市域鐵路節(jié)段預制拼裝簡支梁設計建造研究

欒紫明

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 引言

預制節(jié)段混凝土整體拼裝施工方法是將梁體沿縱橋向劃分為若干個節(jié)段，在工廠預制，再使用架橋機現(xiàn)場拼裝，通過施加預應力成為整體橋梁，其優(yōu)點是節(jié)段重量輕，便于運輸，同時還可降低對場地規(guī)模的要求，但施工工序復雜，施工工藝要求高，影響因素較多，質量控制難度大，所以，要提高技術應用水平，通過優(yōu)化設計、規(guī)范施工實現(xiàn)更好的建造效果。

2 工程簡介

本工程為市域（郊）鐵路，以服務長三角地區(qū)三地市間的通勤、商務等客流為主，兼顧各組團內部日常出行客流的市域（郊）鐵路。線路總體由南向北，正線數(shù)目為雙線，設計時速為160 km/h，線路全長90.34 km，其中，高架段64.64 km，橋梁占比71.6%。

3 市域鐵路節(jié)段預制拼裝簡支梁設計建造研究

3.1 結構形式

節(jié)段預制拼裝箱梁是工業(yè)化建設常用的一種施工方法，梁段采用工廠標準化作業(yè)，施工質量好，現(xiàn)場工作量小，預制節(jié)段的養(yǎng)護時間較長，成橋后梁體的徐變和預應力損失較小。梁部的預制和下部結構的施工可同時開展，節(jié)段的預制和安裝可以分開進行，互不干擾，施工速度快，工期短。節(jié)段梁拼裝施工時，對橋下既有交通的影響小，工廠化預制和機械化施工提高了現(xiàn)代化橋梁的建設水平，有利于節(jié)能環(huán)保。

本項目節(jié)段拼裝箱梁采用單箱單室方案，3 種跨度節(jié)段對1-35 m、1-40 m 和1-45 m 拼裝簡支梁方案進行設計比選。梁段劃分以盡量減少梁段種類為原則，每孔箱梁采用奇數(shù)段劃分，跨中不設接縫。節(jié)段長度主要取決于節(jié)段重量以及運輸?shù)跹b尺寸限制要求，并且最大化地減少節(jié)段數(shù)量，以節(jié)約工期。針對不同跨度，分別考慮2.5 m、2.6 m、2.7 m 三種梁段長度方案[1]。

3.2 結構計算

市域鐵路節(jié)段拼裝梁設計計算基于TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》，抗裂安全系數(shù)Kf計算其公式為：

式中，σc為扣除預應力損失后的混凝土預壓應力；kct為混凝土抗拉強度修正系數(shù)；fct為混凝土抗拉極限強度；σ為計算荷載在截面受拉邊緣混凝土中產生的正應力。根據(jù)規(guī)范要求，限值Kf≥1.2。

根據(jù)相關文獻資料結果，在自然環(huán)境條件下，C50 混凝土膠拼試件拉伸試驗結果為環(huán)氧樹脂膠與混凝土黏合部位軸向抗拉強度在3.2 MPa 以上，人工加速濕熱老化條件下，試件膠接縫抗拉強度約2.9 MPa，膠接縫具備一定的抗拉強度。若計算中不考慮膠的抗拉強度，即在接縫處kct=0，預應力含量偏高，設計過于保守。在既有工程案例中，京唐鐵路潮白河特大橋節(jié)段拼裝梁設計計算中kct取0.3，部分公路軌道交通節(jié)段拼裝梁設計計算中，kct取0.7，甚至1.0 以上。針對市域鐵路節(jié)段預制膠拼簡支梁進行設計計算及方案比選，綜合考慮結構安全性、考慮耐久性和施工中不確定性，并滿足抗裂安全系數(shù)Kf≥1.2，本線節(jié)段預制膠拼梁計算中kct=0.5，此時，主力+附加力作用下結構下緣最小壓應力均在3 MPa 及以上。對不同跨度節(jié)段拼裝簡支梁，對比計算不同梁高及截面尺寸，并對不同抗拉極限強度的鋼絞線進行比選，即對比1×7-15.2-1860-GB/T 5224—2014 和1×7-15.2-2200-R-QCR/R 兩種類型鋼絞線，各方案計算結果見表1。

在考慮節(jié)段膠拼梁剛度0.9 折減系數(shù)情況下，梁體跨中靜活載撓跨比和最大梁端轉角見表2，可見梁體剛度均滿足規(guī)范要求。

表2 梁體其他參數(shù)計算結果表

由以上計算結果可見，1-35 m 節(jié)段拼裝簡支梁推薦采用梁高2.05 m，腹板厚36 cm，梁體混凝土方量244.4 m3，節(jié)段長度2.5 m，最大梁段質量49.5 t。采用公稱抗拉強度fpk=2 200 MPa的鋼絞線，以及fpk=1 860 MPa 鋼絞線均可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，梁體結構尺寸可保持不變，節(jié)約鋼絞線13%。1-40 m節(jié)段拼裝簡支梁，推薦采用梁高2.25 m，節(jié)段長2.5 m，最大梁段質量51.1 t。采用公稱抗拉強度fpk=2 200 MPa 鋼絞線可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，腹板厚度36 cm，梁體混凝土方量272.2 m3。采用fpk=1 860 MPa 鋼絞線需要布置雙排腹板鋼束，腹板厚度40 cm，梁體混凝土方量279.8 m3。相比fpk=1 860 MPa 常規(guī)鋼絞線，采用fpk=2 200 MPa 高強鋼絞線可以節(jié)約鋼絞線22%、混凝土3%。1-45 m 節(jié)段拼裝簡支梁，對比分析了2.6 m 和2.8 m兩種梁高方案。梁高采用2.6 m 時，需要布置雙排腹板鋼束，腹板厚度48 cm，混凝土方量為331.4 m3，采用抗拉強度fpk=1 860 MPa 鋼絞線時，預應力含量約51.8 kg/m3；梁高采用2.8 m，腹板厚度36 cm，可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，混凝土方量為317.6 m3，采用抗拉強度fpk=1 860 MPa 鋼絞線時，預應力含量約48.6 kg/m3。推薦采用梁高2.8 m，混凝土方量317.6 m3，節(jié)段長2.5 m，最大梁段重量61.6 t；采用公稱抗拉強度fpk=2 200 MPa 高強鋼絞線和fpk=1 860 MPa 常規(guī)鋼絞線均可實現(xiàn)腹板鋼束單排布置，腹板厚度36 cm，采用fpk=2 200 MPa高強鋼絞線可以節(jié)約鋼絞線14%。

通過以上對比可知，雖然高強鋼束的單價稍高，但是高強鋼束用量比普通鋼束用量小，在鋼束總造價基本相當?shù)那闆r下，高強鋼束還具有減小梁部腹板厚度、減少混凝土用量、減少預制節(jié)段分段數(shù)量、方便施工的優(yōu)點。因此，高強鋼束在節(jié)段預制拼裝梁中使用中可產生良好的經濟價值。

3.3 梁場預制

市域鐵路采用節(jié)段拼裝梁區(qū)間梁場規(guī)模，推薦采用短線法施工。以約5 km 橋為例，全部按35 m 簡支梁計，并考慮部分調孔，大約需要2 000 個梁段計，采用短線法施工，每天計劃生產14 個梁段，月生產能力約400 個梁段。梁場主要由制梁區(qū)、存梁區(qū)、公共占地區(qū)和混凝土拌和站等主要幾部分構成，根據(jù)預制生產需求，合理設置各功能分區(qū)位置和規(guī)模，保證正常生產秩序[2]。

3.4 構件運輸

節(jié)段預制膠拼梁可采用平板車運輸，市場中平板車運輸常規(guī)載貨尺寸為長13 m×寬2.5 m×高2.4 m，根據(jù)客戶需求車型可加長至17.5 m×寬3.0 m×高4.5m（極限高度4.5 m）。一般平板車載重400 kN（40 t）以內較為常見，部分情況下載重550 kN（55 t）以上貨物時，需要向交通部門報備。推薦采用節(jié)段長度2.5 m，以適應常規(guī)化且經濟性好的運輸現(xiàn)狀。

3.5 現(xiàn)場架設

市域鐵路節(jié)段拼裝梁采用簡支體系，適宜的現(xiàn)場架設方案主要有架橋機逐孔架設、汽車吊和少支架組合架設、墩梁一體機架設等。其中，上行式架橋機逐孔架設是目前鐵路及軌道交通節(jié)段拼裝梁常用的施工方法，但其對小半徑曲線梁適應性稍差。采用少支架+汽車吊組合架設方案，需要在橋位處設置少量鋼管立柱支架，梁段采用汽車吊吊裝就位，可以實現(xiàn)多點作業(yè)。一體化架橋機是集預制墩柱、節(jié)段梁實現(xiàn)一體化架設功能的架橋機，設備投資大，經濟性略差。經過綜合考慮，市域鐵路節(jié)段拼裝梁擬采用上行式架橋機架設[3]。

4 結語

綜上所述，在進行市域鐵路橋梁設計建造時，要經過科學論證分析，通過多方案比選，采用合適的結構體系和梁型，并結合工程實際確定合理的結構尺寸及施工方案，保證施工方案的科學性、合理性、可行性，為具體的施工活動提供指導，減少施工質量隱患，提高鐵路交通通行效率。同時，在節(jié)段預制拼裝梁中使用高強鋼束可以產生良好的經濟實用價值，具有減小梁部腹板厚度、降低混凝土用量、減少預制節(jié)段分段數(shù)量、方便施工的優(yōu)點。