高速鐵路節段預制簡支箱梁構造設計和力學性能分析

劉 國

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

國外某高速鐵路工程作為“一帶一路”重點項目，由于當地土地私有化，用地界限制了大型梁場的建設，國內高速鐵路簡支箱梁常用的整孔預制架設法難以實施，故采用節段預制拼裝法施工。

節段預制簡支箱梁施工速度快，梁體采用分段標準化預制工藝、梁體質量容易控制，有利于標準化生產，能有效彌補整孔預制架設箱梁對城市交通的影響[1-2]。2005年，節段梁技術應用于珠三角地區廣州地鐵4號線建設中，之后廣州地鐵14號線、21號線等陸續使用節段預制膠拼方法[3-4]。隨著體外預應力技術的不斷進步，國內公路建設中也逐漸開始采用節段預制工程技術[5-7]。在普速鐵路中，黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是膠拼節段預制拼裝方法的首次應用[8]。但該技術在高速鐵路領域中應用較少，以下依托國外某高速鐵路工程，對24.6～32.6 m節段預制簡支箱梁進行研究，分析其構造設計要點，對其力學性能進行計算分析，為后續高速鐵路節段預制簡支箱梁的設計提供借鑒。

2 節段預制簡支箱梁構造設計

2.1 結構尺寸

簡支箱梁采用C50混凝土，截面類型為單箱單室。跨中頂板厚25 cm，底板厚28 cm，腹板厚36 cm，梁端頂板、底板、腹板向內側加厚，分別為頂板厚50 cm，底板厚60 cm，腹板厚75 cm。橋面板寬12.2 m，橋梁建筑總寬12.5 m，擋砟墻內側凈寬9.0 m。截面中心線處梁高2.686 m，橫橋向支座中心距為3.0 m。跨中標準橫斷面如圖1所示。

圖1 跨中標準橫斷面(單位：mm)

2.2 節段構造尺寸

(1)全線簡支箱梁梁長24.6～32.6 m，計算跨度為23.5～31.5 m。通過改變各節段數量組成相同梁高、不同跨徑的簡支箱梁。

(2)梁體節段由運梁車從預制場運送至橋位，受到車輛、道路的載重限制，橋梁節段質量一般不超過70 t，跨徑一般不超過50 m。架橋機在橋位拼裝而成，鋼構件不宜過重，故架橋機的承載能力受到限制。

結合當地運輸條件，參考當地在建鐵路工程梁部節段尺寸及架橋機架設條件，本項目預制節段縱向長度在滿足運輸、架設等要求下，標準節段長2.6 m，節段質量小于60 t。預制節段分為端頭節段(D類)、漸變節段(G類)及標準節段(B類)三種類型。端頭節段長2.0 m，漸變節段塊節段長2.6 m，標準節段塊節段長2.0～3.0 m，節段最大吊重為563.4 kN。

節段劃分構造如圖2所示。

圖2 節段劃分構造(單位：mm)

2.3 剪力鍵構造

拼裝縫應布置剪力鍵，并在拼裝面涂抹環氧樹脂膠[9]。剪力鍵的功能主要為定位和提供抗剪能力。剪力鍵與預制梁段一次成型，在腹板上除預應力孔道位置外滿布，同時在箱梁頂板及底板應布置少量剪力鍵，剪力鍵采用梯形鍵。為方便膠體順利擠出梁體，頂、底板剪力鍵在頂板頂面和底板頂面應設擠膠槽口。剪力鍵布置和梁體設計時，需考慮頂底板和腹板預應力鋼束的布置以及不同節段間尺寸的變化。標準節段剪力鍵布置及大樣如圖3、圖4所示。

圖3 標準節段(B類)剪力鍵布置(單位：mm)

圖4 標準節段(B類)剪力鍵大樣(單位：mm)

2.4 預應力布置

由于接縫的存在，梁體剛度有所降低。為減小恒載作用下梁體上、下緣應力差，降低徐變上拱，防止恒載作用下梁體下緣壓應力偏大，在滿足抗裂安全系數的前提下，跨中腹板部分預應力布置也應較整體梁靠近中性軸。鋼束曲線段盡可能布置在預制梁節段內，以避免預應力接縫施工孔道定位偏差，減小施工引起的孔道摩阻加大，影響梁體施工質量。

簡支箱梁預應力鋼束采用φ15.2 mm鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa，簡支箱梁(30.6 m

圖5 預應力鋼束布置(單位：mm)

2.5 臨時連接

臨時預應力張拉可以固定梁段，提供膠體凝結所需應力[10]。臨時連接分為頂板臨時連接及底板臨時連接。頂板臨時連接在頂板設置預留孔，臨時張拉時安裝可拆卸的鋼構件作為臺座，在箱梁頂面張拉臨時預應力鋼筋；底板臨時連接在箱室內部設置混凝土塊作為臺座，在箱室內部張拉臨時預應力鋼筋。梁體安裝完畢后，應采用微膨脹混凝土將頂板上的臨時張拉臺座預留孔進行封堵，并做防水處理。標準節段臨時張拉臺座布置如圖6所示。

圖6 標準節段(B類)臨時張拉臺座布置(單位：mm)

3 節段預制簡支箱梁力學性能分析

節段拼裝簡支箱梁與整體箱梁的根本區別在于節段拼裝接縫處縱向普通鋼筋不連續、混凝土不連續，離散的節段通過預應力筋及剪力鍵形成整體，節縫處受力性能是應用節裝拼裝技術的關鍵。

受膠接縫影響，橋梁出現裂縫以及裂縫集中的位置均發生變化，抗裂控制截面是拉應力最大的接縫截面[11]。按照結構設計的思路，從強度、運營階段和施工階段結構計算三方面，采用MIDAS/civil、MIDAS FEA、ANSYS與BSAS程序建立模型，對節段預制簡支箱梁的力學性能進行檢算分析。采用ZK活載，有砟軌道二期恒載為209 kN/m，設計速度為250 km/h，風力、溫度力、制動力均按照TB10002—2017《鐵路橋涵設計規范》取值。

3.1 強度檢算

(1)強度安全系數及抗裂安全系數

參考美國AASHTO《節段式混凝土橋梁設計和施工指導性規范》，環氧樹脂膠接縫其抗彎承載能力折減系數取0.95，其抗剪能力折減系數取0.90[12]。主力工況下強度安全系數不小于2.0，“主力+附加力”工況強度安全系數不小于1.8。

由于膠接縫梁環氧膠與混凝土黏結能力小于整體混凝土抗拉強度，故膠接縫梁抗裂強度減弱，從安全出發，不考慮接縫處混凝土和環氧膠的拉應力，抗裂安全系數不小于1.2，以提供足夠的抗裂安全度。受力分析指標見表1。

表1 受力分析指標

由表1可知，24.6～32.6 m節段預制簡支箱梁膠接縫處強度安全系數主力工況下最小為2.09，“主+附”工況下最小為2.09，滿足要求。抗裂安全系數主力工況下最小為1.30，“主+附”工況下最小為1.28，滿足要求。

(2)抗剪承載力計算

膠接縫剪力如圖7、圖8所示。

圖7 23.5m梁主+附作用下梁體剪力(單位：kN)

膠接縫處的抗剪強度由縱向預應力彎起抗剪Vsb、剪力鍵抗剪Vk和摩阻力抗剪Vn三部分組成。剪力鍵混凝土容許剪應力為[τ]=0.17fc=5.7 MPa，考慮頂、底板剪力鍵受力的不均勻性，剪力鍵面積中，只計腹板部分抗剪，頂底板剪力鍵僅作為安全儲備。摩阻力受力面積只計腹板面積，扣除預應力孔道所占面積，不扣除剪力鍵所占面積。

第一道膠接縫距梁端2 m，為剪力最大的一道膠接縫。膠接縫處最大剪力及抗剪強度計算結果如表2。

表2 膠接縫最大抗剪承載力匯總

由表2可知，24.6～32.6 m節段預制簡支箱梁抗剪強度均滿足要求。

3.2 運營階段檢算

(1)結構應力檢算

運營階段最不利荷載作用下環氧樹脂膠接處不應出現拉應力，本項目控制壓應力不小于1.0 MPa。

由表3可知，24.6～32.6 m節段預制簡支箱梁混凝土壓應力、剪應力及接縫處應力均滿足要求。

(2)變形計算

膠接縫的存在使運營中彈性階段結構變形增大，在結構變形計算時，截面抗彎剛度取值需考慮該影響。利用BSAS計算得到沒有膠接縫的相同截面形式的簡支箱梁在車道荷載作用下的最大位移為5.3 mm。由于環氧樹脂膠接縫較薄，涂層厚度一般為1～3 cm，故建模時忽略其厚度方向的影響，采用板單元進行模擬。膠層與混凝土之間不發生剝離，模型中將混凝土實體單元與膠接縫板單元的節點進行耦合。利用MIDAS FEA計算得到ZK活載作用下節段預制簡支箱梁的變形(如圖9所示)。

表3 結構應力主要計算結果

ZK活載作用下，沒有膠接縫影響的簡支梁最大撓度是考慮膠接縫存在時的0.93倍。根據中國鐵道科學研究院試驗成果，膠接縫對截面抗彎剛度的折減系數取0.9，與上述計算結果接近，故計算時按照0.9進行折減。

圖9 ZK活載作用變形(單位：mm)

在ZK靜活載作用下，32 m節段預制簡支箱梁梁體豎向撓度為10.1 mm，撓跨比為1/3 150，小于規范要求1.4L/1 400；靜活載作用下，梁端轉角位0.92‰，小于規范要求(2‰)，撓跨比及梁端轉角均滿足規范要求。32 m節段預制簡支箱梁跨中殘余徐變為9.3 mm。

(3)端橫梁局部應力分析

選取端頭節段(D類)，采用ANSYS軟件建立實體模型，二期恒載為209 kN/m，荷載工況為主力工況。計算結果如圖10～圖12所示。

圖10 橫橋向正應力(單位：Pa)

由計算結果可知，橫橋向最大拉應力為3 MPa，豎向最大拉應力為1.2 MPa，支座上方底板與腹板相接處最大豎向剪應力為3 MPa，均滿足規范要求。

圖11 豎向正應力(單位：Pa)

圖12 豎向剪應力(單位：Pa)

3.3 施工階段檢算

(1)存梁暴曬工況檢算

施工階段鋪設道砟前，豎向溫度梯度考慮裸梁暴曬，按頂板升溫Ty′=20·e-5y℃非線性考慮。32.6 m節段預制簡支箱梁鋼束張拉完、未上二期恒載時，存梁暴曬的上緣梁體應力如圖13、圖14所示。

圖13 存梁暴曬時上緣應力(單位：MPa)

圖14 存梁暴曬時下緣應力(單位：MPa)

表4 存梁暴曬結果匯總

由表4可知，存梁暴曬工況下，結構應力滿足要求。

(2)吊點實體單元計算

圖15 標準節段吊點模型

選取2.6 m長的標準節段，利用ANSYS軟件建立實體模型，模型如圖15所示。按實際位置及尺寸模擬吊孔，在吊孔下端對應墊板區域范圍內的節點施加豎向支承，模擬吊裝過程的受力。標準節段吊點局部應力分析結果如圖16、圖17所示。

圖16 橫向正應力(單位：Pa)

圖17 豎向剪應力(單位：Pa)

由圖16、圖17可知，絕大部分范圍橫向正應力小于1.0 MPa拉應力，孔邊應力集中處最大為1.16 MPa，小于容許值2.79 MPa；剪應力最大為0.9 MPa，小于容許值1.55 MPa。橫向正應力及豎向剪應力均滿足要求。

4 結論

(1)介紹國外某高速鐵路24.6～32.6 m節段預制簡支箱梁構造特點，結合節段預制簡支箱梁的構造特點，從強度、運營階段和施工階段結構計算三方面進行力學性能檢算分析。經計算研究可知，節段預制簡支箱梁受力和變形滿足規范要求。

(2)梁段劃分為標準節段和梁端節段，節段長度取決于節段質量及運輸吊裝時的尺寸限制要求。通過改變各節段數量組成相同梁高、不同跨徑的簡支箱梁。

(3)節段預制簡支箱梁抗彎折減系數取0.95，抗剪折減系數取0.90；抗裂安全系數不小于1.2；膠接縫對截面抗彎剛度的折減系數取0.9。

(4)運營階段最不利荷載作用下環氧樹脂膠接處不應出現拉應力，設計中壓應力可控制為不小于1.0 MPa。