高速鐵路5×50 m鋼箱-混凝土連續結合梁設計研究

張　帥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津　300142)

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高速鐵路5×50 m鋼箱-混凝土連續結合梁設計研究

張帥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津300142)

連續結合梁作為將鋼與混凝土相組合共同參與工作的體系，受力十分復雜，應用中要確保結構具有良好的靜力、動力性能。以某高速鐵路5×50 m鋼箱-混凝土連續結合梁為工程背景，介紹設計時對負彎矩區處理、橋面板預應力施加、混凝土徐變和活載效應、動力性能等重點問題的計算和分析，研究表明，通過調整施工順序、采用合理的徐變及活載計算方法、底板鋪設混凝土等措施，可使結構各項指標滿足要求。

高速鐵路；鐵路橋梁；連續梁；結合梁；負彎矩區處理；混凝土徐變；動力性能；設計

1　概述

結合梁作為通過剪力連接件將鋼板、鋼箱等結構構件和混凝土結合成組合截面共同工作的一種復合式結構[1-3]，在公路、城市道路中應用較多，而在鐵路工程尤其是高速鐵路工程中應用較少，簡支結合梁能發揮混凝土受壓、鋼材受拉的優勢，而連續結合梁在受力、構造、分析方法上都較為復雜。

本梁線路標準為時速350 km客運專線，雙線，無砟軌道，位于直線及平坡上，跨越河道處斜交角度為26°，水深7.2 m，主槽內及河堤上不允許設墩、河中需采用圓形墩并盡量減少下部結構工程量，且防汛期間河中不允許搭設支架，結合現場地形等具體情況，橋梁孔跨形式采用5×50 m鋼箱-混凝土連續結合梁。

2　結構形式

本梁由鋼箱梁和鋼筋混凝土橋面板組成，通過剪力釘將兩者連接起來共同參與結構受力。

梁部采用等高度形式，總高4 m，鋼箱梁采用Q370qD，截面為單箱雙室閉口截面，頂寬12.8 m，底寬6.8 m，頂、底板厚20～32 mm，腹板厚16～20 mm，頂底板設連續縱向加勁肋，腹板設豎向加勁肋和水平加勁肋，4 m左右設1道橫隔板，在兩線線路中心線下方各設1道通長的小縱梁，鋼箱梁采用頂推拖拉法施工[4-6]。

橋面板為采用分塊預制及后澆濕接縫的形式，預制橋面板縱向3～5 m一段，預制節段間設后澆帶，同時在預制板范圍預留剪力釘槽，預制板采用C55混凝土，橋面板濕接縫及剪力釘槽采用C55微膨脹混凝土。橋面板采用等截面，寬12.8 m，中部高0.4 m，懸臂端部高0.25 m。待鋼梁就位后，分段安裝預制橋面板，澆筑濕接縫及剪力釘槽成橋。在鋼箱梁底板內側鋪設C30混凝土，并通過剪力釘同底板相連。

鋼梁和橋面板之間通過剪力釘連接，鋼箱梁頂面焊接φ22×220 mm剪力釘，材料為ML15。梁部立面及典型斷面見圖1、圖2。

圖1　5×50 m鋼箱-混凝土結合梁立面(單位：mm)

圖2　鋼箱-混凝土結合梁梁體橫斷面(單位：mm)

3　結構計算及相關問題分析

3.1負彎矩區的處理方法分析

同簡支結合梁不同，連續結合梁負彎矩區橋面板將承受拉力，對于負彎矩區橋面板受拉的處理是設計難點，一般有兩種處理方案：一是張拉預應力鋼束不允許混凝土開裂；二是允許開裂但采用高配筋控制裂縫寬度。

兩種處理方案在分析方法上有所不同，采用張拉預應力鋼束方案不考慮橋面板開裂時，計入橋面板的作用；采用高配筋方案時中支點兩側跨度各15%范圍內受拉橋面板不參與工作，但其有效寬度內的縱向受拉鋼筋可以計入。

采用高配筋方案，施工簡單，受力明確，通過配置一定比例的鋼筋能有效限制裂縫寬度，在極限狀態下能有效抵抗外荷載；采用張拉預應力鋼束方案，經過試算能有效減少橋面板拉應力，甚至能確保全梁橋面板處于不開裂狀態，但構造較復雜，需配置大量預應力鋼束，同時預應力效應受鋼梁影響，效率低、后期損失大，錨頭處對剪力釘影響較大；故本梁采用高配筋方案。

3.2橋面板施加預應力方法

為減少混凝土橋面板拉應力，對橋面板施加預應力一般可采用以下措施[7-10]。

(1)調整橋面板施工順序：先跨中后支點，減少跨中橋面板自重對支點負彎矩影響。

(2)支點位移法：支點頂升后澆筑橋面板，再通過支點下降施加預應力。

(3)在混凝土橋面板中布置預應力鋼束。

(4)預加載法：在跨中區段進行預加載，澆筑支點混凝土再卸載。

(5)在鋼梁內施加體外預應力。

本梁在設計時采用上述的(1)、(2)兩種措施施加預應力。

3.2.1橋面板施工順序

橋面板施工順序為先澆跨中和邊跨混凝土橋面板，后澆支點處橋面板，以減少支點負彎矩，分別按照混凝土一次澆筑和分段澆筑，通過調整橋面板施工順序，混凝土鋪設完成后，負彎矩區拉應力可降低1.7 MPa。

3.2.2支點位移法方案

(1)支點頂升順序

對于多跨連續結合梁頂升順序可以分多種，可以逐支點頂落，可先頂落中支點再頂落次中支點，也可全部頂升后先后下落。

通過比選，本梁采用的支點頂落順序是：頂升中支點和次中支點鋼梁—施工各中跨跨中橋面板(6 m范圍)和邊跨橋面板(10 m范圍)—施工中支點橋面板—鋪設次中支點底板混凝土(15 m范圍)—下降中支點—在次中支點頂升狀態下施工次中支點橋面板—施工邊跨跨中橋面板(10 m范圍)—鋪設中支點底板混凝土(15 m范圍)—下降次中支點—施工其余底板混凝土、二期恒載等，梁體橋面板施工順序見圖3。

圖3　橋面板施工順序(單位：cm)

(2)支點頂升量

頂升量方案1：中支點頂升0.7 m，次中支點頂升0.25 m。

頂升量方案2：中支點頂升0.6 m，次中支點頂升0.2 m。

隨著頂升量的增大，可對橋面板施加更大的預壓應力，從而減少運營狀態下橋面板的拉應力，方案1比方案2橋面板拉應力最大可減小0.46 MPa，但同時造成施工階段鋼梁下緣壓應力過大，因此頂升量選擇方案2。

(3)頂梁效應分析

通過支點頂升后下落可以對橋面板施加預壓應力，但后期預應力損失比較大。不采用頂梁以及頂梁時成橋階段橋面板應力計算結果見圖4。采用頂升量方案2時，計算直接施加到橋面板的應力達到 5.4 MPa，從而有效降低普通鋼筋配置。

圖4　不頂梁及不同頂梁高度橋面板應力

3.3混凝土徐變效應計算方法

橋面板混凝土隨時間推移會發生徐變，徐變會引起鋼梁和橋面板之間應力重分布，對于連續結合梁，還會引起內力重分布，徐變作用對橋面板受力較大，為準確計算徐變對結構受力影響，本梁設計時采用兩種不同的徐變效應計算方法，即采用有效彈性模量法分別計算各荷載類型對應的徐變效應進行疊加，以及采用徐變系數法單獨計算徐變影響。

分別按彈性模量比n=21計以及徐變系數終極值1+φ=2.5計算，得到兩種徐變計算方法橋面板及鋼梁應力見圖5～圖7。

圖5　兩種徐變計算方法橋面板應力

圖6　兩種徐變計算方法鋼箱梁上緣應力

圖7　兩種徐變計算方法鋼箱梁下緣應力

由圖5～圖7可知，兩種方法考慮徐變效應橋面板的應力總體相差不大，對鋼梁應力結果影響很小，而第二種方法不僅能計算成橋后徐變效應，且便于考慮施工階段橋面板分段澆筑時，橋面板齡期不同對徐變效應的影響，因此，本梁采用徐變系數法考慮施工階段和成橋后混凝土徐變效應對結構受力的影響。

3.4活載效應

混凝土在多次重復荷載作用下產生殘余變形，對于考慮此效應后的活載彈模比《鐵路鋼-混凝土結合梁設計規范》(TBJ24—89)規定采用n=10，《鐵路橋涵極限狀態法設計暫行規范》根據不同的混凝土強度等級采用疲勞模量，C55混凝土對應彈模比約為n=12.2。歐洲規范、德國規范等規定將活載計算時視為短期荷載，不考慮使用折減的彈模比，即n=6。不同規范對活載效應考慮方法不盡相同。

而通過對活載作用下彈模比進行試驗等研究[11-12]，得到了類似結論，活載短期作用下混凝土的彈模為瞬時彈性模量，活載多次重復荷載作用下瞬時彈性模量基本不變，但會引起殘余變形，設計時必須考慮這部分殘余變形。

本梁設計時對活載作用彈模比不進行折減n=6，考慮活載引起的殘余變形時采用加大恒載徐變系數的方法，根據本梁所處環境，推算恒載彈模比n=21。

按照恒載彈模比n=21，活載彈模比n=6以及按照恒載彈模比n=15，活載彈模比n=12.2，計算得到橋面板應力見圖8～圖10，第一種方法橋面板計算結果普遍比后者大，最大差值約1.8 MPa，對橋面板設計偏于安全，對鋼梁應力計算結果影響不大。

圖8　兩種彈模比取值時橋面板應力

圖9　兩種彈模比取值時鋼箱梁上緣應力

圖10　兩種彈模比取值時鋼箱梁下緣應力

3.5動力性能

本梁位于高速鐵路無砟軌道段，對行車平順性、舒適性等要求較高，結構不僅要關注截面強度、變形等，還要注重結構自振頻率等動力性能[13]。

采用空間有限元建立全橋動力分析模型，對橋梁在CRH3、CRH2客車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析，評價了該橋梁方案的動力性能及列車運行安全性與平穩性，并比較了鋼箱梁鋪設底板混凝土與不鋪設底板混凝土兩種方案結構動力響應，研究表明：

(1)鋪設底板混凝土基頻，梁體一階豎向頻率2.734 Hz；不鋪設底板混凝土基頻，梁體一階豎向頻率2.574 Hz。鋪設底板混凝土后梁體豎向頻率有所提高。

(2)在國產CRH3動力分散式車組以速度180～420 km/h運行時，鋪設底板混凝土跨中橫向和豎向振動位移最大值分別為0.481、3.233 mm，跨中橫向和豎向振動加速度最大值分別為0.055、0.474 m/s2；不鋪設底板混凝土時跨中橫向和豎向振動位移最大值分別為0.479、3.173 mm，跨中橫向和豎向振動加速度最大值分別為0.059、0.499 m/s2。鋪設底板混凝土后，橋梁位移響應相差不大，橋梁加速度響應略有減小。各跨的豎向和橫向振動位移較小，豎向和橫向振動加速度均小于規范規定的限值，說明本橋的振動性能良好。

(3)國產CRH3、CRH2客車以速度180～420 km/h通過時，兩種方案動車與拖車的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內，保證了高速列車的行車安全。

(4)兩種方案國產CRH3動力分散式車組以速度180～420 km/h通過時，豎向和橫向舒適性達到“優良”、“良好”；CRH2動力分散式車組以速度180～250 km/h通過時，豎向、橫向舒適性均達到“優良”，CRH2動力分散式車組以速度275～420 km/h通過時，豎向舒適性達到“優良”，橫向舒適性達到“良好”、“合格”。

由此可見，本梁在鋪設底板混凝土后結構動力性能有所改善，經綜合比選，采用鋪設底板混凝土方案，同時結構各項響應指標滿足高速鐵路無砟軌道行車要求，確保了高速行車的安全、穩定和舒適。

4　結語

連續結合梁具有跨越能力強、適應范圍廣、施工時對環境干擾小等優點[14-15]。通過對5×50 m鋼箱-混凝土連續結合梁設計時相關問題的計算和分析，得到以下結論。

(1)通過對多跨連續結合梁橋面板施工順序優化，采用合適的支點頂升順序和支點頂升量，可為負彎矩區橋面板施加預壓應力，從而改善成橋后橋面板受力，降低配筋率。

(2)混凝土徐變效應對結構內力及應力重分布影響較大，應準確考慮施工階段和成橋后混凝土徐變效應對結構受力的影響。

(3)根據相關規范及試驗研究表明，活載多次重復荷載作用下混凝土瞬時彈性模量基本不變，本梁設計時按照增大恒載彈模比的方法考慮活載引起的殘余變形，對橋面板設計偏于安全。

(4)通過對梁體進行動力仿真，表明結構動力性能滿足高速行車安全性和乘坐舒適性的要求。

[1]吳沖.現代鋼橋(上冊)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]鐵道專業設計院.鋼橋[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[3]辛學忠，張曄芝.我國鐵路鋼-混凝土結合梁橋技術發展思考[J].橋梁建設，2007(5):12-16.

[4]孫宗磊.津濱輕軌50 m簡支鋼混結合梁設計[J].鐵道標準設計，2003(8):48-50.

[5]孫玉春.頂拉法架設多孔結合梁施工技術[J].鐵道標準設計，2000(6):103-105.

[6]胡喜峰，等.秦沈客運專線跨305國道特大橋鋼混結合梁原位拼接法施工[J].鐵道標準設計，2002(1):41-43.

[7]郭子俊，等.北京地鐵5號線連續結合梁橋上部結構設計[J].鐵道標準設計，2006(2):41-42.

[8]高建偉.用支座位移法對組合梁橋施加預應力[J].公路，2005(2):16-22.

[9]聶建國.鋼-混凝土組合結構橋梁[M].北京：人民交通出版社，2011.

[10]邵長宇.梁式組合結構橋梁[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[11]陳玉驥，葉梅新.結合鋼桁梁活載作用下鋼與混凝土彈性模量比的試驗研究[J].鐵道學報，2001(3):76-81.

[12]謝紅兵，秦順全.結合梁鋼與混凝土彈模比取值的探討[J].橋梁建設，1999(2):15-17.

[13]劉敬棉.京津城際軌道交通跨京山鐵路小三線結合梁設計[J].鐵道標準設計，2007(2):24-26.

[14]彭嵐平.秦沈客運專線連續結合梁設計[J].鐵道標準設計，2001(9):18-20.

[15]楊金梁.淺析預應力混凝土連續箱梁與鋼混結合梁的優劣[J].鐵道工程學報，2005(2):16-18.

Design and Research of 5×50 m Steel Box-concrete Composite Continuous Girder for High-speed Railway

ZHANG Shuai

(Bridge Engineering Design and Research Department， The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Continuous composite girder is the system acting jointly by steel and concrete， thus its stress conditions are very complicated and good static and dynamic performances are required. With reference to the steel box-concrete composite continuous girder with span of 5×50 m on a high-speed railway line， this paper introduces the computation and analysis of the negative moment area， the application of prestressed concrete slab， the effects of concrete creep and live load， the dynamic performances. The research results show that every single index in the continuous composite girder can be met by means of adjusting the construction order of concrete slab， using rational computation of creep and live load and laying concrete on the base plate of steel box and so on．

High-speed railway; Railway bridge; Continuous girder; Composite girder; Treatment of negative moment area; Concrete creep; Dynamic performance; Design

2016-02-28；

2016-03-20

張帥(1986—)，男，工程師，2010年畢業于天津大學，工學碩士，E-mail：zhangshuai01@tsdig.com。

1004-2954(2016)09-0059-04

U442.5； U448.21+6

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.013