～1/15。西成客運專線中小跨度連續(xù)梁梁高與最大跨徑L之比見表9。

表9　連續(xù)梁梁高與最大跨徑之比

7.2.2底板厚度

底板隨負(fù)彎矩的增大而逐漸加厚至根部，高速鐵路主跨48～100 m連續(xù)梁根部底板厚度一般為根部梁高的1/6.5～1/8，以符合施工和運營階段的受壓要求，并在破壞階段使中性軸盡量保持在底板以內(nèi)；跨中底板厚度一般為0.35～0.45 m，以滿足跨中正負(fù)彎矩變化及板內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋的要求。

7.2.3頂板厚度

頂板厚度應(yīng)滿足橋面橫向彎矩的要求，滿足布置縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的要求。頂板厚度與腹板間距相關(guān)，高速鐵路主跨48～100 m連續(xù)梁頂板厚度一般為0.32～0.45 m。

7.2.4懸臂板長度

原則上取值一般約為腹板間距之半,但高速鐵路中小跨度連續(xù)梁懸臂板長度要受底板寬度和橋面寬度限制。西成客運專線除主跨48 m連續(xù)梁懸臂板長度為2.9 m外，主跨64 m、80 m、100 m連續(xù)梁懸臂板長度均為2.75 m。

7.2.5腹板厚度

一般地，變高度箱梁宜采用直腹板,腹板主要承受截面剪力和主拉應(yīng)力,大跨徑連續(xù)梁腹板寬度宜從跨中向支點逐漸加寬，以承受支點處較大的剪力。西成客運專線連續(xù)梁腹板最小厚度是主跨48 m連續(xù)梁的為40 cm，最大厚度是主跨100 m連續(xù)梁的為90 cm。

7.2.6梗腋

梗腋能提高截面的抗扭剛度和抗彎剛度，減少了扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和畸變應(yīng)力，能減少橋面板的跨中正彎矩，能使力線過渡平緩，減小了次應(yīng)力。構(gòu)造上，利用梗腋所提供的空間便于布置縱橫向預(yù)應(yīng)力筋，也為減薄底板和頂板的厚度提供了構(gòu)造上的保證。西成客運專線主跨48 m、64 m和80 m、100 m連續(xù)梁箱內(nèi)底板與腹板之間梗腋截面尺寸分別為30 cm×30 cm和40 cm×40 cm；主跨48 m和64 m、80 m、100 m連續(xù)梁箱內(nèi)頂板與腹板之間梗腋截面尺寸分別為60 cm×20 cm和90 cm×30 cm。

7.2.7橫隔板

橫隔板主要作用是增加截面的橫向剛度，限值畸變應(yīng)力。箱梁抗彎及抗扭剛度較大，除支點處設(shè)置橫隔板以滿足支座布置及承受支座反力需要外，可設(shè)置少量中橫隔板。當(dāng)支承位于主梁腹板之下時，橫隔板中只需配置一定數(shù)量普通鋼筋。西成客運專線主跨48～100 m連續(xù)梁均僅在支座處設(shè)置橫隔板，邊支座處橫隔板厚度100～140 cm，中支座處橫隔板厚度180～250 cm。

7.2.8支座處加寬

在邊支點和中支點處應(yīng)根據(jù)支座橫向布置距離以及按照規(guī)范支座邊緣距離要求檢算支座處梁底加寬值。西成客運專線主跨48～100 m連續(xù)梁邊支座處采用了10～20 cm橫向加寬值，中支座處采用了40～75 cm橫向加寬值。

8結(jié)束語

由于不同的高速鐵路有不同速度目標(biāo)值、不同軌道類型、不同線路情況、不同跨度要求等，而中小跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通用圖都是有一定的適用條件的，因此，經(jīng)常需要進行中小跨度連續(xù)梁特殊設(shè)計。本文旨在結(jié)合西成客運專線連續(xù)梁設(shè)計情況介紹設(shè)計者關(guān)心的連續(xù)梁設(shè)計主要問題，并未開展關(guān)于連續(xù)梁施工方法選擇、預(yù)應(yīng)力鋼束配置以及收縮徐變控制方面的探討，以期為高速鐵路連續(xù)梁設(shè)計提供借鑒和參考。

參考文獻

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[作者簡介]白琦成(1966～)，男，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，從事橋梁設(shè)計工作。

【中圖分類號】U448.21+5

【文獻標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-12-02