32m時(shí)若只能采用原位澆筑的簡(jiǎn)支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋,經(jīng)濟(jì)性也較差,且質(zhì)量不易控制。該文分析了既有高速鐵路簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)與使用情況,并根據(jù)高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)"/>
王麗琴
摘 要:高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁,下部結(jié)構(gòu)造價(jià)在橋梁建設(shè)費(fèi)用中的比重較大,大量使用跨度32 m簡(jiǎn)支梁時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差;跨度>32 m時(shí)若只能采用原位澆筑的簡(jiǎn)支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋,經(jīng)濟(jì)性也較差,且質(zhì)量不易控制。該文分析了既有高速鐵路簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)與使用情況,并根據(jù)高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度簡(jiǎn)支梁技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析研究結(jié)果,給出了分析結(jié)論。
關(guān)鍵詞:高速鐵路 預(yù)應(yīng)力 混凝土 大跨度 簡(jiǎn)支梁
中圖分類號(hào):U24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2017)04(b)-0072-02
國(guó)內(nèi)外高速鐵路橋梁主要采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu),其中預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁具有受力明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單、耐久性好、施工便捷等優(yōu)點(diǎn),是高速鐵路橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。
1 高速鐵路橋梁概況
截止2014年底,我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)16 000 km,“四縱”干線基本成型,約占世界高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的50%,已擁有全世界規(guī)模最大、運(yùn)營(yíng)速度最高的高速鐵路網(wǎng)。
我國(guó)高速鐵路多采取“以橋代路”策略,各條高速鐵路橋梁所占比例均較高,其中以跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋?yàn)橹?,部分采用跨?4 m簡(jiǎn)支箱梁,少量采用跨度40、44、56 m簡(jiǎn)支箱梁。跨度32 m及以下箱梁主要采用沿線設(shè)制梁場(chǎng)集中預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)的方法施工,跨度32 m以上簡(jiǎn)支箱梁主要采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑或節(jié)段拼裝的方法施工。
我國(guó)高速鐵路橋梁里程占線路里程的比例最高達(dá)82%,其中常用跨度混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋占橋梁總里程的比例基本在80%以上,最高達(dá)96%。橋梁技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步成為我國(guó)高速鐵路建設(shè)工程中的重大技術(shù)突破,并形成了我國(guó)自有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展,橋梁設(shè)計(jì)理論和建設(shè)技術(shù)也在逐步完善和發(fā)展,其中基于預(yù)制架設(shè)施工模式的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁就是其中重要發(fā)展方向之一。
我國(guó)高速鐵路建設(shè)規(guī)模大,橋梁數(shù)量多,設(shè)計(jì)、施工技術(shù)成熟,并依托聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)于高速鐵路橋梁的建設(shè)和發(fā)展也積累了充足的技術(shù)儲(chǔ)備。根據(jù)近年來(lái)高速鐵路常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究成果,我們對(duì)簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)理論有了更為深刻的認(rèn)識(shí),為高速鐵路(時(shí)速250 km及以上)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。
高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁,下部結(jié)構(gòu)造價(jià)在橋梁建設(shè)費(fèi)用中的比重較大,大量使用跨度32 m簡(jiǎn)支梁時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差;跨度>32 m時(shí)若只能采用原位澆筑的簡(jiǎn)支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋,經(jīng)濟(jì)性也較差,且質(zhì)量不易控制。發(fā)展跨度40 m及以上預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁,并采用集中預(yù)制、運(yùn)梁車移運(yùn)、架橋機(jī)架設(shè)的施工模式,將顯著提高橋梁的經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上、采用預(yù)制架設(shè)施工模式的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁技術(shù),不但能夠提高簡(jiǎn)支梁橋的跨越能力,還能夠擴(kuò)大簡(jiǎn)支梁橋的適用范圍,并具有一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
2 既有高速鐵路簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)與使用情況
2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及控制指標(biāo)
對(duì)于我國(guó)高速鐵路用量最大的跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁,高速鐵路運(yùn)營(yíng)活載靜態(tài)效應(yīng)(動(dòng)車組)約為設(shè)計(jì)活載靜效應(yīng)的35%~40%,橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)已由強(qiáng)度變?yōu)閯偠?。橋梁結(jié)構(gòu)的變形和變位限值主要是為保證橋上軌道結(jié)構(gòu)受力安全性和穩(wěn)定性,同時(shí)滿足列車高速運(yùn)行條件下行車安全及乘車舒適的要求。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,高速鐵路橋梁剛度設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足如下要求。
2.1.1 梁端轉(zhuǎn)角
對(duì)于采用無(wú)砟軌道的橋梁,由于梁端豎向轉(zhuǎn)角使得梁縫兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)分別產(chǎn)生鋼軌的上拔和下壓現(xiàn)象。當(dāng)上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時(shí)將導(dǎo)致鋼軌與下墊板脫開(kāi),當(dāng)墊板所受下壓力過(guò)大時(shí)可能導(dǎo)致墊板產(chǎn)生破壞,對(duì)于采用有砟軌道的橋梁,還要保證橋梁接縫部位有砟道床的穩(wěn)定性。
2.1.2 豎向自振頻率限值
研究表明梁體固有頻率過(guò)低將導(dǎo)致高速列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生較大振動(dòng)或共振,頻率過(guò)高時(shí)橋上軌道不平順引起的車輛動(dòng)力響應(yīng)明顯增加,因此,對(duì)簡(jiǎn)支梁豎向自振頻率提出限值。對(duì)于運(yùn)行車長(zhǎng) 24~26 m的動(dòng)車組、L≤32 m混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁,給出了不需要進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析的自振頻率限值。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于跨度40 m及以上的簡(jiǎn)支梁,由于長(zhǎng)列荷載的影響,動(dòng)力荷載產(chǎn)生的突變效應(yīng)減弱。高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)的控制性參數(shù)與橋梁跨度有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),選取跨度20、24、32及40 m的簡(jiǎn)支箱梁,每種跨度的簡(jiǎn)支梁分別選取21種不同尺寸的截面,二期恒載統(tǒng)一按180 kN/m來(lái)計(jì)算梁體豎向基頻,以此研究分析不同剛度設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)系。根據(jù)不同剛度限值對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。32 m及以下跨度簡(jiǎn)支梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中不需要?jiǎng)恿z算的下限值,40 m箱梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中公式計(jì)算的下限值,梁端懸出長(zhǎng)度按預(yù)制架設(shè)模式統(tǒng)一取0.55 m,梁端轉(zhuǎn)角限值取1.5×10-3 rad。
綜上分析可以看出:(1)梁體豎向剛度滿足梁端轉(zhuǎn)角限值或滿足基頻限值的情況下,撓跨比遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的1/1 600,撓跨比不控制梁體設(shè)計(jì);(2)跨度32 m及以下的預(yù)制簡(jiǎn)支梁,基頻為梁體設(shè)計(jì)控制指標(biāo);(3)跨度40 m預(yù)制簡(jiǎn)支梁,基頻和梁端轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系接近,梁體設(shè)計(jì)控制指標(biāo)在基頻和梁端轉(zhuǎn)角方面差別較小,可實(shí)現(xiàn)箱梁經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)。
2.2 實(shí)梁設(shè)計(jì)狀況
以我國(guó)高速鐵路跨度32、40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁為代表,分析了既有簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)情況。
2.2.1 跨度32 m簡(jiǎn)支箱梁
高速鐵路有砟、無(wú)砟橋面雙線箱梁二期恒載設(shè)計(jì)值分別為 206.5~211.0 kN/m和120.0~180.0 kN/m,受二期恒載影響(不同無(wú)砟軌道類型、直曲線及有無(wú)聲屏障等),同一圖號(hào)的無(wú)砟簡(jiǎn)支箱梁基頻和殘余徐變拱度略有差異。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速350 km高速鐵路32 m無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁,預(yù)制梁的梁端轉(zhuǎn)角、基頻的設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范參數(shù)比值分別為53%,101%~108%,現(xiàn)澆梁相應(yīng)的兩者比值分別為70%和106%~114% 。
2.2.2 跨度40 m簡(jiǎn)支箱梁
時(shí)速350 km高速鐵路無(wú)砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁,計(jì)算跨度為39.1 m,施工方法為原位現(xiàn)澆,截面中心梁高為3.75 m,橋面寬度為12.0 m,質(zhì)量1 130 t。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速350 km高速鐵路跨度40 m無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁,梁端轉(zhuǎn)角、基頻的設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范限值的比值分別為62%和139%。
2.2.3 對(duì)比分析
(1)高速鐵路各種箱梁的撓跨比設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值;(2)跨度32 m箱梁的豎向基頻設(shè)計(jì)值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值,梁端轉(zhuǎn)角富余度較高,基頻限值控制箱梁的設(shè)計(jì);(3)跨度40 m梁與跨度32 m梁的梁端轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值的比值基本相當(dāng),40 m梁基頻設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值的比值大于32 m梁的相應(yīng)比值,跨度40 m梁的豎向基頻有較大優(yōu)化空間。
2.3 實(shí)梁測(cè)試結(jié)果
將高速鐵路常用跨度簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)情況和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知:(1)撓跨比不是梁體設(shè)計(jì)控制指標(biāo),跨度32 m以下的簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)參數(shù)由基頻控制,跨度40 m的簡(jiǎn)支梁基頻和梁端轉(zhuǎn)角的影響接近;(2)高速鐵路各種箱梁的撓跨比設(shè)計(jì)值小于規(guī)范規(guī)定的限值??缍?2 m箱梁豎向基頻設(shè)計(jì)值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值,跨度40 m箱梁基頻設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值的差別較大,有較大的優(yōu)化空間;(3)從設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果來(lái)看,我國(guó)高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁技術(shù)可行(如圖1)。
3 研究結(jié)論
根據(jù)高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度簡(jiǎn)支梁技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析研究結(jié)果,得出結(jié)論如下:(1)高速鐵路跨度40 m簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)已從跨度32 m簡(jiǎn)支梁的剛度(基頻) 控制轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度和剛度(基頻、梁端轉(zhuǎn)角)共同控制;(2)跨度40 m預(yù)制簡(jiǎn)支梁的梁高設(shè)計(jì)可以控制在3.1 m左右,單孔梁質(zhì)量可以控制在1 000 t以內(nèi)。該梁高與既有跨度32 m簡(jiǎn)支梁的梁高接近,便于橋梁跨度布置及美觀設(shè)計(jì);(3)無(wú)論是研制新的運(yùn)架設(shè)備還是對(duì)既有的運(yùn)架設(shè)備進(jìn)行改造,均可滿足跨度40 m預(yù)制簡(jiǎn)支梁的制、運(yùn)、架施工要求;(4)高速鐵路跨度40 m的預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋,在墩高10 m左右的常規(guī)地段綜合造價(jià)與跨度32 m簡(jiǎn)支梁橋相比具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),在高墩、深基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)費(fèi)用較高的地段綜合造價(jià)與跨度32 m簡(jiǎn)支梁橋相比經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)增加;(5)采用跨度40 m預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋,可提高橋梁的跨越能力、增加橋跨布置的適應(yīng)性、減少墩臺(tái)基礎(chǔ)的數(shù)量、擴(kuò)大簡(jiǎn)支梁橋的適用范圍,并可減少施工作業(yè)班次、提高生產(chǎn)效率,工程建設(shè)實(shí)際意義顯著。
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