陳海濤

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 概述

蘭新鐵路第二雙線是我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點(diǎn)項(xiàng)目之一,該線東起蘭州,西至烏魯木齊,橫跨新疆、甘肅、青海三省區(qū),正線全長(zhǎng)1 776 km。沿線分布有安西風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)及達(dá)坂城風(fēng)區(qū)等五大風(fēng)區(qū),總長(zhǎng)580 km,占線路總長(zhǎng)的33%。風(fēng)區(qū)段落內(nèi)風(fēng)速高,極大風(fēng)速超過(guò)60 m/s；風(fēng)期長(zhǎng),局部地段大于8級(jí)風(fēng)的天數(shù)超過(guò)200 d,且嚴(yán)重干旱缺水,是目前鐵路建設(shè)中受大風(fēng)影響范圍最大、程度最嚴(yán)重的鐵路之一。

根據(jù)既有蘭新鐵路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),大風(fēng)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)有較大的危害,具有較強(qiáng)的破壞性。因此在新建蘭新鐵路第二雙線簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)中,必須考慮采取保障性更強(qiáng)的抗風(fēng)措施,對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)和線上工程進(jìn)行防護(hù)。

2 主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

蘭新鐵路第二雙線風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁的總體設(shè)計(jì)原則：保持全線簡(jiǎn)支箱梁外形統(tǒng)一,在利用非風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁施工設(shè)備及模板的基礎(chǔ)上,考慮增設(shè)橋梁抗風(fēng)措施等構(gòu)造需要,從橋面布置、箱梁承載受力、傾覆、接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)置、支座選型、環(huán)境類(lèi)別等多方面進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

2.2 防風(fēng)措施

為保證列車(chē)運(yùn)營(yíng)和線上工程安全,根據(jù)風(fēng)區(qū)段落風(fēng)向基本固定的特點(diǎn),在風(fēng)區(qū)箱梁迎風(fēng)側(cè)單側(cè)設(shè)置高為4 m的擋風(fēng)屏,擋風(fēng)屏立柱采用H鋼沿橋梁縱向設(shè)骨架,骨架上鋪設(shè)波形鋼板作為擋風(fēng)板。擋風(fēng)屏立柱縱向間距為2 m,為減輕立柱作用力對(duì)箱梁懸臂影響,擋風(fēng)屏立柱采用與箱梁兩點(diǎn)連接方式,通過(guò)梁體預(yù)埋件分別與箱梁翼緣板外緣和箱梁腹板的下部進(jìn)行連接,在箱梁翼緣處設(shè)置水平連接,在立柱與腹板連接的部位設(shè)置鉸連接,以釋放該處的彎矩,具體構(gòu)造見(jiàn)圖1、圖2。

圖2 擋風(fēng)結(jié)構(gòu)立柱與梁體的連接

2.3 橋面布置

風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁橋面迎風(fēng)側(cè)安裝擋風(fēng)結(jié)構(gòu)立柱,取消單側(cè)翼緣板遮板設(shè)置,為了適應(yīng)風(fēng)區(qū)段落風(fēng)荷載作用,對(duì)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì),支柱基礎(chǔ)尺寸1 260 mm×770 mm(順線路×垂直線路),基礎(chǔ)范圍電力槽局部寬度為180 mm,橋面布置見(jiàn)圖3。

圖3 橋面布置示意(單位：mm)

2.4 縱向計(jì)算

根據(jù)箱梁總體設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)中保持風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁縱向預(yù)應(yīng)力筋布置方式和梁端錨穴構(gòu)造與非風(fēng)區(qū)段落箱梁一致,根據(jù)風(fēng)區(qū)段落橋上二期恒載的具體數(shù)值,對(duì)每束預(yù)應(yīng)力鋼絞線的根數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

橋面擋風(fēng)結(jié)構(gòu)重力按7.6 kN/m 計(jì)算,風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁采用二期恒載為142 kN/m。為方便施工,將直、曲線合并設(shè)計(jì)。計(jì)算中充分考慮了風(fēng)區(qū)段落空氣干燥、年平均相對(duì)濕度較低的影響,對(duì)箱梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行了綜合分析。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.5 橫向計(jì)算

風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁?jiǎn)蝹?cè)設(shè)置擋風(fēng)屏,擋風(fēng)屏主要承受風(fēng)荷載和列車(chē)氣動(dòng)力的作用,通過(guò)擋風(fēng)屏立柱將荷載傳遞給梁體,單側(cè)4 m高防風(fēng)屏作用于箱梁的外力及荷載組合見(jiàn)表2。

箱梁橫向框架計(jì)算采用midas/civil 2010程序建立模型,擋風(fēng)屏立柱與梁體腹板的連接按鉸接設(shè)置；梁體翼緣板與立柱通過(guò)預(yù)埋套筒和錨栓連接,屬于半剛性連接,設(shè)計(jì)過(guò)程中,按鉸接和剛性連接2種情況分別計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

表2 擋風(fēng)屏作用于箱梁外力

圖4 箱梁橫向內(nèi)力包絡(luò)圖(立柱與翼緣板鉸接)

圖5 箱梁橫向內(nèi)力包絡(luò)圖(立柱與翼緣板剛接)

從圖4、圖5可以看出,2種連接方式對(duì)與立柱連接的箱梁翼緣板和腹板的受力影響較大,箱梁其余部分受力變化很小。根據(jù)計(jì)算得到的內(nèi)力包絡(luò)值并綜合考慮箱梁抗扭承載力,對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向配筋設(shè)計(jì),箱梁主要部位鋼筋配置見(jiàn)表3。

表3 箱梁橫向普通鋼筋的配置 mm

和非風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁相比,風(fēng)區(qū)段落箱梁在腹板和翼緣板的橫向普通鋼筋配置上均有所加強(qiáng)。

2.6 傾覆檢算

由于擋風(fēng)屏較高,作用于梁體的橫橋向力也很大,同時(shí)考慮列車(chē)氣動(dòng)力、離心力和搖擺力等橫向荷載的作用,需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾覆穩(wěn)定性的檢算,計(jì)算公式如下

式中Md——結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩,由結(jié)構(gòu)重力荷載及列車(chē)豎向荷載對(duì)傾覆支點(diǎn)取矩求得；

Mq——結(jié)構(gòu)傾覆力矩,由作用在擋風(fēng)屏上的風(fēng)荷載和曲線梁上的列車(chē)離心力、搖擺力等橫向荷載共同對(duì)傾覆支點(diǎn)取矩求得。

綜合分析計(jì)算,結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定系數(shù)為6.03,滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

2.7 接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)設(shè)置

風(fēng)區(qū)段落接觸網(wǎng)支柱設(shè)置和非風(fēng)區(qū)段落相比,其對(duì)橋面板荷載增大較多,共分中間柱、轉(zhuǎn)換柱和下錨柱3種形式,接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)對(duì)橋面板作用的荷載見(jiàn)表4。

表4 接觸網(wǎng)支柱外荷載

為了滿(mǎn)足支柱基礎(chǔ)處橋面板的受力,中間柱基礎(chǔ)翼緣板可通過(guò)加強(qiáng)橋面板配筋實(shí)現(xiàn)；對(duì)于中間柱和下錨柱由于作用荷載較大,通過(guò)增加局部配筋的方式無(wú)法滿(mǎn)足受力要求,采用橋面翼緣板局部加厚處理構(gòu)造,在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)中心兩側(cè)0.9 m(順橋向)范圍內(nèi)對(duì)橋面翼緣板下部進(jìn)行局部加厚,具體構(gòu)造見(jiàn)圖6,加厚部分與梁體混凝土一同灌筑。

圖6 轉(zhuǎn)換柱和下錨柱處箱梁翼緣板局部加厚示意(單位：mm)

2.8 支座選型

風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁擋風(fēng)屏承受較大側(cè)向力,將引起箱梁被風(fēng)側(cè)支座反力增加,為保證箱梁支座豎向承載力,支座噸位較非風(fēng)區(qū)段落箱梁提高,32 m簡(jiǎn)支箱梁采用6 000 kN型號(hào)；同時(shí)也由于側(cè)向風(fēng)影響,作用于支座的水平荷載將大大增加,為滿(mǎn)足支座螺栓抗剪要求,風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)采用2個(gè)固定支座和2個(gè)縱向活動(dòng)支座設(shè)置,對(duì)于地震動(dòng)峰值A(chǔ)g<0.2g地區(qū)橋梁,支座地震動(dòng)峰值仍按照Ag=0.2g選取。支座具體布置見(jiàn)圖7。

圖7 支座布置示意(單位：mm)

2.9 耐久性措施

風(fēng)區(qū)段落的環(huán)境類(lèi)別為磨蝕環(huán)境,作用等級(jí)為M2,需考慮由環(huán)境作用引起材料性能劣化對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性帶來(lái)的影響。為了提高梁體混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能,設(shè)計(jì)構(gòu)造上加大了普通鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度,根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10005—2010)要求,風(fēng)區(qū)簡(jiǎn)支箱梁鋼筋保護(hù)層厚度采用40 mm設(shè)計(jì)。

3 施工工藝要求

在風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁的制造過(guò)程中,應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

(1)蘭新鐵路第二雙線沿線嚴(yán)重干旱少水、空氣干燥,年平均相對(duì)濕度較低,季節(jié)和晝夜溫差較大,再加上環(huán)境磨蝕等級(jí)均較高,因此對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求較高。施工過(guò)程中,混凝土選用的原材料應(yīng)有供應(yīng)商提供的出廠檢驗(yàn)合格證書(shū),并按有關(guān)檢驗(yàn)項(xiàng)目、批次規(guī)定,嚴(yán)格實(shí)施進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn),對(duì)水泥、粗、細(xì)骨料、外加劑、摻和料以及各種配件、附屬設(shè)施材料等均應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。同時(shí),針對(duì)沿線原材料的特點(diǎn),對(duì)混凝土的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

(2)采用與梁體混凝土同等壽命、同等強(qiáng)度的混凝土保護(hù)層墊塊,墊塊厚度為40 mm。

(3)混凝土灌筑過(guò)程中應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù),特別注意加強(qiáng)防風(fēng)措施,混凝土灌筑完后,混凝土表面還應(yīng)做多次趕壓抹平,保證橋面線形良好,并應(yīng)及時(shí)覆蓋。

(4)在梁的生產(chǎn)及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,應(yīng)特別注意環(huán)境濕度、溫度及風(fēng)力的影響,采取切實(shí)可靠措施加以保證,養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)結(jié)合具體養(yǎng)護(hù)措施及環(huán)境條件確定。

(5)現(xiàn)澆法施工的簡(jiǎn)支箱梁由于相鄰梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉空間的需要,封端混凝土體積較大。為加強(qiáng)后灌部分混凝土的耐久性,在梁端底板及腹板新舊混凝土結(jié)合處涂抹聚氨酯防水涂料。同時(shí),應(yīng)注意根據(jù)環(huán)境濕度、溫度及風(fēng)力作用的影響,采取措施加強(qiáng)對(duì)封端混凝土的養(yǎng)護(hù)。

(6)由于風(fēng)區(qū)環(huán)境濕度較低、溫差較大,箱梁混凝土在早期容易出現(xiàn)干燥收縮和溫度收縮裂紋,所以及時(shí)對(duì)風(fēng)區(qū)箱梁進(jìn)行預(yù)張拉顯得尤為重要。此外,拆除模板時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土強(qiáng)度和溫度的控制,大風(fēng)或氣溫急劇變化時(shí)不宜拆模。

(7)梁體翼緣板在接觸網(wǎng)支柱轉(zhuǎn)換柱和下錨柱處向下局部加厚,張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)應(yīng)注意采取措施避免加厚部分的模板阻礙梁體的變形。

(8)為保證結(jié)構(gòu)耐久性,應(yīng)結(jié)合橋梁所處風(fēng)區(qū)環(huán)境,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)外露部分及擋風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的防腐處理。

(9)考慮到箱梁工作環(huán)境氣候條件惡劣,鐵路沿線風(fēng)沙大,溫差大的自然狀況,為了減少支座維護(hù)的工作量,風(fēng)區(qū)段落采用符合設(shè)計(jì)要求的球型鋼支座。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)區(qū)段落大風(fēng)、干旱缺水和大溫差的環(huán)境條件,對(duì)風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁在設(shè)計(jì)、施工工藝方面進(jìn)行分析研究,對(duì)梁體結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性能采取措施加以保證。目前蘭新鐵路第二雙線工程風(fēng)區(qū)段落簡(jiǎn)支箱梁的施工正在有序的進(jìn)行中,其具體的施工方法還需在實(shí)踐過(guò)程中逐步予以完善。

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