客貨共線鐵路箱梁裝配式橋面系設計研究

尹京 李旺旺 陳勝利

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

裝配式技術起源于19世紀的歐洲，而后逐步推廣到美國、加拿大、日本等國［1］。第二次世界大戰以后，由于裝配式結構的建造速度快，而且生產成本較低，迅速在世界各地推廣開來［2-5］。我國早年由于裝配式建筑的隔音、防水、節點抗震等關鍵技術沒有得到很好解決，阻礙了裝配式結構在我國的發展。隨著2007年我國住宅產業化的推進，行業再次聚焦到以PCa 裝配式技術為主的工業化生產方式［6-10］。裝配式技術的關鍵問題是節點或斷面的連接問題，主要連接方法有：現澆濕接縫或灌漿口連接、灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、預應力筋連接等。

國辦發〔2016〕71 號《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》指出，發展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措。預制拼裝法作為橋梁綠色環保建設的代表工法，不僅可以促進傳統產業的轉型升級，還能降低勞動成本，節約建筑材料，降低能耗，減少揚塵，對環境干擾小，滿足節能環保的要求。因此，對該施工方法和核心技術進行深入研究并實施產業化具有重要意義，也是貫徹我國十三五“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念。

我國客貨共線鐵路橋梁橋面附屬設施主要包括擋砟墻、電纜槽、蓋板、遮板、欄桿、聲屏障等。根據鐵路橋梁施工和運營狀態的調研結果，現有箱梁橋面附屬設施存在施工周期較長、現澆混凝土工作量大、現場施工質量難以控制、運營期間養護維修工作量大等問題［11］。通過橋面附屬設施現場裝配化施工，可縮短施工周期，保證施工質量，從而減少橋面附屬設施的養護維修工作量，節省橋梁的全壽命周期成本。本文從方案比選和結構設計角度，通過有限元分析和理論計算相結合的方法，重點研究了客貨共線箱梁橋面附屬設施在裝配過程中與橋梁主體結構的連接問題，提出了客貨共線鐵路箱梁的裝配式橋面系設計方案，克服了傳統鐵路橋面系依賴現澆的弊端。

1 總體裝配方案比選

根據功能需求和橋面附屬設施結構特點，提出3 種裝配式橋面附屬設施總體方案進行比選，分別為整體式、倒F式和分體式。

1）整體式。擋砟墻、電纜槽底板、電纜槽豎墻、邊墻全部整體預制，電纜槽底板與翼緣板現場通過螺栓連接。由于電纜槽底板參與結構受力，因此需增加電纜槽底板厚度。整體式裝配橋面附屬設施方案見圖1。優點：①電纜槽底板與擋砟墻、邊墻形成整體，整體受力性能好，同時可作為橋面的防水層和保護層；②擋砟墻、邊墻和電纜槽可一次性整體吊裝就位，減少裝配工序。缺點：整體吊裝重量較大。

圖1 整體式裝配橋面附屬設施方案

2）倒F式。擋砟墻、電纜槽底板、電纜槽豎墻采用整體預制，擋砟墻底部與橋梁通過螺栓連接，外側擋墻在梁場與橋面整體澆筑。倒F式裝配橋面附屬設施方案見圖2。優點：①電纜槽底板與擋砟墻形成整體，可減小擋砟墻連接構件受力，同時作為橋面的防水層和保護層；②外側擋墻與橋面整體性好，欄桿區段可減小擋墻厚度，滿足現有架橋機要求。缺點：外側擋墻過隧道時受限。

圖2 倒F式裝配橋面附屬設施方案

3）分體式。將遮板進行整體預制安裝，為滿足受力要求，通過預埋鋼筋與梁體翼緣板進行連接。擋砟墻同樣采用豎向鋼筋與梁體連接。電纜槽內豎墻和底板采用預應力混凝土（Reinforced Prestressed Concrete，RPC）整體預制構件，安放在電纜槽內。分體式裝配橋面附屬設施方案見圖3。優點：各預制構件自重小，構件容易存放。缺點：擋砟墻和遮板均需要連接，構件數量多，現場安裝工序復雜。

圖3 分體式裝配橋面附屬設施方案

通過3 種方案的對比可以看出，整體式方案整體力學性能好，安裝過程工序少，運輸過程中不受隧道斷面限制，適用性廣，具有明顯優勢。故選取該方案開展后續結構設計與檢算。

2 方案設計

客貨共線鐵路橋面附屬設施整體式裝配方案的主要功能包括：①擋砟墻對道砟進行限位，同時起到列車脫軌導向作用；②外側邊墻提供欄桿、聲屏障接口；③電力和通信信號線纜分槽敷設；④提供維修人員通道；⑤向內排水，保護翼緣表面，提高梁體結構耐久性。其中擋砟墻的列車脫軌側向力是設計控制工況，采用“通橋（2014）8188”中現澆擋砟墻橫向水平荷載200 kN/m 進行設計，作用于擋砟墻頂部。設計主要控制截面為截面A、截面B和截面C，斷面位置見圖4。

圖4 擋砟墻橫向水平荷載計算控制截面

2.1 內力計算方法

由于砂漿層和連接裝置的共同作用，使得模型邊界條件復雜。為簡化模型計算，比較分析以下2 種邊界條件。

1）鉸接支承假定：①螺栓和混凝土預制件的剛度均無限大；②擋砟墻側螺栓受拉，受拉區砂漿層脫開，受壓區砂漿層無支承作用。該假定可大量簡化計算，結構內力計算可通過結構力學公式求解。

2）彈性支承假定：①螺栓、混凝土預制件和砂漿按實際剛度取值；②受拉區砂漿層脫開，受壓區砂漿考慮其彈性支承作用，見圖5。該假定與實際受力情況更接近，結構內力可通過桿系單元有限元模型計算得到。

圖5 彈性支承計算模型

彈性支承計算模型中將砂漿層簡化為僅受壓的彈簧，軸向剛度為k1，螺栓簡化為可承受拉、壓和彎曲的彈簧，軸向剛度為k2，抗彎剛度為k3，此時將螺栓視作固定于梁面的懸臂梁。各剛度計算式為

式中：Eb為砂漿彈性模量；Ab為砂漿層面積；Lb為砂漿層厚度；El為螺栓拉壓彈性模量；Al為螺栓截面積；Ll為螺栓受拉長度；Il為螺栓截面慣性矩。

脫軌側向荷載P產生的彎矩通過擋砟墻傳遞至底板，底板、砂漿層與螺栓組合形成超靜定結構，共同抵抗該彎矩，并通過螺栓將荷載傳遞至橋面翼緣板。通過變形協調方程求解超靜定方程可得到螺栓內力和預制件截面內力。

2.2 螺栓連接方案設計

螺栓布置位置會影響螺栓內力和預制件截面內力，邊墻側螺栓由于構造要求位置基本確定，擋砟墻側的螺栓位置有2 種布置方案：①布置在電纜槽內緊鄰擋砟墻的根部；②布置在電纜槽外緊鄰擋砟墻根部。2種方案螺栓位置見圖6。

圖6 擋砟墻根部的螺栓位置方案（單位：mm）

按照彈性支承計算模型，擬定底板厚度為200 mm，擋砟墻側每米布置1.5 個M30 高強螺栓，邊墻側每米布置1個M24高強螺栓。計算得到預制件截面C的內力和螺栓內力，見表1。

表1 螺栓位于電纜槽內外主要內力指標比較

由表1可見，按照彈性支承假定計算，電纜槽外方案比電纜槽內方案的螺栓力臂長度（砂漿脫開分界點距擋砟墻根側螺栓的距離）增加10.3%，螺栓拉力減小12.3%，電纜槽底板的彎矩和剪力也均減小。但對于有砟軌道，還需考慮大型機械養護對擋砟墻之間的限界要求，電纜槽外方案螺栓位置可能會對道砟振搗養護產生影響。因此，螺栓位置采用布置在電纜槽內的設計方案。

2.3 預制件尺寸設計

通過計算分析發現，底板厚度變化將影響截面C和螺栓的內力分配。螺栓位置采用布置在電纜槽內的設計方案，設定底板厚度為0.18 m 時底板與螺栓剛度比α=1。改變底板厚度，得到不同剛度比對內力的影響，見圖7。

圖7 不同剛度比對內力的影響

由圖7可見，相同脫軌側向力作用下，隨著剛度比的增大，螺栓承擔拉力減小，底板截面分配彎矩加大，力臂長度增加。在參數設計時，需充分考慮螺栓規格與底板厚度的匹配性，避免螺栓過粗或底板過厚浪費材料，也需避免螺栓過細抗力不足，或底板過薄不滿足混凝土保護層厚度等結構構造要求。因此綜合考慮結構受力安全性、建造經濟性、構造功能性要求，確定采用M30螺栓、底板厚度為0.186 m進行初步設計，剛度比α約為1.12。

3 控制斷面設計結果

擋砟墻截面A寬度取0.185 m，中部截面B寬度取0.225 m，截面C 處底板厚度取0.186 m，擋砟墻側螺栓長度取0.25 m，平均每米布置1.5個M30螺栓，邊墻側螺栓長度0.20 m，每米布置1 個M24 螺栓。彈性支承下結構內力見表2和表3。

表2 脫軌側向力作用下擋砟墻內力

表3 脫軌側向力作用下螺栓內力 kN

脫軌側向力工況按一次性撞擊考慮，裂縫寬度不予控制，材料參數取極限值［12］。裝配構件脫軌側向力工況下控制截面應力計算結果見表4。可見，截面A為控制截面，混凝土最大壓應力為26.2 MPa，采用本文提出的整體式裝配結構和連接螺栓設計方案可以滿足列車脫軌側向撞擊的防護要求。

表4 脫軌側向力工況下構件控制截面應力計算結果 MPa

4 結論

本文通過方案比選和關鍵參數理論分析，得出以下結論：

1）提出了客貨共線鐵路箱梁橋面整體式裝配設計方案，即擋砟墻、豎墻、邊墻、電纜槽底板整體預制安裝，通過電纜槽內的高強螺栓與橋面翼緣板連接的方案。

2）設計最不利截面為擋砟墻中部加寬平臺處，混凝土最大壓應力為26.2 MPa，小于極限抗壓強度33.5 MPa，具有一定安全余量。

3）采用本文提出的整體式裝配結構和連接螺栓設計方案可以滿足列車脫軌側向撞擊的防護要求。