客運專線鐵路非標準線間距簡支箱梁設計研究

李方柯

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京　102600)

1　工程概況

新建連云港至鎮江鐵路為時速250 km客運專線鐵路，雙線，線間距4.6 m，有砟軌道。區間設計以橋梁工程為主，上部結構主要采用鐵路總公司發布的32 m雙線(線間距4.6 m)預制后張法預應力混凝土簡支箱梁。

連鎮鐵路在淮安地區與徐(州)鹽(城)鐵路交匯，四線并行，采用方向別(連鎮鐵路外包徐鹽鐵路)引入引出淮安客運站。橋梁上部結構采用兩片雙線簡支箱梁并置方案，單片梁上兩線分屬連鎮鐵路和徐鹽鐵路，為滿足養護維修的需要和營業線施工安全管理的相關規定，線間距采用5.3 m[1]。

淮安地區按線間距5.3 m設計的簡支箱梁共計439孔，約占雙線梁總數的15%。為提高梁部施工質量，降低成本(表1)，加快施工進度，本線設計采用線間距5.3 m的預制簡支箱梁，以滿足建設需要。

表1　線間距5.3 m梁經濟性對比

2　箱梁設計

2.1　設計理念

自秦沈客運專線建設以來，國內針對客運專線鐵路簡支箱梁的結構選型和技術參數進行了大量的研究工作[2-12]，形成了成熟的簡支箱梁設計、施工成套關鍵技術，本線非標準簡支箱梁在設計時應充分吸取和借鑒這些成功經驗。

按照本線施工組織設計，線間距5.3 m箱梁所在的梁場需同時生產110余孔、線間距4.6 m標準梁，以及470余孔單線梁，且架梁順序交叉。若考慮非標準箱梁施工設備單獨制造和使用，制梁臺座和模板數量繁多，梁場龐雜，成本高，設備利用效率低。

因此，考慮設計的傳承性和施工設備的通用性，本線線間距5.3 m箱梁設計時，其外形和細部尺寸應盡量和線間距4.6 m標準梁保持一致。

2.2　箱梁構造

線間距5.3 m箱梁梁長32.6 m，計算跨度31.5 m。箱梁截面以鐵總發布的32 m、線間距4.6 m標準梁為基礎，按照線間距的變化調整箱室寬度確定，其板件尺寸及變化規律和標準梁保持一致，如圖1、圖2所示。主要結構參數對比見表2。

圖1　線間距4.6 m標準梁截面示意(單位：mm)

圖2　線間距5.3 m簡支箱梁截面示意(單位：mm)

梁型截面中心梁高/m梁寬/m支座間距/m梁重/t標準梁2.68612.24.4714.8線間距5.3m梁2.69312.95.1768.8

箱梁橋面設施布置與標準梁類似，擋砟墻隨箱室拉寬向外側移動，內側凈寬9.7 m(標準梁為9 m)，擋砟墻內側道砟相應加寬，外側橋面設施布置與標準梁保持一致。

箱梁縱向預應力鋼束的整體布置形式和數量與標準梁相同，鋼束主要采用13-φj15.2 mm預應力鋼絞線(標準梁主要采用12-φj15.2 mm預應力鋼絞線)。預施應力按預張拉、初張拉和終張拉三個階段進行。

箱梁鋼筋布置和標準梁基本一致。考慮到箱梁頂板橫向跨度加大，其橫向主筋較標準梁進行部分加強。

箱梁吊點間距擬調整至4.5 m，緊貼腹板以避免出現吊梁裂紋。

2.3　結構檢算

根據規范[12-15]要求，對箱梁在預加應力、運送、安裝和運營階段的強度、抗裂性、應力、裂縫寬度、變形等指標進行檢算，計算采用西南交通大學橋梁結構分析系統BSAS。

經檢算，預加應力、傳力錨固、運送安裝等階段的梁體強度、抗裂性、混凝土和鋼絞線應力均滿足規范要求；運營階段梁體強度、應力、變形等指標滿足要求(表3)，梁體橫向的鋼筋應力和裂縫寬度亦滿足要求。

箱梁在曲線、有聲屏障情況下的自振頻率為3.752 Hz，滿足規范不進行動力仿真分析的頻率條件。

表3　箱梁主要設計指標

3　關鍵技術研究

3.1　剪力滯后效應

充分考慮剪力滯后效應是準確得到箱梁應力的關鍵。線間距5.3 m箱梁較標準梁箱室更寬，頂、底板剪力滯后效應將更為顯著。為準確得到箱梁在各種工況下的上下緣應力，桿系計算時參照規范對箱梁的頂、底板和翼緣板計算寬度進行折減[15]；同時，采用ANSYS和Midas FEA程序對箱梁進行實體計算，計算結果見表4、圖3。

表4　各程序箱梁跨中位置應力對比　MPa

計算結果表明，各程序計算得到的箱梁上下緣應力基本一致，采用桿系軟件計算得到的箱梁應力是可靠的。

圖3　箱梁主力作用下應力分布(單位：Pa)

3.2　梁端局部應力

在預施應力過程中，箱梁梁端特別是腹板與底板連接處、進人孔倒角等位置易出現較大拉應力，導致混凝土開裂。線間距5.3 m箱梁采用鋼束規格較標準梁大，預施力總量高，對梁端局部受力不利，應針對預施應力過程進行精細計算。

采用Midas FEA程序，對線間距5.3 m箱梁和標準梁的預施應力過程進行全過程實體分析。計算結果顯示，預施應力過程中梁端最大應力出現在進人孔倒角位置，各階段最大應力如圖4所示。

圖4　預施應力階段進人孔倒角主拉應力曲線

從計算結果可以看到，預施應力過程中，線間距5.3 m梁梁端進人孔倒角位置的主拉應力變化趨勢和標準梁類似，最大主拉應力為3.09 MPa，出現在終張拉階段，較標準梁偏高。設計考慮加強進人孔倒角處鋼筋配置，將進人孔倒角處鋼筋加強為雙根一束。

3.3　制梁模板通用問題

線間距5.3 m箱梁設計時考慮外形、板件尺寸及變化規律與標準梁保持一致，僅橫向寬度差70 cm。制梁內、外模板按橫向可調節設計，模板設70 cm橫向調節塊，成本低，操作簡單，可根據制梁類型快速調整，滿足了線間距5.3 m箱梁和標準梁交叉制造的問題，效率顯著提高，如圖5、圖6所示。

圖5　可調式外模

圖6　可調式內模

3.4　存梁階段溫度影響

箱梁預應力鋼束張拉完畢進入存梁狀態時，由于橋面設施尚未施工，頂板壓應力儲備小、溫度應力大，易出現溫度裂紋。

對線間距5.3 m梁和標準梁分別進行存梁狀態頂板溫度應力計算。溫度按沿梁高和梁寬方向組合，溫差按指數梯度考慮，基本計算溫度取8 ℃，計算結果見表5。

表5　存梁階段溫度應力計算結果　MPa

計算結果顯示，存梁階段線間距5.3 m箱梁頂板的正應力和主拉應力和標準梁基本相當，均低于開裂應力，出現溫度裂紋可能性低。

3.5　運梁階段分析

梁場實際采用DCY900型運梁車，共4個支撐點，縱向間距30 m，橫向間距3.2 m。線間距5.3 m箱梁較標準梁箱室更寬，采用相同運梁車時底板受力更不利，需對運梁狀態下箱梁的受力進行精細計算。

線間距5.3 m箱梁和標準梁運梁狀態梁體最不利應力計算結果見表6。計算結果表明，線間距5.3 m箱梁在運梁狀態的梁體受力較標準梁更為不利，但應力值滿足規范要求，不需額外采取措施。

表6　運梁狀態應力計算結果　MPa

3.6　吊梁階段分析

前述為滿足制梁模板的通用性，線間距5.3 m箱梁吊點間距擬調整至4.5 m(緊貼腹板)。梁場現有的提梁機和架橋機吊點間距均為3.8 m，且線間距5.3 m箱梁和標準梁架設順序交叉，若改造提梁機和架橋機吊點間距，使其同時滿足不同吊點間距需要，周期長、風險高、實施難度大。因此線間距5.3 m箱梁設計仍采用3.8 m的吊點間距。

根據實體計算，當線間距5.3 m梁吊點間距由4.5 m調整至3.8 m時，箱梁上梗肋位置和第二吊點吊孔頂部的主拉應力顯著增大，如表7所示。

表7　吊梁狀態應力計算結果

根據現場實體試驗梁的試吊情況，當吊點間距為3.8 m時，梁端3 m范圍內沿頂板、腹板連接處出現細小裂紋，如圖7所示。

圖7　吊梁裂紋示意

為減小或避免吊梁裂紋，設計采取加強吊點鋼板、應力超限區域鋼筋加強、出現裂紋處改設大倒角等措施，效果不甚理想。吊梁狀態頂、腹板連接處受拉的力學狀態僅靠結構自身較難解決。

經多方案比較后，設計考慮采用在吊孔附近增設臨時體外預應力的方案，并選取預應力布置在靠腹板側(圖8)和靠梁中線側(圖9)兩種方案進行對比。

方案1中體外預應力更接近梁體開裂位置，但體外預應力與縱向預應力孔道或制梁內模沖突，且斜腹板處體外預應力孔道較難處理。

圖8　體外預應力方案1布置示意(單位：mm)

圖9　體外預應力方案2布置示意(單位：mm)

方案2中體外預應力遠離梁體開裂位置，力臂長，對開裂位置的預壓效果好，且與梁體內各部件均不沖突，孔道處理較為容易。選取方案2作為推薦方案。

綜合考慮箱梁的整體受力，體外預應力采用8根φ32 mm的預應力螺紋鋼筋，縱向與吊孔位置對齊，橫向距箱梁結構中心線1.425 m，預加力300 kN。根據實體計算結果，增設體外預應力后，箱梁上梗肋位置的主拉應力降低至約3.1 MPa(低于標準梁)，其他部位的應力均滿足要求。根據實體試驗梁吊梁測試，吊梁時裂縫寬度值滿足規范要求。

體外預應力在梁底用螺母錨固，防落梁預埋鋼板在對應位置開孔并作為錨墊板使用；在梁頂采用千斤頂通過馬凳裝置進行張拉。箱梁架設到位后拆除體外預應力并壓漿填實孔道。整個過程操作方便，預應力可重復使用，成本低、效率高，對箱梁預制影響較小。

3.7　架梁階段分析

梁場實際采用的架橋機為DF900型，其中支腿間距為6 m(標準梁為5.1 m)。對于本設計箱梁，架橋機中支腿基本作用在腹板中心位置(圖10)，傳力通暢。

圖10　架橋機中支腿作用位置示意(單位：mm)

根據對線間距5.3 m箱梁和標準梁的架梁全過程實體計算，箱梁最大主拉、主壓應力出現在架橋機第二吊點起吊工況，對應計算結果見表8。可以看到，線間距5.3 m箱梁架梁時，最大主拉、主壓應力和線間距4.6 m標準梁基本相當，滿足規范要求。

表8　架梁狀態應力計算結果

4　試驗梁情況簡介

為驗證線間距5.3 m簡支箱梁的結構設計，測試箱梁與現有施工設備的協調性，開展了首孔實體試驗梁測試試驗工作。對實體試驗梁分別進行了靜載彎曲試驗、預施應力測試、橋面板受力性能測試、吊梁工況箱梁受力測試、架梁梁端應力測試等。見圖11～圖14。

圖11　箱梁靜載彎曲試驗

圖12　吊梁工況受力測試

圖13　橋面板受力測試

圖14　特種活載工況測試

試驗結果表明：箱梁在預應力施加過程中，產生的預應力效果滿足設計要求；存梁過程中，監測到的日照溫差荷載引起的橋面板混凝土拉應力較小，結構受力安全；設計特種活載下，橋面板拉應力滿足規范要求；試驗梁的強度、抗裂性及應力合格，滿足規范和設計要求；張拉體外預應力有效減小了吊梁裂紋，改善了吊梁過程中箱梁梁端結構受力狀態。

5　結語

近年來國內客運專線鐵路快速發展，非標準線間距簡支箱梁日益增多，線間距也不盡相同，實際施工中往往還存在各種線間距梁型集中制造、交叉架設的情況。針對連鎮鐵路線間距5.3 m簡支箱梁的設計研究表明：線間距5.3 m簡支箱梁結構受力安全，能夠滿足和線間距4.6 m標準梁統一制造、存放、運送、吊裝、架設的需求，成本大幅降低，施工效率顯著提升；在小幅調整現有施工設備的情況下，實現非標準線間距簡支箱梁的批量預制以及與標準梁的統一施工是安全、經濟、可行的。

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