珠三角城際軌道交通簡支箱梁優化設計研究

鄧運清,陳海濤,薄 利,粟明豐,時 代

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055； 2.廣東珠三角城際軌道交通有限公司,廣州 510320)

1 概述

我國城際鐵路及高速鐵路建設中，多采用“以橋代路”策略，橋梁比例高、數量大，并以常用跨度標準梁橋為主，占橋梁總長度的80%以上。我國高速鐵路常用跨度橋梁技術體系[1-2]以預制架設的24，32 m預應力混凝土簡支梁橋為主。采用整孔預制、整孔架設箱梁技術可以使梁部施工在預制場進行，一方面有利于保證質量，另一方面，在橋墩施工的同時可同時進行梁部施工，有利于縮短施工周期。簡支箱梁以其受力簡單、明確、形式簡潔、外形美觀、抗扭剛度大、施工速度快、基礎適應性強、建成后的橋梁養護工作量小以及噪聲小等特點，在我國鐵路建設中得到廣泛應用，并在保證城際鐵路及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[3-5]。

自2014年珠三角城際軌道交通簡支箱梁標準圖頒布以來，已經成功應用于廣清城際廣州北至清遠段、新白廣城際、廣佛環佛山西至廣州南城際等工程建設項目中，并發揮了顯著作用。近年來，隨著鐵路建設的發展，橋梁設計的標準規范也發生了較大變化，《鐵路橋涵設計規范》《高速鐵路設計規范》《城際鐵路設計規范》歷經修訂和完善[6-9]，在箱梁構造要求等方面有新的規定，同時新材料、新工藝也為珠三角城際箱梁提供了優化空間[10-11]。

2 橋面布置優化研究

橋面布置作為橋梁結構設計的重要組成部分，直接影響橋梁梁部結構、墩臺及基礎的設計，與橋跨結構的總體投資及后期使用的耐久性、養護維修工作有著密切關系。

箱梁橋面寬度及布置方式主要取決于建筑限界、線路線間距、電纜槽寬度、接觸網支柱位置、檢查養修方式等因素，有砟軌道還需滿足大機養護的要求。目前我國已建和在建高速鐵路常用跨度橋梁均采用整體橋面布置方式，接觸網立柱設置于橋面上；客貨共線鐵路、城際鐵路簡支箱梁則有部分電力電纜設置于箱內。

電力電纜設置在橋面和箱內各有優缺點，設在橋面便于電纜鋪設和檢查維修，但橋面寬度需要相應增加400～600 mm，結構工程量略有增加；而電力電纜設置于箱內時，可有效減小橋面寬度，減少結構混凝土用量，但在箱內需專門設置電纜槽，并在制梁時預埋電纜支架安裝螺栓套筒，檢修需從橋下進入箱內，當橋梁較為分散時則電纜需要反復上下，路徑較為繁瑣。既有珠三角城際簡支箱梁通用圖的橋面布置見圖1，其電纜槽均布設于橋面之上，無砟軌道雙線梁橋面寬度采用11.6 m，雙線梁線間距僅適用于線間距4.4～4.6 m[12]，線間距適用范圍較小。

圖1 2014年版無砟軌道梁橋面布置(雙線)(單位：mm)

根據珠三角城際軌道交通建設經驗，因地形限制及進出站、站場設置的影響，其橋上線間距變化范圍較大，最大可達到5.0 m，因此，原通用圖橋面寬度及橋面布置不能滿足實際使用的要求，需對其線間距的適用范圍進行擴展。

在保證電纜槽構造、接觸網支柱限界要求前提下，考慮線間距變化及四電設備使用、維護方便，確定橋面布置基本原則為通過調整橋面板翼緣寬度實現線間距不同時橋面寬度的變化，其橋面布置見圖2。其中無砟雙線梁橋面寬度調整為11.2～12.0 m，在滿足使用功能需要的同時，兼顧考慮線間距4.2～5.0 m變化需求，擴大了珠三角城際鐵路簡支箱梁的適用范圍，同時，后期的養護維修和管理等方面可保持與既有運營珠三角城際鐵路相統一。

對于個別選用小半徑曲線地段，可以結合線間距以及具體曲線半徑，通過計算確定選用合適的橋面寬度，對于曲線半徑外側梁縫過大的問題，可通過旋轉端板的構造處理措施進行處理。

圖2 優化后無砟軌道梁橋面布置(雙線)(單位：mm)

3 結構尺寸優化

3.1 梁高及支座布置

2014年版雙線無砟軌道箱梁截面尺寸見圖3。由于2014年版珠三角城際鐵路簡支箱梁已在多條線路上廣泛應用，動力性能良好[13-14]，目前與箱梁相應的配套模板已經成型，設計優化時充分考慮了最小限度影響既有模板，在確保結構受力性能的前提下，對箱梁截面的主要構造尺寸進行優化。梁高保持不變，支座布置方式保持一致，橫向中心距由4.2 m調整為4.0 m。

圖3 2014版雙線無砟箱梁截面尺寸(雙線、無砟軌道)(單位：mm)

3.2 頂板厚度

優化設計雙線梁兼顧線間距4.2～5.0 m使用，橋面寬度分別為11 200/11 600/12 000 mm(無砟軌道)和11 900/12 300/12 700 mm(有砟軌道)，通過調整箱梁翼緣板寬度實現。

對比線間距變化時梁體鋼筋受力情況，見表1。采用4.9 m的箱寬可適應線間距4.2～5.0 m范圍受力需要，采用同一箱寬優化后雙線無砟軌道箱梁截面頂板厚度可采用280 mm，與2014版箱梁頂板厚度保持一致。

表1 不同線間距箱梁鋼筋應力 MPa

3.3 底板厚度

考慮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，雙線梁底板厚度優化至260 mm。

3.4 腹板斜率

珠三角城際簡支箱梁考慮了景觀設計，采用的斜腹板方案外形美觀且脫模方便，2014版箱梁的腹板斜率為1∶3.5，為保持外模板不變及景觀效果，腹板斜率保持與2014版箱梁一致。

3.5 腹板厚度

箱梁腹板厚度不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強度滿足規范要求，同時又要提供足夠的抗扭剛度；在受力滿足設計要求時，又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，以避免管道的縱向裂縫，同時盡可能考慮方便施工。

根據近年來對高速鐵路、客貨共線鐵路及城際鐵路常用跨度簡支箱梁的設計和試驗研究成果及前期腹板厚度優化的工程實踐，設計中通過調整鋼束布置、采用高強鋼絞線和大噸位錨具等方法，優化了腹板厚度，減輕了結構自重[15-20]。

2014版雙線簡支箱梁的腹板厚度采用400 mm，優化設計中按照360 mm和330 mm兩種腹板厚度進行了計算比選，腹板尺寸調整見圖4。

采用平面桿系有限元法，建立模型進行環框分析，對梁體的普通鋼筋進行計算對比，計算結果見表2。

圖4 箱梁腹板厚度優化比選(單位：mm)

表2 雙線無砟箱梁跨中截面鋼筋應力及裂縫寬度對比

從橫向計算結果對比可以看出： ①兩種腹板厚度的橋面板鋼筋布置及受力狀態差別不大；② 腹板厚度由360 mm減小到330 mm時，腹板配筋由φ16 mm需加大至φ18 mm，一孔跨度32 m箱梁需增加普通鋼筋1.0 t，混凝土僅減少2.5 m3。

采用360 mm厚度的腹板更加便于鋼筋綁扎，利于梁體混凝土的灌筑及振搗，可減小施工難度、提高施工質量，同時腹板厚度360 mm時箱梁的安全儲備、受力性能等均優于腹板330 mm方案。因此，腹板厚度360 mm的方案更具優勢，優化后的雙線箱梁跨中截面尺寸見圖5。優化設計箱梁縱向計算主要指標及與既有2014版箱梁主要計算指標對比見表3。

圖5 優化設計后的雙線箱梁跨中截面(無砟軌道)(單位：mm)

表3 珠三角城際軌道交通32 m簡支箱梁主要計算指標(無砟軌道、雙線)

4 施工階段控制工況分析

為了更準確地了解梁優化后端截面的受力特性，優化梁端鋼筋配置，保證結構的安全性，在對箱梁進行平面桿系單元計算的同時，對頂梁、吊梁及架梁工況采用空間有限元進行受力分析。吊梁工況應力云圖見圖6，吊梁工況最大豎向應力為4.36 MPa，頂梁工況應力云圖見圖7，頂梁工況最大拉應力為腹板外側，其值為1.68 MPa，底板上緣橫向拉應力為1.44 MPa。

圖6 吊梁工況豎向應力云圖(單位：MPa)

圖7 頂梁工況橫向應力云圖(單位：MPa)

5 經濟性分析

對于一孔無砟軌道32 m雙線預制簡支箱梁，在標準線間距4.2 m時，優化設計后梁體混凝土、普通鋼筋和鋼絞線數量的對比見表4。

表4 無砟軌道32 m雙線預制箱梁優化前后材料數量對比

按照原材料價格計算，即混凝土850元/m3、普通鋼筋3 950元/t、預應力筋4 710元/t，優化后標準線間距下，一孔雙線無砟32 m預制簡支箱梁可節省投資約3.9萬元。

以100孔雙線32 m簡支箱梁橋的橋墩、基礎、梁部工程為基礎，對優化前后的簡支箱梁橋進行技術經濟分析比較，不同墩高和樁周極限摩阻力f情況下的造價見圖8，降造比例見圖9。

圖8 優化前后雙線梁造價對比

圖9 優化后100孔雙線梁橋造價優化比例

6 結語

本課題結合珠三角城際鐵路特點，通過橋面布置的優化，在滿足使用功能需要的同時，兼顧線間距4.2～5.0 m變化需求，采用通用模板減少施工設備投入，拓寬了珠三角城際鐵路簡支箱梁的適用范圍，后期的養護維修和管理等方面可保持與目前運營的珠三角城際鐵路協調統一。通過優化箱支梁的結構尺寸、采用1 960 MPa級鋼絞線及大噸位錨具等措施，減少了材料用量和梁體質量，降低了簡支箱梁橋建設成本，具有較好的經濟性和實用性。