鐵路橋梁工程應(yīng)用高強鋼筋經(jīng)濟性分析

高 策，林 輝，徐升橋

(1.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院， 北京 100038；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》(國發(fā)[2011]26號)和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃(2011～2015年)的通知》(國發(fā)[2011]47號)要求做好節(jié)能減排工作，加快淘汰落后產(chǎn)能，鐵路工程常用的HRB335級等鋼筋作為落后產(chǎn)能產(chǎn)品已明令淘汰。由于《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)等鐵路行業(yè)設(shè)計規(guī)范中缺少HRB400、HRB500級高強鋼筋的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，給高強鋼筋在鐵路橋梁工程中的推廣應(yīng)用帶來困難。通過開展鐵路工程應(yīng)用高強鋼筋試驗，研究提出了高強鋼筋相關(guān)設(shè)計參數(shù)[1-6]。

圖1 HRB335、HRB400和HRB500鋼筋疲勞容許應(yīng)力對比

1 高強鋼筋疲勞強度[7-10]

根據(jù)高強鋼筋試驗結(jié)果，HRB400、HRB500鋼筋母材及其連接接頭的基本應(yīng)力幅分別為：145 MPa(母材)、130 MPa(閃光對焊)、98 MPa(直螺紋連接)和60 MPa(電弧焊)。HRB400、HRB500鋼筋母材及其連接接頭疲勞強度設(shè)計值(應(yīng)力幅)

[Δσ]=γ1·γ2·γ3·γ4·Δσ0

(1)

式中γ1——應(yīng)力比影響系數(shù)，母材、閃光對焊(取值見表1)，直螺紋連接、電弧焊γ1取1.0；

γ2——鋼筋直徑影響系數(shù)；

γ3——鋼筋強度等級系數(shù)；

γ4——疲勞損傷系數(shù)。

γ2、γ3、γ4取值見表2。

表1 γ1應(yīng)力比影響系數(shù)

表2 γ2，γ3和γ4系數(shù)值

直徑16、20 mm等部分HRB400鋼筋金相和晶粒度檢驗結(jié)果見表3。

HRB335、HRB400和HRB500鋼筋主力作用下母材及接頭的疲勞容許應(yīng)力對比如圖1所示。HRB400、HRB500鋼筋隨應(yīng)力比增大，相對HRB335鋼筋的經(jīng)濟性也隨著提升。應(yīng)力比大于0.4以后，采用HRB400、HRB500鋼筋能有效提升橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性。

表3 部分HRB400鋼筋金相和晶粒度檢驗結(jié)果

研究也發(fā)現(xiàn)，對于HRB400、HRB500鋼筋，當(dāng)直徑<20 mm時，應(yīng)優(yōu)先考慮閃光對焊連接；直徑≥20 mm時，應(yīng)優(yōu)先考慮直螺紋連接。

2 梁部結(jié)構(gòu)采用高強鋼筋經(jīng)濟性分析

2.1 簡支T梁(重載鐵路)采用高強鋼筋經(jīng)濟分析

山西中南部鐵路通道和蒙西至華中鐵路通道的梁部結(jié)構(gòu)主要采用跨度32 m簡支T梁[11]。山西中南部鐵路T梁截面如圖2所示，蒙西至華中鐵路T梁截面如圖3所示，每孔(雙線)預(yù)制梁工程數(shù)量對比如圖4所示。

圖2 山西中南部鐵路通道截面(單位：mm)

圖3 蒙西至華中地區(qū)鐵路通道截面(單位：mm)

圖4 每孔梁(雙線)預(yù)制部分工程數(shù)量對比

由圖4可知，與采用HRB335的山西中南部鐵路32 m 簡支T梁相比，采用HRB400鋼筋的蒙華鐵路混凝土用量基本相同，但每孔梁節(jié)省鋼筋4.5 t，節(jié)省約12.3%。

2.2 簡支箱梁(高速鐵路)采用高強鋼筋經(jīng)濟分析

時速350 km無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁在高速鐵路橋梁建設(shè)中廣泛應(yīng)用，通橋(2013)2322使用HRB335鋼筋，其32 m簡支箱梁(雙線)截面如圖5所示[12-13]。簡支箱梁分別采用HRB400、HRB335的工程數(shù)量對比如圖6所示。

圖5 簡支箱梁截面(時速350 km無砟軌道)(單位：mm)

圖6 每孔梁(雙線)預(yù)制簡支箱梁部分工程數(shù)量對比

由圖6可知，跨度32 m雙線簡支箱梁采用HRB400鋼筋后，混凝土用量和采用HRB335相同，但每孔梁可節(jié)省鋼筋4.9 t，節(jié)省約8.4%。

2.3 簡支T梁(客貨共線鐵路)采用高強鋼筋經(jīng)濟分析

時速200 km客貨共線鐵路多采用預(yù)制后張法簡支T梁，其中，通橋(2012)2201設(shè)計活載為“中-活載”，單線采用2片T梁，雙線采用4片[14-15]，多片T梁采用橋面板及橫隔板連接的措施聯(lián)成整體，在隔板處施加橫向預(yù)應(yīng)力。時速200 km客貨共線鐵路單線、雙線簡支T梁截面如圖7所示。通橋(2012)2201通用參考圖采用的是HRB335級鋼筋，當(dāng)采用HRB400級高強鋼筋后，以跨度32 m簡支T梁為例，鋼筋用量對比如圖8所示。

圖7 時速200 km簡支T梁截面(單位：mm)

圖8 跨度32 m每孔梁普通鋼筋用量對比

跨度32 m 簡支T梁采用HRB400鋼筋，與采用HRB335鋼筋相比，單線每孔梁節(jié)省鋼筋1.2 t(節(jié)省約7.7%)，雙線每孔梁節(jié)省鋼筋2.1 t(節(jié)省約7.0%)。

綜上所述，鐵路橋梁梁部結(jié)構(gòu)采用HRB400高強鋼筋，相對于采用HRB335級鋼筋，鋼筋用量可節(jié)省7%以上。

3 橋梁下部結(jié)構(gòu)采用高強鋼筋經(jīng)濟分析

京張鐵路沙城東沙河大橋全長456.06 m，孔跨布置為5-32 m簡支梁+2-20 m簡支梁+1-32 m簡支梁+2-20 m簡支梁+5-32 m簡支梁。橋墩采用圓端形橋墩，墩身尺寸6 m(橫)×2 m(縱)，橋墩構(gòu)造如圖9所示。全橋共14個橋墩，墩身主筋分別按HRB335、HRB400、HRB500鋼筋配筋，橋墩部位工程數(shù)量對比見表4。

通過橋墩部位工程量對比分析可知：

(1)當(dāng)Ag=0.2g，Tg≤0.45 s時，采用HRB400鋼筋的橋墩比采用HRB335鋼筋的橋墩節(jié)省鋼筋4.7 t，節(jié)省約14.3%；采用HRB500鋼筋的橋墩比采用HRB335鋼筋的橋墩節(jié)省鋼筋10.2 t，節(jié)省約30.9%；采用HRB500鋼筋的橋墩比采用HRB400鋼筋的橋墩節(jié)省鋼筋5.5 t，節(jié)省約19.3%。

表4 橋墩部位工程數(shù)量對比 kg

注：根據(jù)GB50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》第7.5.14條“7度及以上地區(qū)橋墩宜設(shè)置護(hù)面鋼筋，豎向鋼筋直徑不宜小于16 mm，間距不宜大于20 cm”，當(dāng)主筋采用HRB400和HRB500鋼筋時，鋼筋用量相同。

圖9 橋墩構(gòu)造(單位：cm)

(2)當(dāng)Ag=0.15g，0.45 s

(3)當(dāng)Ag=0.15g，Tg≤0.45 s時，采用HRB400、HRB500鋼筋的橋墩比采用HRB335鋼筋的橋墩節(jié)省鋼筋1.9 t，節(jié)省約12.6%。

綜上所述，鐵路橋墩采用HRB400、HRB500高強鋼筋相對于采用HRB335鋼筋，鋼筋用量可以節(jié)省12%以上，在地震高烈度區(qū)等特定情況下，可以節(jié)省更多鋼筋用量。

4 結(jié)論

(1)鐵路橋梁梁部結(jié)構(gòu)采用高強鋼筋可以減少鋼筋用量，采用HRB400鋼筋比采用HRB335鋼筋節(jié)省鋼筋約7%以上。

(2)鐵路橋墩采用HRB400、HR500鋼筋可以減少鋼筋用量，與采用HRB335鋼筋相比，節(jié)省鋼筋用量12%以上。節(jié)省鋼筋的數(shù)量與抗震等級、場地類別相關(guān)，地震烈度越高的地區(qū)，采用高強鋼筋經(jīng)濟性越好。

(3)HRB400、HR500高強鋼筋價格與HRB335鋼筋相差不大，且設(shè)計方法與原則基本相同，鐵路橋梁采用HRB400、HR500級高強鋼筋將顯著提升鐵路橋梁的經(jīng)濟性，節(jié)省工程投資。