繆文輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處， 西安　710043)

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客運專線四線簡支梁設計分析

繆文輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處， 西安710043)

摘要：整孔簡支箱梁因其具有受力簡單，整體剛度大，外形美觀，施工工藝簡單，后期養(yǎng)護工作小，在我國高速鐵路建設中得到廣泛采用。鐵路工程建設通用參考圖中，有砟軌道后張法預應力混凝土雙線簡支箱梁分為單箱雙室、組合箱梁、單箱單室3種截面形式。對于多線橋，尤其是四線橋，在線間距能拉開的情況下，優(yōu)先采用單線+雙線+單線或者雙線+雙線的分離式組合截面，但對于線間距無法拉開時，國內(nèi)對這種整體式箱形截面研究較少，以某線為研究背景，四線梁型采用單箱五室截面，橋墩采用三柱式花瓶墩，對四線簡支梁進行優(yōu)化設計，使其能更廣泛地應用于四線鐵路橋設計中，為四線梁的標準化設計提供參考。

關鍵詞：高速鐵路；四線簡支梁；單箱五室截面；三柱式花瓶墩；設計

1概述

在高速鐵路設計中，橋梁所占比例較大，總里程較長，在橋梁設計中因地制宜地選擇結(jié)構(gòu)形式、施工方法，才能達到最佳的技術經(jīng)濟性能，簡支箱梁以其自身特性成為高速鐵路首選梁型[4]。

本文以時速250 km有砟軌道客運專線為背景，對于四線橋因線間距變化(圖1)無法采用“單線+雙線+單線”或“雙線+雙線”分離式組合截面(圖2、圖3)時，推出單箱五室截面形式(圖4)，可滿足線路軌道平順性，在車、線、橋共同作用下，保證高速行車條件下列車的安全性及旅客的舒適性。

圖1　線路及基頂平面布置(單位：m)

圖2　小里程雙線+雙線組合截面布置(單位：cm)

圖3　大里程單線+雙線+單線組合截面布置(單位：cm)

圖4　四線橋整體橋面布置(單位：cm)

2設計原則及設計技術參數(shù)

2.1線路情況

四線直曲線上梁，雙線線間距為4.6～7.5 m，最小曲線半徑R≥5500 m，設計速度：250 km/h。

2.2橋面寬度

兩側(cè)擋砟墻內(nèi)側(cè)凈距為a+b+c+440 cm，橋面頂寬為a+b+c+850 cm，a、b、c為線間距。

2.3設計荷載

恒載計算包括結(jié)構(gòu)自重和橋面附屬設施自重[1]，列車豎向活載縱向計算采用ZK標準活載。

2.4橋面布置形式

四線整孔箱梁有砟橋面布置形式如圖4所示[3]。其軌下枕底道砟厚度最小為35 cm。橋面附屬設備包括鋼軌、道砟、軌枕、防水層、保護層、人行道板、欄桿、接觸網(wǎng)支架等，按512～538 kN/m計算。

3結(jié)構(gòu)設計

3.1梁部構(gòu)造

四線簡支箱梁采用整孔現(xiàn)澆法施工，208～216號墩之間變寬度簡支梁采用單箱五室截面，采用與通橋2229參考圖相同的梁高，箱梁高2.6 m，箱梁底板邊緣線以Ⅰ線為基準進行放線，箱梁底寬不變，通過調(diào)整翼緣板寬度實現(xiàn)變寬。梁長均為32.6 m?？缰薪孛娓拱搴?0 cm，底板厚均為28 cm，頂板兩側(cè)設置2%排水坡，頂板厚度橫向由25 cm變化至49.6 cm；梁端設110 cm厚橫隔墻，梁端500 cm范圍內(nèi)腹板逐漸加厚至100 cm，底板加厚至60 cm，頂板加厚至50～74.6 cm。每側(cè)隔墻各設置5個1.5 m×1.2 m過人洞[5]。

為改善現(xiàn)澆梁的受力性能，設計采用了在梁端設置張拉槽，縱向預應力筋均在梁端張拉的方式，避免了在頂板開槽的不利影響；同時，將支點到梁端的距離適當加大，這樣既滿足了張拉空間的需要[6]，也保證了縱向鋼束盡可能多地通過支點。設計采用在梁端設置長度550 mm后澆段的方式，預留出張拉空間，待縱向預應力筋兩端張拉完畢后，再澆筑該部分混凝土(圖5)。

圖5　梁部構(gòu)造及鋼束布置(單位：cm)

因本橋五室空心截面為等截面，為適應線間距變化對頂板受力的不利影響，對最不利活載布置工況將一線二期恒載和活載布置在箱式跨中，按照計算跨度4.448 m的箱梁進行橫向配筋檢算[13]。頂板橫向鋼筋采用φ16 mm鋼筋。并間隔20 cm并置1肢φ20 mm的彎起鋼筋，以抵抗腹板根部剪力。為簡化配筋布置形式，邊腹板和中腹板采用相同的配筋形式，腹板縱向鋼筋采用φ12 mm鋼筋，豎向鋼筋采用φ16 mm封閉箍筋，以滿足腹板剪應力和主應力要求。

3.2墩及基礎設計

208～216號墩采用三柱式花瓶墩，其中208、216號墩設有35 cm縱向預偏心，縱向預偏心設于四線簡支梁側(cè)。208～215號墩頂帽橫向?qū)? 600 cm，縱向?qū)?80 cm，墩身橫向采用三柱式截面，橫向總寬1 550 cm，縱向?qū)?50 cm，縱向放坡45∶1，橫向采用直坡，橋墩橫向布置見圖6。216號墩頂帽橫向?qū)? 800 cm，縱向?qū)?80 cm，墩身橫向采用三柱式截面，橫向總寬1 750 cm，縱向?qū)?50 cm，縱向放坡45∶1，橫向采用直坡。

208～216號墩采用φ1.25 m鉆孔灌注樁，樁基礎均按摩擦樁設計，每墩設20根樁基。

圖6　三柱墩構(gòu)造(單位：cm)

4結(jié)構(gòu)計算

4.1計算理論

寬梁的單梁模型無法正確計算橫向支座的反力、荷載的橫向分布以及內(nèi)力集中效應，利用梁格法模型可以非常方便地解決以上問題。梁格法的主要思想是將橋梁上部結(jié)構(gòu)采用一個等效梁格來模擬，將分散在橋梁每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi)，而橫向剛度則集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)[11]。

梁格劃分需要考慮的主要因素：(1) 將多室箱梁分割為梁格時，注意縱梁的中和軸位置應盡量一致；(2)每跨內(nèi)的虛擬的橫向聯(lián)系梁數(shù)量不應過少；(3)虛擬的橫向聯(lián)系梁的剛度可按一字或二字形矩形截面計算；(4)定義移動荷載的車道時，應盡量選擇按“橫向聯(lián)系梁”方法分布移動荷載，此時應將所有的橫向聯(lián)系梁定義為一個結(jié)構(gòu)組，并在定義車道時選擇該結(jié)構(gòu)組[12]。

4.2桿系模型計算結(jié)果

箱梁縱向均采用全預應力理論設計。計算以Midas梁格法計算為主，采用Bsas桿系模型作為輔助檢算，以便校核。本文采用Midas單箱多室梁格法建模助手，輸入單箱多室設計截面后，可根據(jù)設定的縱向單元尺寸，在節(jié)點處自動劃分橫向虛梁的剛度，虛梁彈性模量同梁體，容重設置為零。虛梁無截面尺寸，抗彎剛度為腹板厚度，頂?shù)装搴穸鹊扔谙淞喉數(shù)装搴穸鹊墓ぷ中谓孛鎇9]。

《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2014)規(guī)定梁體變形應符合下列規(guī)定：(1)在ZK靜活載作用下，梁體豎向撓度限值Δ為L/1 400；(2)簡支梁豎向自振頻率不應低于120/L時，可不進行車橋耦合動力響應分析；(3)在ZK靜活載作用下，梁端豎向折角不應大于2‰；(4)在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，梁體水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/4 000；(5)在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向水平變形引起的梁端水平折角應不大于1.0‰；(6)軌道鋪設后，梁的徐變上拱值不宜大于20 mm[8]。

表1給出了梁部在設計荷載作用下的各項設計指標。

圖7為平面桿系計算彎矩圖，恒載下跨中彎矩131 134 kN·m，活載下跨中彎矩32 826 kN·m，主力下跨中彎矩163 960 kN·m。支座反力計算結(jié)果見表2。

靜活載豎向撓度3.3 mm，梁端轉(zhuǎn)角0.34‰。

對頂板進行橫向配筋驗算時，取單位米箱梁進行橫向加載，活載采用ZK特種活載。其受力規(guī)律同連續(xù)梁，頂板跨中正彎矩58 kN·m，腹板處頂板負彎矩116 kN·m。考慮腹板支承寬度和梁高對負彎矩的折減，折減后負彎矩104 kN·m。頂板跨中鋼筋拉應力98 MPa，混凝土壓應力5.6 MPa。頂板根部鋼筋拉應力95 MPa，混凝土壓應力3.9 MPa，均滿足鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[2]。

表1　四線簡支梁計算結(jié)果

圖7　結(jié)構(gòu)彎矩包絡圖(單位：kN·m)

kN

4.3梁格法計算結(jié)果

單箱五室箱梁模型從左至右，將6片縱梁分別命名為1號縱梁、2號縱梁、3號縱梁、4號縱梁、5號縱梁、6號縱梁，見圖8。1號縱梁單元號為1～26號，2號縱梁單元號為27～52號，3號縱梁單元號為53～78號，4號縱梁單元號為79～104號，5號縱梁單元號為105～130號，6號縱梁單元號為131～156號。

圖8　梁格法計算模型

靜活載撓度跨中最大撓度3.8 mm。梁端轉(zhuǎn)角梁端轉(zhuǎn)角0.33‰，與桿系模型計算結(jié)果一致。梁體的縱向彎矩就每片縱梁的驗算結(jié)果見圖9～圖14。

圖9　邊縱梁最大彎矩

圖10　中縱梁最大彎矩

圖11　運營階段正截面抗裂安全系數(shù)

圖12　運營階段下緣壓應力驗算(單位：kPa)

圖13　運營階段上緣壓應力驗算(單位：kPa)

圖14　正截面抗彎安全系數(shù)

多于兩線的橋梁結(jié)構(gòu)應按照以下最不利情況考慮：按2條線路在最不利位置承受ZK活載，其余線路不承受列車活載[14]；所有線路在最不利位置承受75%的ZK活載。主力作用下，邊梁跨中彎矩21 000 kN·m，中梁跨中彎矩25 000 kN·m。

經(jīng)驗算，正截面抗裂安全系數(shù)1.9，最小壓應力2.8 MPa。運營階段上緣混凝土壓應力6.0 MPa。正截面抗彎強度安全系數(shù)2.7。

由以上計算分析可知，該四線簡支梁在主力和主+附荷載組合工況下，均滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》的相關規(guī)定。

運營階段梁體徐變變形的發(fā)展將會引起橋面的立面線形不平順，影響行車安全和旅客舒適度。恒載作用下，混凝土應力不宜大于0.4倍的混凝土軸心抗壓強度，并應分階段按相應的混凝土齡期計算混凝土的徐變變形。根據(jù)預應力混凝土梁徐變變形的發(fā)展規(guī)律，一般條件下，終張拉后60 d梁體的徐變變形可完成約50%[15]。

因此，規(guī)定在梁體終張拉開始應進行變形觀測，同時終張拉后應進行60 d的梁體徐變變形觀測，四線梁最大壓應力6 MPa，徐變上拱1 mm，均滿足高速鐵路設計規(guī)范[7]。

4.4現(xiàn)澆梁施工工藝要求

四線現(xiàn)澆梁采用滿堂支架進行施工，施工要注意解決支架和模板穩(wěn)定、地基承載力和變形等關鍵問題。

支架基礎應滿足施工對基礎的強度、穩(wěn)定性及變形的要求。箱梁施工前應采用1.2倍的施工荷載對支架進行預壓，實測支架的沉降及變形，以便提前采取預設拱度，并待支架的非彈性變形消除后，方能進行箱梁混凝土的澆筑，確保梁底高程符合設計要求[10]。

為保證梁端有足夠的張拉空間，應特別注意相鄰梁的施工順序，封錨混凝土在相鄰兩孔梁預應力筋張拉作業(yè)完畢后再灌注。

5結(jié)論

四線簡支梁因其橋面較寬，頂板橫向?qū)掃_29 m，在線間距發(fā)生變化時，無法將箱梁分幅。

針對一次四線線路情況，在橋面橫向不設橫向預應力筋前提下，采用單箱五室截面，梁高2.6 m，最大腹板間距4.448 m，腹板外輪廓與常規(guī)簡支梁一致，景觀協(xié)調(diào)，可有效簡化計算，提高工作效率，適應客運專線鐵路。

單箱五室截面形式是介于“單線+雙線+單線”和“雙線+雙線”2種分離式組合截面之間的整體式箱形截面，整體剛度更大，抗扭性能強，可在四線并行的長大區(qū)段范圍內(nèi)采用，做成標準化參考圖的形式推廣應用，本文通過桿系模型及Midas梁格法分模型，對單箱五室截面進行優(yōu)化設計，縱向為全預應力結(jié)構(gòu)，橫向為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

本設計中，四線梁搭配三柱式花瓶墩，景觀效果好，視覺通透性強，采用整體式基礎，受力合理，考慮四線活載折減系數(shù)后，下部材料用量省。

參考文獻：

[1]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3]國家鐵路局.TB 10621—2014高速鐵路設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[4]鄧運清.高速鐵路簡支箱梁設計研究[J].鐵道標準設計，2004(7)：125-129.

[5]盛興旺，李志國，鄧運清.京滬高速鐵路預應力簡支箱梁結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選[J].鐵道標準設計，2003(6)：6-9.

[6]王文利.客運專線鐵路預應力混凝土現(xiàn)澆簡支箱梁設計[J].鐵道標準設計，2009(9)：56-59.

[7]許錫昌，周偉，陳善雄.武廣鐵路客運專線32 m單跨簡支梁的徐變上拱特征分析[J].鐵道標準設計，2010 (2)：78-80.

[8]蔡超勛，胡所亭，柯在田，牛斌.更高速度條件下鐵路簡支箱梁關鍵參數(shù)研究[J].鐵道標準設計，2015(11)：59-63.

[9]孫金更.鐵路箱梁靜載試驗開裂原因分析及控制措施[J].鐵道標準設計，2015(7)：84-88.

[10]楊鵬健.高速鐵路無砟軌道單線簡支箱梁結(jié)構(gòu)設計與分析[J].鐵道標準設計，2015(5)：86-89.

[11]朱志營，齊成龍.鐵路橋梁正常使用極限狀態(tài)可靠度校準研究[J].鐵道標準設計，2015(1)：80-83.

[12]劉琛.哈大鐵路客運專線沈哈段橋梁設計[J].鐵道標準設計，2014(6)：61-65.

[13]顧津申.哈齊客運專線四線鐵路橋墩設計[J].鐵道標準設計，2014(3)：63-67.

[14]朱德榮.箱梁三維實體自動建模方法研究[J].鐵道標準設計，2014(3)：54-58.

[15]蘇永華，馬林.成灌鐵路跨度32 m預應力混凝土簡支箱梁腹板豎向受力性能試驗研究[J].鐵道標準設計，2014(2)：52-57.

收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-24

作者簡介：繆文輝(1982—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于長安大學橋梁 與隧道工程專業(yè)，工學碩士，E-mail：250701444@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0072-05

中圖分類號：U238； U448.21+7

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.017

Design Analysis of Four-line Simply Supported Beam on Dedicated Passenger Railway Line

MIAO Wen-hui

(Department of Bridge and Tunnel Engineering Design， China Railway First Survey and Design Group Co., Ltd.， Xi’an 710043, China)

Abstract：The full-span simple box girder is widely used in the high-speed railway construction due to its overall stiffness， appealing appearance， simple construction process， post maintenance work. As specified in Railway Engineering Construction General Reference Drawing， the post-tensioned pre-stressed simple concrete girders on ballasted double track are divided into three types in terms of cross-section: the single box with double chamber， the combination box girder， the single-box with single-chamber. With regard to the multi-line bridge， especially the four-line bridge， separate combined cross-section of single line+double line+single line， or double line+double line is prioritized in case that the distance between lines can be sufficiently maintained. Where the line spacing is not sufficient， less study is conduced on this full box cross-section in china. Based on a certain line， this paper introduces a single box girder cross-section with five chambers on a certain four-line railway and three-column vase pier is used. The paper also describes the structure and optimizes the design for wider application in four-line railway bridge design， which may serve as reference for standard design of four-line bridges.

Key words：High-speed railway; Four-line simply supported beam; Single box with five chambers; Three-column vase pier; Design