高速鐵路大跨度低高度預應力混凝土連續梁設計研究

王沖沖

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

預應力混凝土連續梁由于經濟性好、噪聲小、剛度大、后期維護費用低、施工技術成熟等特點,通常作為鐵路大跨度橋梁的首選結構形式[1-2]。然而,為了滿足高速鐵路的剛度要求,通常會采用更高的梁高,而梁高加大往往會限制其應用[3],尤其一些立交凈空控制的橋梁。此外,笨重的外形也不符合城市的美觀要求,使其競爭力大為降低[4]。

近幾年,針對高速鐵路大跨度混凝土連續梁的研究主要集中于混凝土收縮徐變對結構線形的影響[5-8]、車橋系統耦合作用[9]、鐵路橋梁剛度限制標準[10]、箱梁剪力滯效應的影響[11]以及橋梁抗震措施等[12-13],對低高度混凝土梁的研究較少。

鐘鐵毅等[14]針對鐵路預應力活性粉末32 m低高度T形梁,通過有限元分析及靜載試驗,分析其受力性能,得到該梁極限承載力及各項指標滿足設計要求;周偉明等[15]結合工程實例,研究低高度密肋式T梁,表明采用低高度梁能顯著降低路線縱坡,節約占地,降低工程造價;閆曉夏[16]以朔黃鐵路24 m及32 m跨度低高度預應力混凝土簡支T梁為研究對象,研究了重載作用下梁體的承載能力和重載改造技術,通過多種加固方案的綜合比選,提出對低高度混凝土梁重載加固改造方案;張福田[17]對低高度預應力混凝土梁采取輔助鋼梁技術進行加固,并進行相關動載試驗,結果表明,增設輔助鋼梁后梁體的豎向剛度明顯提高,輔助鋼梁與原混凝土梁體共同作用性能良好。

根據文獻檢索結果,現有低高度預應力混凝土連續梁研究成果較少,多集中于簡支梁研究,且側重于加固研究,對于如何降低大跨度預應力混凝土連續梁的高度,從而擴大混凝土連續梁的應用范圍,尚未檢索到相關研究。

鑒于此,依托高速鐵路預應力混凝土連續梁橋結構,分析主跨100 m低高度連續梁跨度配合比、主梁構造參數等對結構受力的影響,進而總結出低高度大跨連續梁的技術要點,為拓寬混凝土連續梁的應用范圍奠定基礎,該研究成果計劃在平涼至慶陽、中國至尼泊爾等鐵路干線中應用。

1 橋跨布置及計算

以銀西高鐵(60+100+60) m連續梁為工程依托,通過增設次邊跨的方式,利用次邊跨對中跨的剛度約束來提高跨中剛度,減小梁端轉角[18-19],從而減小截面高度,降低主跨內力,減小橋梁整體高度。

低高度連續梁和傳統三跨連續梁一般采用對稱懸臂施工的方法施工[20],當主跨為100 m時,中跨懸臂施工長度達49 m,次邊跨長度不應小于51 m,本次研究取52 m,邊跨從經濟性考慮,不宜過小,本次取35 m,因此,100 m低高度連續梁橋跨布置初步擬定為(35+52+100+52+35) m。

梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面,梁高3.0～5.5 m,梁底曲線采用二次拋物線。其余尺寸同銀西高鐵(60+100+60) m連續梁。橋梁立面布置如圖1所示,箱梁墩頂及跨中截面如圖2所示。

圖1 橋梁立面布置(單位:cm)

圖2 箱梁墩頂及跨中控制截面(單位:cm)

針對上述主梁,采用BSAS有限元軟件進行計算分析,全橋共劃分77個單元,46個施工階段,環境相對濕度取70%。二期恒載采用 176 kN/m。活載、溫度力、離心力等荷載按照TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》辦理。主要計算結果如下。

(1)主梁剛度計算結果如表1所示。

表1 梁部位移及梁端轉角

由表1可知,中跨跨中位移在ZK靜活載+0.5溫度最大組合位移值66.5 mm,與跨度的比值為1/1 503,小于規范限值1/1 364(1.1L/1 500),滿足規范要求[21-22]。

(2)主梁正應力計算結果如表2所示。

表2 主梁混凝土正應力 MPa

(3)主梁其他計算結果如表3所示。

表3 主梁其他安全指標 MPa

由表2、表3可知,在主力工況下,主梁所有截面最小正應力為1.2 MPa(主墩墩頂截面),最大正應力為15.1 MPa;在主+附工況下,主梁最小正應力為0.9 MPa(主墩墩頂截面),最大正應力為16.0 MPa,均滿足規范要求[21-22]。

在主力工況下,最小抗裂安全系數為1.3,最大主拉應力為2.2 MPa,強度安全系數最小值為2.1;在主+附工況下,最小抗裂安全系數為1.3,最大主拉應力為2.4 MPa,強度安全系數最小值為2.1,均滿足規范要求[21-22]。

2 與傳統連續梁比較

(35+52+100+52+35) m低高度預應力混凝土連續梁與傳統(60+100+60) m預應力混凝連續梁構造、工程量及主梁受力對比如表4所示。

表4 低高度預應力混凝連續梁與傳統連續梁對比

從表4可以得出以下結論。

(1)低高度連續梁與傳統連續梁相比,墩頂處梁高由7.4 m降低至5.5 m,跨中梁高由4.4 m減小為3.0 m,大大減小了混凝土工程量,每延米混凝土工程量由17.9 m3減小至14.2 m3,減少約20%。

(2)兩種連續梁的梁端轉角基本相當,低高度連續梁由于梁高降低,跨中豎向剛度在滿足規范要求的前提下略有降低,但低高度連續梁徐變上拱值減小明顯,降幅達60%。

(3)由于橋面布置滿足高鐵行車的要求,低高度連續梁梁寬與傳統連續梁保持一致,橫向剛度較傳統連續梁略有降低。

3 跨度配合比研究

為得出低高度連續梁最優跨度配合比,除研究上述1-(60+100+60) m和2-(35+52+100+52+35) m連續梁外,還計算了3-(32+48+100+48+32) m、4-(24+48+100+48+24) m、5-(24+36+100+36+24) m共4種跨度的低高度連續梁,配跨(邊跨及次邊跨合計長度)分別為87,80,70,60 m,為方便比較,將跨度類型代號依次編碼為1～5。

不同跨度低高度梁,由于截面構造尺寸不變,僅邊跨變化,主跨內力相差較小,故僅提取橋梁剛度及支座反力結果比較分析,具體結果分別見圖3、圖4及表5。

表5 連續梁支反力 kN

圖3 不同跨度配合比梁端轉角

圖4 不同跨度配合比跨中活載位移

從計算結果可以得出以下結論。

(1)不同配跨的低高度連續梁,隨著配跨長度逐漸減小,活載跨中撓度及梁端轉角均逐漸減小,說明減小配跨長度,梁體豎向剛度逐漸增大。

(2)隨著配跨長度減小,次邊墩支反力也逐漸減小,當配跨長度減小至60 m時,(24+36+100+36+24) m連續梁次邊墩恒載作用下已出現1 556 kN的負反力,因此該跨度布置不合理,設計中不建議配跨小于60 m。

(3)對于主跨100 m低高度連續梁,配跨長度在70～80 m之間時,連續梁受力合理,主力作用下若出現少量負反力,可通過增加次邊墩墩頂實體段長度予以抵消。

4 構造參數研究

梁高與頂板、底板及腹板厚度相互影響,增大梁高,或增加頂底板及腹板厚度,截面慣性矩增大,截面應力減小[23-25]。由于增加梁高,截面慣性矩增幅明顯,以主梁高度為主要構造參數進行研究,不再對頂板、底板及腹板厚度變化對結構的影響進行單獨研究。

以(32+48+100+48+32) m連續梁為研究對象,對墩頂及跨中不同的梁高進行比較分析,具體5種梁高類型:1-(3～5.5 m)、2-(2.5～5.5 m)、3-(3～6.3 m)、4-(3～6 m)、5-(3.5～6 m)。其中數字含義:梁高類型-(“跨中梁高”～“墩頂梁高”m)。

不同梁高對應的梁端轉角及跨中位移分別如圖5、圖6所示。

圖5 不同梁高梁端轉角

圖6 不同梁高跨中活載位移

從圖5、圖6計算結果可得出如下結論。

(1)端部梁高對梁端轉角影響較大,墩頂梁高對梁端轉角影響很小,可忽略不計。跨中梁高保持不變,墩頂梁高從5.5 m增加至6.3 m時,梁端轉角從0.51‰rad降低至0.49‰rad,變化很小;墩頂梁高保持不變,跨中梁高增加時,梁端轉角逐漸減小。

(2)跨中及墩頂梁高對跨中豎向靜活載位移影響均較大,當墩頂梁高5.5 m,跨中梁高從2.5 m增加至3.0 m時,跨中位移從76.4 mm降低至60 mm,降幅21.5%;墩頂梁高6 m,跨中梁高從3 m增加至3.5 m時,跨中位移從54.6 mm降低至44.7 mm,降幅18%;當跨中梁高不變,支點梁高從5.5 m增加至6.3 m時,跨中位移從60 mm降低至50 mm,降幅16.7%,可見,增加跨中梁高,剛度增加較為明顯。

改變梁高,主梁內力也隨之改變,本次研究主要關注各跨跨中及支點處應力,控制截面如圖7所示。

圖7 控制截面示意(單位:m)

各控制截面應力分別如圖8～圖11所示。

圖8 不同梁高截面上緣最大應力

圖9 不同梁高截面上緣最小應力

圖10 不同梁高截面下緣最大應力

圖11 不同梁高截面下緣最小應力

從圖8～圖11計算結果可看出,截面應力均能滿足規范要求,梁高采用3.5～6.0 m時,混凝土應力最小,應力較均勻,梁高采用2.5～5.5 m時,混凝土應力最大,采用其他梁高時,應力介于兩者之間。

為方便比較工程量,將不同梁高的混凝土及縱向預應力鋼絞線數量列入表6。

表6 主要工程數量對比

通過對幾種梁高的低高度連續梁進行計算分析,得出以下結論。

(1)端部梁高對梁端轉角影響較大,墩頂梁高對梁端轉角影響很小,可忽略不計。

(2)跨中及墩頂梁高對跨中豎向靜活載位移影響均較大。

(3)增加梁高,混凝土工程量較大,鋼束用量較小,反之,減小梁高,混凝土工程量較小,鋼束用量較大。

(4)支點梁高小于5.5 m,跨中梁高小于2.5 m時,主梁截面應力較大,受力較不均勻,因為過小的梁高,需要配置較高的預應力鋼束,預應力難以布置。因此,主跨100 m低高度連續梁墩頂梁高不宜小于6 m,建議取值范圍6.0～6.5 m,梁高與跨度的比值為117～115;跨中梁高不宜小于3.0 m,建議取值范圍3.0～3.5 m,梁高與跨度的比值為133～129。

5 結論

依托高速鐵路混凝土連續梁橋,以主跨100 m低高度連續梁為研究對象,與常用高速鐵路主跨100 m連續梁進行比較分析,并系統對比了跨度配合比及構造參數等影響,主要結論如下。

(1)提出一種新型大跨度低高度連續梁,各項指標滿足規范要求,較傳統連續梁更經濟,每延米混凝土用量降低約20%。

(2)低高度連續梁由于梁高降低,主梁剛度略有降低,但工后徐變上拱值較傳統連續梁減小明顯,降幅達60%。

(3)對于主跨100 m低高度連續梁,建議配跨長度在70～80 m之間,可根據計算情況適當調整,但不得小于60 m。

(4)對于主跨100 m低高度連續梁,墩頂梁高不宜小于6 m,建議取值范圍6.0～6.5 m,跨中梁高不宜小于3.0 m,建議取值范圍3.0～3.5 m。

本研究成果可為同類鐵路大跨度低高度混凝土連續梁設計研究提供參考,下一步將通過試驗進行進一步驗證,并在實際鐵路項目中應用。