高速鐵路常用跨度簡支箱梁優化設計和高強度預應力體系應用研究

石龍 蘇永華 胡所亭 陳勝利 班新林 董亮

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.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；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081

截至2020年底，我國高速鐵路營業里程已達3.8萬km。我國高速鐵路建設中橋梁比例高、數量大，常用跨度標準簡支梁占橋梁總長度的95%?；陬A制架設施工模式的24、32 m跨度預應力混凝土簡支箱梁，總孔數已達50余萬孔，在保證高速鐵路橋梁高標準、高質量、高速度建設中發揮了重要作用［1-4］。根據《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，到2035年我國高速鐵路營業里程將達7萬km。高速鐵路常用跨度簡支梁仍有大量的應用需求。

目前，24、32 m跨度預應力混凝土箱梁在結構尺寸、預應力布置方面還存在一定的優化空間［5］。在特殊地形、路網密度大區域、溝渠密布等復雜條件下，橋梁建設對跨度和梁型的特殊需求越來越多，從減少工序、優化施工組織等方面考慮橋梁跨度序列化要求更加迫切。隨著國內外預應力體系向更高強度發展，采用高強度預應力體系開展高速鐵路簡支箱梁優化也成為重要的發展方向［6］。

本文結合國鐵集團相關科研和標準編制研究工作，提出高速鐵路32 m跨度簡支箱梁優化設計和高速鐵路24～32 m、32～40 m簡支箱梁跨度序列化設計，研究高速鐵路簡支箱梁高強度預應力體系應用情況。

1 簡支箱梁優化設計研究

1.1 梁高

梁高是簡支箱梁的關鍵設計指標，對梁體基頻、撓跨比、梁端轉角、殘余上拱度、梁體強度、抗裂安全系數、材料用量等都有重要影響。目前，我國應用于350 km/h高速鐵路的32 m跨度簡支箱梁高度為3.0 m［7］。以32 m跨度簡支箱梁為基準（腹板單排布束），通過抬升或降低頂板，分析梁高為2.6、2.8（圖1）、3.0、3.2 m對各計算參數的影響，確定時速350 km簡支箱梁的合理梁高。

圖1 32 m跨度箱梁截面（單位：mm）

不同梁高梁體豎向基頻見表1。可知：梁高越大豎向基頻越大；梁高為3.0 m或3.2 m時，梁體豎向基頻滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》限值要求，不需進行動力檢算；梁高為2.6 m或2.8 m時，梁體豎向基頻不滿足規范，需要進行動力檢算。

表1 不同梁高梁體基頻

梁體殘余徐變上拱是鐵路箱梁結構設計的重要指標，在考慮變異系數的條件下，控制在7 mm以內為宜［8］。不同梁高殘余徐變上拱見表2?？芍毫焊呙吭黾?.2 m，殘余徐變上拱平均減小1.1 mm；若控制殘余上拱在7 mm以內，梁高須不低于3.0 m；梁高為2.8 m，二期恒載上橋時間為75 d時，殘余上拱最大值為7.02 mm。

表2 不同梁高殘余徐變上拱

綜上，隨著梁高的增加，梁體豎向基頻增加，殘余徐變上拱減小，梁體的動力性能和徐變變形控制更優。為滿足TB 10002—2017箱梁動力性能要求，最高動力檢算速度為420 km/h時，32 m跨度簡支箱梁梁高取3.0 m，與既有32 m跨度簡支梁通用圖一致；最高動力檢算速度為385 km/h時，梁高取2.8 m。

1.2 頂板、底板和腹板關鍵尺寸

高速鐵路箱梁截面一般采用單箱單室、斜腹板的形式，箱梁截面的主要構造尺寸包括頂底板厚度、腹板斜率及厚度。箱梁頂板寬保持12.6 m不變，橋面附屬設施布置和橋面板荷載工況與現行高速鐵路32 m跨度簡支梁相同。當箱梁截面頂板厚取285 mm時與既有高速鐵路系列箱梁頂板厚度一致?？紤]預應力管道布置構造需要，兼顧縱橫向鋼筋布置的空間影響，同時考慮單線荷載作用下底板受力需要，底板厚取270 mm。

斜腹板方案外形美觀、脫模方便，適當增大腹板坡度可有效減少箱梁混凝土用量。時速350 km高速鐵路整孔箱梁的腹板斜率為1∶4，時速250 km的城際鐵路箱梁腹板斜率為1∶3.5。腹板斜率過大時，預應力束的徑向力作用易引起腹板開裂。本文選擇1∶4及1∶5兩種斜率的腹板。運梁車馱梁通過時，腹板的主拉應力見圖2?？芍鹤畲笾骼瓚ξ挥诟拱迳喜孔畋^段；腹板斜率為1∶4時腹板外側最大主拉應力為2.50 MPa，腹板斜率為1∶5時腹板外側最大主拉應力為1.90 MPa，均在C50混凝土抗拉強度（fct=3.10 MPa）以內，但后者應力降低幅度更明顯。建議簡支箱梁腹板斜率取1∶5。

圖2 箱梁主拉應力（單位：Pa）

箱梁的腹板厚度不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強度要求，還要提供足夠的抗扭剛度。在受力滿足設計要求時，需保證預應力管道的混凝土保護層厚度不小于1倍管道直徑，以避免管道出現縱向裂縫，且盡可能考慮施工的方便。本文分析270、300、330、360 mm四種腹板厚度與腹板外側應力的關系，見圖3?？芍弘S著腹板厚度增加，最大主拉應力不斷減??；四種腹板厚度的最大主拉應力和豎向拉應力均小于3.10 MPa；腹板厚度為270 mm時最大主拉應力比厚度為360 mm時大1.0 MPa，但仍在fct以內。為保證運梁車載梁通過時梁體不出現裂縫，腹板厚度不宜過??；為減輕梁重，腹板厚度不宜過厚；為適應于單排布束，腹板厚度取330 mm。

圖3 腹板外側應力與腹板厚度的關系

1.3 結構優化設計

3.0 m梁高箱梁截面和預應力布置見圖4。箱梁采用1 860 MPa預應力體系。

圖4 3.0 m梁高箱梁截面和預應力布置（單位：mm）

時速350 km下優化后的32 m跨度箱梁與既有通用圖32 m跨度簡支箱梁的主要設計參數見表3，主要材料用量見表4。二期恒載取160 kN/m，預應力體系均為1 860 MPa級。后文通用圖號均為通橋（2016）2322A。

表3 不同箱梁的設計參數對比

表4 不同箱梁的材料用量對比

由表3、表4可知：①優化后箱梁的各項受力及變形指標與通用圖相當，滿足TB 10002—2017要求。②與通用圖相比，3.0 m梁高箱梁的混凝土用量減少10.7%、鋼絞線用量減少10.1%、普通鋼筋用量減少3.3%；2.8 m梁高箱梁的混凝土用量減少12.4%、鋼絞線用量減少3.4%、普通鋼筋用量減少5.1%。③3.0 m梁高箱梁設計參數與通用圖基本一致，有利于維持高速鐵路運行的高舒適性。2.8 m梁高箱梁的剛度比通用圖小，雖然減少了混凝土和鋼筋用量，但增加了鋼絞線用量，后期可應用于提速需求較小的350 km/h高速鐵路。

2 簡支箱梁跨度序列化設計研究

2.1 動力參數分析及梁高取值

開展簡支箱梁跨度序列化設計研究，能夠實現24～32 m、32～40 m非標準跨度簡支箱梁的無級變跨和預制架設施工，減少現場現澆施工量，提升箱梁施工質量，可便捷、有效地滿足鐵路橋梁設計的調跨需求［9］。

梁高是序列化簡支箱梁的關鍵設計參數，通過車橋動力分析開展了專項研究工作［10］。時速350 km時24～32 m、32～40 m跨度序列化簡支箱梁在最不利動車組作用下的最大運營動力系數見圖5。

圖5 梁體最大運營動力系數

由圖5可知：

1）對于24～32 m跨度簡支箱梁，梁高取3.0 m時各跨梁的最大運營動力系數才小于容許值。考慮采用同樣的模板、方便序列化簡支梁施工，該序列跨度簡支箱梁梁高取3.0 m，截面尺寸與時速350 km下32 m跨度簡支箱梁（3.0 m梁高）一致。

2）對于33～40 m跨度簡支箱梁，各梁高下梁體的最大運營動力系數均小于容許值。該序列跨度簡支箱梁梁高可取3.2 m，截面尺寸與時速350 km下40 m跨度簡支箱梁（3.2 m梁高）一致。文獻［8］研究表明，梁高采用3.2 m對33～40 m跨度序列化簡支箱梁的預應力布置、殘余徐變變形的控制是有利的。

2.2 序列化箱梁工程應用

24～32 m，32～40 m跨度序列化簡支箱梁分別在鹽通鐵路、昌景黃鐵路應用，兩條鐵路應用總孔數達20孔以上。應用于昌景黃鐵路的箱梁全長37.2 m，計算跨度35.9 m，與高速鐵路40 m箱梁同截面。通過工藝試驗和靜載試驗［6］驗證了其各項受力性能滿足設計和相關規范要求。

3 高強度預應力體系應用研究

3.1 高強度預應力體系的箱梁設計

2018年以來，中國鐵道科學研究院集團有限公司聯合行業內相關設計、生產企業，開展了2 200～2 400 MPa級高強度預應力體系技術研究，成功研發了高強度預應力鋼絞線和錨固體系的成套技術和相關產品，并推動了相關技術標準編制工作［6，11］。在鐵路箱梁設計中采用高強度預應力體系，不僅能夠有效節省預應力鋼材用量、降低鐵礦資源消耗，還能優化結構尺寸、降低混凝土材料用量，有效地助力未來國家碳達峰和碳中和目標的實現。本文以2 300 MPa級為例，開展了高強度預應力體系的箱梁設計。

對于時速350 km下32 m跨度簡支箱梁（梁高為3.0 m），當采用2 300 MPa級預應力體系時，每束腹板預應力最多采用14根鋼絞線，管道直徑為90 mm，最小腹板厚度取270 mm。為控制箱梁斜截面主拉應力（不大于0.55fct），設計擬定腹板厚度取280 mm，截面設計見圖6。終張拉梁端應力云圖見圖7?？芍淞旱氖芰χ笜藵M足TB 10092—2017要求。

圖6 高強度預應力體系箱梁截面設計（單位：mm）

圖7 高強度預應力體系箱梁終張拉梁端應力（單位：MPa）

不同預應力體系箱梁的材料用量對比見表5。可知：與通用圖相比，采用2 300 MPa預應力體系的箱梁，其混凝土用量減少14.0%、鋼絞線用量減少26.0%，錨固單元用量減少25.8%；與1 860 MPa優化梁相比，采用2 300 MPa預應力體系的優化箱梁，其混凝土用量減少3.6%、鋼絞線用量減少17.7%，錨固單元用量減少17.6%?？梢?，箱梁采用高強預應力體系，可有效降低各項材料用量。

表5 不同預應力體系箱梁的材料用量對比

材料單價：1 860 MPa鋼絞線5 000元/t，2 300 MPa鋼絞線6 300元/t，1 860 MPa錨固單元25元/孔，2 300 MPa錨固單元30元/孔，混凝土500元/m3。不同箱梁的混凝土和預應力體系材料價格對比見表6?？芍号c通用圖相比，采用2 300 MPa預應力體系的優化箱梁，其混凝土和預應力體系材料價格減少12.2%；與1 860 MPa優化梁相比，采用2 300 MPa預應力體系的優化箱梁，其混凝土和預應力體系材料價格減少2.0%。可見，箱梁采用高強預應力體系可有效降低箱梁混凝土和預應力體系的材料價格。

3.2 高強度預應力體系的箱梁試驗

對昌景黃鐵路簡支箱梁（圖號：昌景黃橋通-Ⅰ-53）開展了應用2 300 MPa級高速鐵路32 m跨度足尺試驗箱梁系統試驗。結果表明，試驗梁從制備、張拉預應力到靜載試驗及破壞試驗各階段，梁的各項指標均能滿足GB/T 37439—2019《高速鐵路預制后張法預應力混凝土簡支梁》和圖紙的技術要求。加載過程中箱梁跨中底緣鋼筋應變曲線見圖8。其中，K為加載力與設計荷載的比值?？芍?，鋼筋應變曲線在箱梁開裂、鋼筋屈服時出現了明顯拐點，破壞試驗荷載等級達到2.55級（2 722.5 kN）時，箱梁仍未出現破壞跡象，2 300 MPa鋼絞線未屈服，混凝土未壓潰，梁端錨固體系未見異常。

圖8 2 300 MPa級32 m跨度足尺箱梁跨中底緣鋼筋應變曲線

4 結論

1）通過優化結構尺寸和預應力體系，可在保證受力性能條件下，將高速鐵路32 m簡支箱梁的預應力和混凝土材料用量降低10%以上，具有優良的技術經濟性。

2）確定了24～32 m、32～40 m跨度序列化簡支箱梁的梁高和截面尺寸，實現了箱梁的無級變跨和非標準跨度箱梁的預制架設施工，完善了高速鐵路簡支梁技術體系。

3）應用2 200～2 400 MPa級高強預應力體系可有效減少簡支箱梁的混凝土和預應力體系材料用量，節約材料成本。

4）通過2 300 MPa級預應力體系箱梁系統性工藝、靜載及破壞試驗，驗證了箱梁和高強度預應力體系的綜合受力性能滿足規范要求。