張　帥

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津　300142)

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高速鐵路5×50 m鋼箱-混凝土連續(xù)結(jié)合梁設(shè)計(jì)研究

張帥

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津300142)

連續(xù)結(jié)合梁作為將鋼與混凝土相組合共同參與工作的體系，受力十分復(fù)雜，應(yīng)用中要確保結(jié)構(gòu)具有良好的靜力、動(dòng)力性能。以某高速鐵路5×50 m鋼箱-混凝土連續(xù)結(jié)合梁為工程背景，介紹設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)處理、橋面板預(yù)應(yīng)力施加、混凝土徐變和活載效應(yīng)、動(dòng)力性能等重點(diǎn)問題的計(jì)算和分析，研究表明，通過調(diào)整施工順序、采用合理的徐變及活載計(jì)算方法、底板鋪設(shè)混凝土等措施，可使結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

高速鐵路；鐵路橋梁；連續(xù)梁；結(jié)合梁；負(fù)彎矩區(qū)處理；混凝土徐變；動(dòng)力性能；設(shè)計(jì)

1　概述

結(jié)合梁作為通過剪力連接件將鋼板、鋼箱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和混凝土結(jié)合成組合截面共同工作的一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)[1-3]，在公路、城市道路中應(yīng)用較多，而在鐵路工程尤其是高速鐵路工程中應(yīng)用較少，簡(jiǎn)支結(jié)合梁能發(fā)揮混凝土受壓、鋼材受拉的優(yōu)勢(shì)，而連續(xù)結(jié)合梁在受力、構(gòu)造、分析方法上都較為復(fù)雜。

本梁線路標(biāo)準(zhǔn)為時(shí)速350 km客運(yùn)專線，雙線，無砟軌道，位于直線及平坡上，跨越河道處斜交角度為26°，水深7.2 m，主槽內(nèi)及河堤上不允許設(shè)墩、河中需采用圓形墩并盡量減少下部結(jié)構(gòu)工程量，且防汛期間河中不允許搭設(shè)支架，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形等具體情況，橋梁孔跨形式采用5×50 m鋼箱-混凝土連續(xù)結(jié)合梁。

2　結(jié)構(gòu)形式

本梁由鋼箱梁和鋼筋混凝土橋面板組成，通過剪力釘將兩者連接起來共同參與結(jié)構(gòu)受力。

梁部采用等高度形式，總高4 m，鋼箱梁采用Q370qD，截面為單箱雙室閉口截面，頂寬12.8 m，底寬6.8 m，頂、底板厚20～32 mm，腹板厚16～20 mm，頂?shù)装逶O(shè)連續(xù)縱向加勁肋，腹板設(shè)豎向加勁肋和水平加勁肋，4 m左右設(shè)1道橫隔板，在兩線線路中心線下方各設(shè)1道通長(zhǎng)的小縱梁，鋼箱梁采用頂推拖拉法施工[4-6]。

橋面板為采用分塊預(yù)制及后澆濕接縫的形式，預(yù)制橋面板縱向3～5 m一段，預(yù)制節(jié)段間設(shè)后澆帶，同時(shí)在預(yù)制板范圍預(yù)留剪力釘槽，預(yù)制板采用C55混凝土，橋面板濕接縫及剪力釘槽采用C55微膨脹混凝土。橋面板采用等截面，寬12.8 m，中部高0.4 m，懸臂端部高0.25 m。待鋼梁就位后，分段安裝預(yù)制橋面板，澆筑濕接縫及剪力釘槽成橋。在鋼箱梁底板內(nèi)側(cè)鋪設(shè)C30混凝土，并通過剪力釘同底板相連。

鋼梁和橋面板之間通過剪力釘連接，鋼箱梁頂面焊接φ22×220 mm剪力釘，材料為ML15。梁部立面及典型斷面見圖1、圖2。

圖1　5×50 m鋼箱-混凝土結(jié)合梁立面(單位：mm)

圖2　鋼箱-混凝土結(jié)合梁梁體橫斷面(單位：mm)

3　結(jié)構(gòu)計(jì)算及相關(guān)問題分析

3.1負(fù)彎矩區(qū)的處理方法分析

同簡(jiǎn)支結(jié)合梁不同，連續(xù)結(jié)合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板將承受拉力，對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)橋面板受拉的處理是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，一般有兩種處理方案：一是張拉預(yù)應(yīng)力鋼束不允許混凝土開裂；二是允許開裂但采用高配筋控制裂縫寬度。

兩種處理方案在分析方法上有所不同，采用張拉預(yù)應(yīng)力鋼束方案不考慮橋面板開裂時(shí)，計(jì)入橋面板的作用；采用高配筋方案時(shí)中支點(diǎn)兩側(cè)跨度各15%范圍內(nèi)受拉橋面板不參與工作，但其有效寬度內(nèi)的縱向受拉鋼筋可以計(jì)入。

采用高配筋方案，施工簡(jiǎn)單，受力明確，通過配置一定比例的鋼筋能有效限制裂縫寬度，在極限狀態(tài)下能有效抵抗外荷載；采用張拉預(yù)應(yīng)力鋼束方案，經(jīng)過試算能有效減少橋面板拉應(yīng)力，甚至能確保全梁橋面板處于不開裂狀態(tài)，但構(gòu)造較復(fù)雜，需配置大量預(yù)應(yīng)力鋼束，同時(shí)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)受鋼梁影響，效率低、后期損失大，錨頭處對(duì)剪力釘影響較大；故本梁采用高配筋方案。

3.2橋面板施加預(yù)應(yīng)力方法

為減少混凝土橋面板拉應(yīng)力，對(duì)橋面板施加預(yù)應(yīng)力一般可采用以下措施[7-10]。

(1)調(diào)整橋面板施工順序：先跨中后支點(diǎn)，減少跨中橋面板自重對(duì)支點(diǎn)負(fù)彎矩影響。

(2)支點(diǎn)位移法：支點(diǎn)頂升后澆筑橋面板，再通過支點(diǎn)下降施加預(yù)應(yīng)力。

(3)在混凝土橋面板中布置預(yù)應(yīng)力鋼束。

(4)預(yù)加載法：在跨中區(qū)段進(jìn)行預(yù)加載，澆筑支點(diǎn)混凝土再卸載。

(5)在鋼梁內(nèi)施加體外預(yù)應(yīng)力。

本梁在設(shè)計(jì)時(shí)采用上述的(1)、(2)兩種措施施加預(yù)應(yīng)力。

3.2.1橋面板施工順序

橋面板施工順序?yàn)橄葷部缰泻瓦吙缁炷翗蛎姘?，后澆支點(diǎn)處橋面板，以減少支點(diǎn)負(fù)彎矩，分別按照混凝土一次澆筑和分段澆筑，通過調(diào)整橋面板施工順序，混凝土鋪設(shè)完成后，負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力可降低1.7 MPa。

3.2.2支點(diǎn)位移法方案

(1)支點(diǎn)頂升順序

對(duì)于多跨連續(xù)結(jié)合梁頂升順序可以分多種，可以逐支點(diǎn)頂落，可先頂落中支點(diǎn)再頂落次中支點(diǎn)，也可全部頂升后先后下落。

通過比選，本梁采用的支點(diǎn)頂落順序是：頂升中支點(diǎn)和次中支點(diǎn)鋼梁—施工各中跨跨中橋面板(6 m范圍)和邊跨橋面板(10 m范圍)—施工中支點(diǎn)橋面板—鋪設(shè)次中支點(diǎn)底板混凝土(15 m范圍)—下降中支點(diǎn)—在次中支點(diǎn)頂升狀態(tài)下施工次中支點(diǎn)橋面板—施工邊跨跨中橋面板(10 m范圍)—鋪設(shè)中支點(diǎn)底板混凝土(15 m范圍)—下降次中支點(diǎn)—施工其余底板混凝土、二期恒載等，梁體橋面板施工順序見圖3。

圖3　橋面板施工順序(單位：cm)

(2)支點(diǎn)頂升量

頂升量方案1：中支點(diǎn)頂升0.7 m，次中支點(diǎn)頂升0.25 m。

頂升量方案2：中支點(diǎn)頂升0.6 m，次中支點(diǎn)頂升0.2 m。

隨著頂升量的增大，可對(duì)橋面板施加更大的預(yù)壓應(yīng)力，從而減少運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋面板的拉應(yīng)力，方案1比方案2橋面板拉應(yīng)力最大可減小0.46 MPa，但同時(shí)造成施工階段鋼梁下緣壓應(yīng)力過大，因此頂升量選擇方案2。

(3)頂梁效應(yīng)分析

通過支點(diǎn)頂升后下落可以對(duì)橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，但后期預(yù)應(yīng)力損失比較大。不采用頂梁以及頂梁時(shí)成橋階段橋面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4。采用頂升量方案2時(shí)，計(jì)算直接施加到橋面板的應(yīng)力達(dá)到 5.4 MPa，從而有效降低普通鋼筋配置。

圖4　不頂梁及不同頂梁高度橋面板應(yīng)力

3.3混凝土徐變效應(yīng)計(jì)算方法

橋面板混凝土隨時(shí)間推移會(huì)發(fā)生徐變，徐變會(huì)引起鋼梁和橋面板之間應(yīng)力重分布，對(duì)于連續(xù)結(jié)合梁，還會(huì)引起內(nèi)力重分布，徐變作用對(duì)橋面板受力較大，為準(zhǔn)確計(jì)算徐變對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響，本梁設(shè)計(jì)時(shí)采用兩種不同的徐變效應(yīng)計(jì)算方法，即采用有效彈性模量法分別計(jì)算各荷載類型對(duì)應(yīng)的徐變效應(yīng)進(jìn)行疊加，以及采用徐變系數(shù)法單獨(dú)計(jì)算徐變影響。

分別按彈性模量比n=21計(jì)以及徐變系數(shù)終極值1+φ=2.5計(jì)算，得到兩種徐變計(jì)算方法橋面板及鋼梁應(yīng)力見圖5～圖7。

圖5　兩種徐變計(jì)算方法橋面板應(yīng)力

圖6　兩種徐變計(jì)算方法鋼箱梁上緣應(yīng)力

圖7　兩種徐變計(jì)算方法鋼箱梁下緣應(yīng)力

由圖5～圖7可知，兩種方法考慮徐變效應(yīng)橋面板的應(yīng)力總體相差不大，對(duì)鋼梁應(yīng)力結(jié)果影響很小，而第二種方法不僅能計(jì)算成橋后徐變效應(yīng)，且便于考慮施工階段橋面板分段澆筑時(shí)，橋面板齡期不同對(duì)徐變效應(yīng)的影響，因此，本梁采用徐變系數(shù)法考慮施工階段和成橋后混凝土徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

3.4活載效應(yīng)

混凝土在多次重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生殘余變形，對(duì)于考慮此效應(yīng)后的活載彈模比《鐵路鋼-混凝土結(jié)合梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(TBJ24—89)規(guī)定采用n=10，《鐵路橋涵極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)暫行規(guī)范》根據(jù)不同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用疲勞模量，C55混凝土對(duì)應(yīng)彈模比約為n=12.2。歐洲規(guī)范、德國(guó)規(guī)范等規(guī)定將活載計(jì)算時(shí)視為短期荷載，不考慮使用折減的彈模比，即n=6。不同規(guī)范對(duì)活載效應(yīng)考慮方法不盡相同。

而通過對(duì)活載作用下彈模比進(jìn)行試驗(yàn)等研究[11-12]，得到了類似結(jié)論，活載短期作用下混凝土的彈模為瞬時(shí)彈性模量，活載多次重復(fù)荷載作用下瞬時(shí)彈性模量基本不變，但會(huì)引起殘余變形，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這部分殘余變形。

本梁設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)活載作用彈模比不進(jìn)行折減n=6，考慮活載引起的殘余變形時(shí)采用加大恒載徐變系數(shù)的方法，根據(jù)本梁所處環(huán)境，推算恒載彈模比n=21。

按照恒載彈模比n=21，活載彈模比n=6以及按照恒載彈模比n=15，活載彈模比n=12.2，計(jì)算得到橋面板應(yīng)力見圖8～圖10，第一種方法橋面板計(jì)算結(jié)果普遍比后者大，最大差值約1.8 MPa，對(duì)橋面板設(shè)計(jì)偏于安全，對(duì)鋼梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果影響不大。

圖8　兩種彈模比取值時(shí)橋面板應(yīng)力

圖9　兩種彈模比取值時(shí)鋼箱梁上緣應(yīng)力

圖10　兩種彈模比取值時(shí)鋼箱梁下緣應(yīng)力

3.5動(dòng)力性能

本梁位于高速鐵路無砟軌道段，對(duì)行車平順性、舒適性等要求較高，結(jié)構(gòu)不僅要關(guān)注截面強(qiáng)度、變形等，還要注重結(jié)構(gòu)自振頻率等動(dòng)力性能[13]。

采用空間有限元建立全橋動(dòng)力分析模型，對(duì)橋梁在CRH3、CRH2客車作用下的車橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行了分析，評(píng)價(jià)了該橋梁方案的動(dòng)力性能及列車運(yùn)行安全性與平穩(wěn)性，并比較了鋼箱梁鋪設(shè)底板混凝土與不鋪設(shè)底板混凝土兩種方案結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，研究表明：

(1)鋪設(shè)底板混凝土基頻，梁體一階豎向頻率2.734 Hz；不鋪設(shè)底板混凝土基頻，梁體一階豎向頻率2.574 Hz。鋪設(shè)底板混凝土后梁體豎向頻率有所提高。

(2)在國(guó)產(chǎn)CRH3動(dòng)力分散式車組以速度180～420 km/h運(yùn)行時(shí)，鋪設(shè)底板混凝土跨中橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.481、3.233 mm，跨中橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.055、0.474 m/s2；不鋪設(shè)底板混凝土?xí)r跨中橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.479、3.173 mm，跨中橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.059、0.499 m/s2。鋪設(shè)底板混凝土后，橋梁位移響應(yīng)相差不大，橋梁加速度響應(yīng)略有減小。各跨的豎向和橫向振動(dòng)位移較小，豎向和橫向振動(dòng)加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明本橋的振動(dòng)性能良好。

(3)國(guó)產(chǎn)CRH3、CRH2客車以速度180～420 km/h通過時(shí)，兩種方案動(dòng)車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，保證了高速列車的行車安全。

(4)兩種方案國(guó)產(chǎn)CRH3動(dòng)力分散式車組以速度180～420 km/h通過時(shí)，豎向和橫向舒適性達(dá)到“優(yōu)良”、“良好”；CRH2動(dòng)力分散式車組以速度180～250 km/h通過時(shí)，豎向、橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)良”，CRH2動(dòng)力分散式車組以速度275～420 km/h通過時(shí)，豎向舒適性達(dá)到“優(yōu)良”，橫向舒適性達(dá)到“良好”、“合格”。

由此可見，本梁在鋪設(shè)底板混凝土后結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能有所改善，經(jīng)綜合比選，采用鋪設(shè)底板混凝土方案，同時(shí)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)響應(yīng)指標(biāo)滿足高速鐵路無砟軌道行車要求，確保了高速行車的安全、穩(wěn)定和舒適。

4　結(jié)語

連續(xù)結(jié)合梁具有跨越能力強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣、施工時(shí)對(duì)環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)[14-15]。通過對(duì)5×50 m鋼箱-混凝土連續(xù)結(jié)合梁設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)問題的計(jì)算和分析，得到以下結(jié)論。

(1)通過對(duì)多跨連續(xù)結(jié)合梁橋面板施工順序優(yōu)化，采用合適的支點(diǎn)頂升順序和支點(diǎn)頂升量，可為負(fù)彎矩區(qū)橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，從而改善成橋后橋面板受力，降低配筋率。

(2)混凝土徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應(yīng)力重分布影響較大，應(yīng)準(zhǔn)確考慮施工階段和成橋后混凝土徐變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

(3)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及試驗(yàn)研究表明，活載多次重復(fù)荷載作用下混凝土瞬時(shí)彈性模量基本不變，本梁設(shè)計(jì)時(shí)按照增大恒載彈模比的方法考慮活載引起的殘余變形，對(duì)橋面板設(shè)計(jì)偏于安全。

(4)通過對(duì)梁體進(jìn)行動(dòng)力仿真，表明結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能滿足高速行車安全性和乘坐舒適性的要求。

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Design and Research of 5×50 m Steel Box-concrete Composite Continuous Girder for High-speed Railway

ZHANG Shuai

(Bridge Engineering Design and Research Department， The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Continuous composite girder is the system acting jointly by steel and concrete， thus its stress conditions are very complicated and good static and dynamic performances are required. With reference to the steel box-concrete composite continuous girder with span of 5×50 m on a high-speed railway line， this paper introduces the computation and analysis of the negative moment area， the application of prestressed concrete slab， the effects of concrete creep and live load， the dynamic performances. The research results show that every single index in the continuous composite girder can be met by means of adjusting the construction order of concrete slab， using rational computation of creep and live load and laying concrete on the base plate of steel box and so on．

High-speed railway; Railway bridge; Continuous girder; Composite girder; Treatment of negative moment area; Concrete creep; Dynamic performance; Design

2016-02-28；

2016-03-20

張帥(1986—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于天津大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail：zhangshuai01@tsdig.com。

1004-2954(2016)09-0059-04

U442.5； U448.21+6

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.013