印尼雅萬高鐵時(shí)速350 km簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)研究

蘇 偉,施 威,張 上,馬辰龍,王 琦

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司土建院,天津 300308)

1 概述

1.1 工程概況

雅萬高鐵連接印尼首都雅加達(dá)和西爪哇省省會(huì)萬隆，線路正線長(zhǎng)度142.3 km，其中橋梁長(zhǎng)度86.06 km，是我國(guó)“一帶一路”倡議的重要組成部分[1]。在雅萬高鐵投標(biāo)過程中，考慮其地處高烈度震區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況，針對(duì)高鐵32 m簡(jiǎn)支箱梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化主要包含3個(gè)方面：一是采用大規(guī)格預(yù)應(yīng)力鋼束，將腹板雙排束改為單排束，減少腹板厚度[3]；二是根據(jù)靜力設(shè)計(jì)和動(dòng)力設(shè)計(jì)情況對(duì)梁高進(jìn)行優(yōu)化；三是對(duì)底板厚度和寬度進(jìn)行了優(yōu)化。最終設(shè)計(jì)完成的時(shí)速350 km簡(jiǎn)支箱梁梁體質(zhì)量為696 t，有效降低了地震效應(yīng)，節(jié)省了工程投資。雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁在國(guó)內(nèi)完成了工藝試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)、破壞試驗(yàn)等，驗(yàn)證了各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。為了給雅萬高鐵提供技術(shù)支撐，依托雅萬簡(jiǎn)支梁，原中國(guó)鐵路總公司頒布了鐵路工程建設(shè)通用參考圖—通橋(2018)2326，并在鹽通鐵路全線應(yīng)用。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

雅萬高鐵采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)也執(zhí)行現(xiàn)行的鐵路規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，其具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)設(shè)計(jì)速度：350 km/h。

(2)設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

(3)軌道類型：CRTSⅢ型板式無砟軌道。

(4)線路情況：雙線，正線線間距5.0 m，直、曲線，最小曲線半徑7 000 m，困難時(shí)5 500 m。

(5)施工方法：適用于梁場(chǎng)集中預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)法施工。

(6)環(huán)境類別及作用等級(jí)：一般大氣條件下無防護(hù)措施的地面結(jié)構(gòu)，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用等級(jí)為T2。

(7)養(yǎng)護(hù)維修方式：橋上不設(shè)人行道檢查車，橋面行車時(shí)不允許人員上橋。

(8)設(shè)計(jì)使用年限：主體結(jié)構(gòu)在正常養(yǎng)護(hù)維修條件下設(shè)計(jì)使用年限為100年。

2 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)原則和內(nèi)容

(1)主要建筑材料

混凝土采用C50；普通鋼筋規(guī)格采用HRB400，鋼筋直徑采用印尼當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)；鋼絞線采用公稱直徑15.2 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線；根據(jù)橋位處的地震烈度，支座采用鐵路橋梁球形支座或減隔震支座。

(2)橋面布置

雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁橋面布置與國(guó)內(nèi)高鐵常規(guī)設(shè)計(jì)一致，橋面寬取12.6 m，具體見圖1。

圖1 雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁橋面布置(單位：mm)

(3)二期恒載取值

雅萬高鐵采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，鋼欄桿或者插板式金屬聲屏障，綜合計(jì)算橋面二期恒載在120～150 kN/m，因此，二期恒載按120～130 kN/m、130～140 kN/m、140～150 kN/m分三檔，通過減少每檔二期荷載差值，可以有效減少梁體殘余徐變變形，減小支座噸位，具體二期恒載分檔見表1。

表1 二期恒載分檔

其他各類荷載取值，剛度、強(qiáng)度控制等限值，均按中國(guó)鐵路現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2 截面參數(shù)確定

(1)梁高

簡(jiǎn)支梁梁高采用2.3～2.9 m按0.1 m一級(jí)逐級(jí)進(jìn)行比選[4]，在強(qiáng)度和剛度方面，各級(jí)梁高均滿足要求；2.3 m及2.4 m梁高殘余徐變變形大于7 mm(對(duì)于大規(guī)模預(yù)制簡(jiǎn)支梁，殘余徐變按≯7 mm控制)；各級(jí)梁高均滿足自振頻率最低限值。車橋耦合動(dòng)力仿真分析建議梁高≮2.6 m。按照印尼當(dāng)?shù)夭牧蟽r(jià)格，隨著梁高的減小，造價(jià)也逐步降低。最終，綜合各方意見，雅萬簡(jiǎn)支梁梁高取2.8 m。

(2)板厚

箱梁的腹板厚度不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強(qiáng)度要求，同時(shí)又要提供足夠的抗扭剛度；在受力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，又需保證預(yù)應(yīng)力管道的混凝土保護(hù)層厚度≮1倍管道直徑。簡(jiǎn)支梁采用單排腹板束布置，每束15～19根鋼絞線，管道直徑需100～120 mm，因此腹板厚度采用360 mm。

箱梁頂板除承擔(dān)活載和橋面二期恒載外，還需要考慮日照等溫度荷載作用，結(jié)合受力及以往經(jīng)驗(yàn)，頂板厚度取285 mm。

箱梁底板需要考慮預(yù)應(yīng)力管道布置構(gòu)造需要，兼顧縱橫向鋼筋布置的空間影響，以及單線荷載作用下底板受力需要，底板厚度取270 mm。

(3)截面尺寸

簡(jiǎn)支梁采用等高度單箱單室截面，梁端腹板、底板及頂板向內(nèi)變厚，梁長(zhǎng)為32.6 m，計(jì)算跨度31.5 m，支座中心線至梁端0.55 m。梁高為2.8 m，頂板寬12.6 m，底板寬5.4 m。跨中截面頂板厚0.285 m，腹板厚0.36 m，底板厚0.27 m，在梁端位置頂板變厚至0.55 m，底板變厚至0.7 m，腹板變厚至0.8 m。見圖2。

圖2 梁體橫斷面(單位：cm)

2.3 預(yù)應(yīng)力布置

簡(jiǎn)支梁?jiǎn)闻鸥拱邃撌贾茫總?cè)腹板各布置4根腹板束，規(guī)格為15-7φ5 mm；底板布置9根底板束，規(guī)格為9～11-7φ5 mm。跨中及梁端預(yù)應(yīng)力布置見圖3。

圖3 簡(jiǎn)支梁預(yù)應(yīng)力布置(單位：cm)

2.4 靜力計(jì)算成果

由表2可知，雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁在剛度、梁端轉(zhuǎn)角、殘余徐變上拱值、強(qiáng)度等方面均滿足相關(guān)規(guī)范要求，每孔梁混凝土用量比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)梁減少約37 m3，有效地降低了橋梁結(jié)構(gòu)的地震力。另外每孔梁鋼絞線減少約0.5 t，普通鋼筋減少約0.7 t，造價(jià)減少5萬余元，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

表2 主要計(jì)算指標(biāo)及工程數(shù)量

2.5 三維實(shí)體分析

建立的簡(jiǎn)支梁三維實(shí)體模型，模擬簡(jiǎn)支梁在預(yù)應(yīng)力張拉、正常運(yùn)營(yíng)、運(yùn)架梁、吊梁、雙層疊梁、頂梁等工況下的受力情況。上述工況下，簡(jiǎn)支梁受力均在合理范圍內(nèi)。在終張拉工況下，梁端底板和腹板交接處出現(xiàn)較大主拉應(yīng)力，通過優(yōu)化張拉順序并在此位置設(shè)置650 mm×390 mm的下倒角(圖2)，可將主拉應(yīng)力控制在4.4 MPa左右(圖4)。后期梁場(chǎng)實(shí)際張拉時(shí)，此位置未出現(xiàn)裂縫，解決了既有簡(jiǎn)支梁存在的問題[7]。

圖4 終張拉錨固力+自重工況梁端應(yīng)力云圖

3 車橋耦合動(dòng)力仿真分析

為驗(yàn)證雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁在高速行車時(shí)的動(dòng)力性能，進(jìn)行車橋動(dòng)力仿真分析。分析單位為西南交通大學(xué)[10]、北京交通大學(xué)[11]、中南大學(xué)[12]，分析結(jié)論取3份報(bào)告中最不利的結(jié)果。動(dòng)力仿真分析中采用雅萬高鐵橋墩及基礎(chǔ)，軌道采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，車型采用CRH3、標(biāo)動(dòng)和CRH380，計(jì)算速度為250～420 km/h，不平順譜采用德國(guó)低干擾譜及TB/T 3352-2014《高速鐵路無砟軌道不平順譜》。主要結(jié)果見表3。

表3 簡(jiǎn)支梁動(dòng)力性能參數(shù)

在所有理論計(jì)算工況下，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)；各車車體豎、橫向振動(dòng)加速度；列車行車安全性均滿足規(guī)范要求。CRH3、350標(biāo)動(dòng)客車及CRH380A客車在運(yùn)營(yíng)速度段所有計(jì)算工況(以250～350 km/h通過橋梁)下，列車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上，在檢算速度段所有計(jì)算工況(以375～420 km/h通過橋梁)下，列車的乘坐舒適度均達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)以上。

4 足尺試驗(yàn)梁試驗(yàn)情況

2017年9月起，在漢十高鐵襄陽臥龍制梁廠開展了足尺梁試制，完成了工藝試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)、破壞試驗(yàn)等項(xiàng)目。試驗(yàn)梁水化熱、預(yù)應(yīng)力效果及預(yù)應(yīng)力損失、剛度及抗裂性等均滿足要求。試驗(yàn)梁模擬了正常運(yùn)營(yíng)、吊梁、運(yùn)架梁、頂梁等工況，也均滿足要求[13]。實(shí)測(cè)梁體剛度為1/5 413，實(shí)測(cè)自振頻率為6.86 Hz(未含二期恒載)，均比設(shè)計(jì)值大，這主要是由于混凝土實(shí)際彈性模量較高造成的。試驗(yàn)梁完成了開裂、重裂及2.0倍荷載的破壞試驗(yàn)，雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁開裂時(shí)為1.434倍設(shè)計(jì)荷載，與設(shè)計(jì)抗裂安全系數(shù)1.44吻合。圖5、圖6分別為加載到2.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)的梁體裂縫情況。

圖5 時(shí)速350 km箱梁破壞試驗(yàn)腹板裂縫分布示意(加載至2.0級(jí)，單位：m)

圖6 時(shí)速350 km箱梁破壞試驗(yàn)底板裂縫分布示意(加載至2.0級(jí)，單位：m)

在2.0倍設(shè)計(jì)荷載下，梁體裂縫分布均勻，裂縫形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)正常，梁體未出現(xiàn)混凝土壓潰或預(yù)應(yīng)力鋼絞線斷絲等破壞跡象；卸載后跨中裂縫基本閉合，梁端腹剪斜裂縫有所殘余，梁體撓度基本恢復(fù)。試驗(yàn)梁強(qiáng)度安全系數(shù)滿足要求。

5 BIM技術(shù)應(yīng)用

雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁按照施工圖精度建立了BIM模型(圖7)，解決了梁體各構(gòu)件間的干擾問題。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了普通鋼筋的正向設(shè)計(jì)，即普通鋼筋布置圖由BIM程序完成。在鋼筋圖設(shè)計(jì)中考慮了預(yù)留混凝土振搗棒通道，即方便了現(xiàn)場(chǎng)施工又提高了混凝土工程的加工質(zhì)量。另外，BIM模型中的鋼筋數(shù)據(jù)可直接輸入到數(shù)控加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鋼筋的自動(dòng)化加工，提升鋼筋工程加工質(zhì)量，提高工作效率[9]。

圖7 雅萬簡(jiǎn)支梁BIM模型

6 結(jié)論

綜上所述，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的雅萬高鐵簡(jiǎn)支梁在剛度、結(jié)構(gòu)受力、動(dòng)力性能等方面均滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。雅萬簡(jiǎn)支梁通過采用大噸位錨具，采用較小的截面尺寸，降低了工程數(shù)量，進(jìn)一步提升了簡(jiǎn)支梁的經(jīng)濟(jì)性。簡(jiǎn)支梁完成了車-橋耦合動(dòng)力分析，保證了高速行車的舒適性和安全性。通過足尺試驗(yàn)梁對(duì)簡(jiǎn)支梁在建造，架設(shè)、運(yùn)營(yíng)的各階段受力情況進(jìn)行了試驗(yàn)，特別是完成了2.0倍設(shè)計(jì)荷載的破壞試驗(yàn)，確保了結(jié)構(gòu)安全。在設(shè)計(jì)過程中采用BIM技術(shù)，解決了各構(gòu)件間干擾問題，并實(shí)現(xiàn)了鋼筋自動(dòng)化加工，提高了工作效率和工程質(zhì)量。本簡(jiǎn)支梁在雅萬高鐵及鹽通鐵路均已開始大規(guī)模預(yù)制，部分區(qū)段已完成梁體架設(shè)，其研究方法和經(jīng)驗(yàn)可供類似項(xiàng)目參考。