趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

與路基工程相比，橋梁具有沉降穩(wěn)定、架設(shè)速度快、建設(shè)周期短等優(yōu)勢[1]，因而在高速鐵路里程上橋梁占有大比重。高速鐵路對于線路的平順性要求很高，因此對于路線中的橋梁結(jié)構(gòu)也提出了很高的要求。連續(xù)梁橋由于其設(shè)計及施工工藝成熟、結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順等優(yōu)點(diǎn)[2]成為在跨越障礙物時的首選方案。高速鐵路橋梁設(shè)計時受到線路坡度限制的影響，在跨越運(yùn)營線路時軌頂高程的可調(diào)余地較小，另外線下線路的建筑限界影響，造成橋梁建筑高度受限，而連續(xù)梁橋梁高較大，若改用鋼橋等橋型，可能造成造價大幅度增加，故在可能的情況下，適當(dāng)調(diào)高軌頂高程，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計可能的范圍內(nèi)降低連續(xù)梁梁高，并通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性與相同跨徑的連續(xù)梁橋相近，則可以選擇連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，降低工程總體造價。另外選擇梁高較小的連續(xù)梁時可以降低線路整體高程，降低工程投資。

在連續(xù)梁橋設(shè)計研究方面，大多是針對橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和動力參數(shù)進(jìn)行研究，很少有針對橋梁高度設(shè)計方面的研究。梁會[3]通過靜力計算和動力分析，得到高速鐵路連續(xù)梁橋的應(yīng)力、變形情況及動力特性、列車走行性分析成果。宋基軍[4]對一座高速鐵路(60+100+60)m連續(xù)梁橋在懸臂施工過程中影響主梁梁體線形和內(nèi)力因素進(jìn)行了研究，并討論了不同跨徑連續(xù)梁橋在相同懸臂長度時的線形和內(nèi)力變化規(guī)律。楊耀等[5]結(jié)合3種跨度的連續(xù)梁橋，采用數(shù)值分析方法計算，分析了懸臂施工過程不同工況下梁體的變形規(guī)律。陳麟[6]分析了連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)不同工況、階段的徐變特性及其變化規(guī)律。戴金松[7]提出了高速鐵路多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋上無砟無縫線路的設(shè)計原則及設(shè)計方案。姚成釗[8]分析了設(shè)計參數(shù)對后期徐變的影響。黃興[9]對地震作用下連續(xù)梁橋-軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。趙永軍[10]通過對橋梁動力特性和結(jié)構(gòu)懸臂階段彈性模量的研究，提出了基于動力特性并加以實(shí)施多階段測試計算修正得出的彈性模量，更能反映實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能。

在跨越既有運(yùn)營線路時，(60+100+60) m跨度連續(xù)梁橋為我國高鐵建設(shè)中經(jīng)常采用的橋型布置方案。支點(diǎn)梁高有7.85 m和7.20 m兩種情況，全長均為221.5 m。故設(shè)計時需要對兩種連續(xù)梁橋的受力性能進(jìn)行對比研究，另外，結(jié)構(gòu)剛度對行車舒適性的影響也很大，需要對比分析兩橋的動力特性。本文主要針對兩種梁高情況下的(60+100+60) m連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的靜力和動力性能進(jìn)行了對比分析研究。

1 設(shè)計概況

1.1 支點(diǎn)梁高7.20 m連續(xù)梁概況

設(shè)計行車速度為250 km/h。中支點(diǎn)處梁高7.20 m，跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段處梁高為4.60 m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端0.75 m。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬6.4 m。頂板厚度35.4～45.4 cm、45.4～55.4 cm，按折線變化，底板厚度40～120 cm，按直線性變化，腹板厚60～80 cm、80～100 cm，按折線變化。箱梁中跨最大靜活載撓度-37.3 mm，為跨度的1/2 680。全梁在端支點(diǎn)、中跨跨中及中支點(diǎn)處共設(shè)5個橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。梁部橫截面如圖1所示。

圖1 支點(diǎn)梁高7.20 m梁部橫截面(單位：mm)

1.2 支點(diǎn)處梁高7.85 m連續(xù)梁概況

設(shè)計行車速度為350 km/h。中支點(diǎn)梁高7.85 m，跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段梁高為4.85 m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端0.75 m。梁體為單箱單室、變高度、變截面直腹板形式。頂板厚除梁端附近為65 cm外，余均為40 cm；底板厚度由跨中的40 cm變化至支點(diǎn)根部的120 cm，按直線變化，梁端附近為80 cm；腹板厚60～80～100 cm，按折線變化。箱梁中跨最大靜活載撓度-33.3 mm，為跨度的1/3 002。橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。梁端底板設(shè)有0.25 m×1.5 m的槽口，且設(shè)置半徑250 mm的倒角。其梁部橫截面圖如圖2所示。

圖2 支點(diǎn)梁高7.85 m梁部截面(單位：mm)

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

兩種結(jié)構(gòu)的塊段長度及塊段劃分相同，對比分析了兩座橋的結(jié)構(gòu)尺寸、塊段質(zhì)量等設(shè)計參數(shù)如圖3所示。其中圖3(a)選擇的0號塊端部進(jìn)行對比。

可見，兩種情況下梁高差從支點(diǎn)處0.60 m逐漸變化到跨中處的0.25 m；兩種情況下的腹板厚度及底板厚度一致；為提高7.20 m梁高橋梁的剛度，設(shè)計時對頂板設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，通過加大頂板厚度提高結(jié)構(gòu)剛度；由圖3(b)可見，7.85 m梁高橋梁頂板厚度基本維持常數(shù)，而7.20 m梁高橋梁頂板厚度在支點(diǎn)位置較大，在跨中位置稍小。由于橫隔板較厚，梁段質(zhì)量7.20 m梁高結(jié)構(gòu)0號塊稍大，其余梁段兩種情況下的質(zhì)量基本一致。

2 設(shè)計結(jié)果對比

兩種情況下橋梁的施工過程相同，建立連續(xù)梁的有限元模型，將全橋分為82個單元和83個節(jié)點(diǎn)，主要進(jìn)行成橋內(nèi)力、變形及承載能力的對比分析，總結(jié)不同梁高下連續(xù)梁橋靜力特性的分布規(guī)律。

2.1 成橋內(nèi)力分析

橋梁內(nèi)力計算包括恒載內(nèi)力、活載內(nèi)力計算，以及考慮不同荷載安全系數(shù)進(jìn)行的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的荷載內(nèi)力組合計算[11]。梁體上下緣累計應(yīng)力可作為結(jié)構(gòu)安全儲備的反映，也是保證橋梁運(yùn)營安全的主要設(shè)計指標(biāo)。

對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，本分析的成橋內(nèi)力為恒載內(nèi)力分析結(jié)果，恒載內(nèi)力包括自重和二期恒載，并對比邊跨跨中、中支點(diǎn)及中跨跨中等控制截面的上下緣應(yīng)力。成橋內(nèi)力對比見圖4。

圖3 梁體設(shè)計參數(shù)對比

圖4 成橋內(nèi)力對比

由圖4可知：由于兩種情況下的結(jié)構(gòu)自重基本相同，故恒載內(nèi)力相近。圖5列出了成橋階段包含預(yù)應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)成橋應(yīng)力。表1列出了在不同二期恒載下的控制截面累計應(yīng)力計算結(jié)果，應(yīng)力以受壓為正。

圖5 梁部結(jié)構(gòu)成橋應(yīng)力(單位：MPa)

MPa

由圖5及表1結(jié)果對比分析可知：

(1)兩種情況下的成橋應(yīng)力圖趨勢接近，數(shù)值相近；控制截面的應(yīng)力相差很小；

(2)經(jīng)過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩種梁高情況下的結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)接近，承受活載時的梁體安全儲備接近。

2.2 成橋累計位移分析

主梁線形為連續(xù)梁橋施工控制的主要目標(biāo)，直接影響成橋的最終狀態(tài)[12-13]。對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，設(shè)置預(yù)拱度是使得成橋線形滿足施工和運(yùn)營要求的重要手段，而成橋累計位移可作為設(shè)置預(yù)拱度的重要依據(jù)。圖6對兩連續(xù)梁收縮徐變完成后的累計位移進(jìn)行了對比分析。

圖6 連續(xù)梁累計位移對比

由圖6可知：連續(xù)梁整體變形趨勢相近，均是邊跨梁段變形較小，中跨跨中附近梁段變形較大；梁體的累計位移和預(yù)應(yīng)力有較大的聯(lián)系，兩種情況下的累計位移均不大，相應(yīng)的線形監(jiān)控的難度也不是很高。

2.3 主力作用下的設(shè)計結(jié)果對比

主力作用下兩種梁高情況下梁體分析結(jié)果列于表2。

表2 主力作用下的計算結(jié)果

由表2可以看出：

(1)7.20 m梁高結(jié)構(gòu)的跨中下緣最小壓應(yīng)力大于7.85 m梁高的結(jié)構(gòu)；

(2)7.20 m梁高結(jié)構(gòu)的最小強(qiáng)度安全系數(shù)及抗裂安全系數(shù)稍小于7.85 m梁高的結(jié)構(gòu)；

(3)兩種情況下的計算殘余徐變變形值均小于10 mm，滿足后期運(yùn)營要求。

2.4 梁端轉(zhuǎn)角對比

兩種梁高情況下連續(xù)梁均采用有砟軌道，為保證梁部接縫處的穩(wěn)定性，在ZK活載靜力作用下，梁端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于2‰rad[14]。由分析結(jié)果，支點(diǎn)梁高7.85 m，連續(xù)梁梁端轉(zhuǎn)角為0.85‰rad，支點(diǎn)梁高7.20 m，連續(xù)梁梁端轉(zhuǎn)角為1.26‰rad。結(jié)果表明，梁高的減小會使得梁端轉(zhuǎn)角有所增加，但均符合規(guī)范要求。

3 動力特性分析

結(jié)構(gòu)動力特性分析主要是為求得結(jié)構(gòu)自身的動力特性[15]。車橋耦合動力響應(yīng)分析，主要包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對橫向力、旅客乘坐舒適度指標(biāo)[16]等。其中橋梁的自振頻率是評價橋梁安全性的重要指標(biāo)。自振頻率的提高，可以降低橋梁的動力系數(shù)[17]，防止其達(dá)到峰值而導(dǎo)致共振。采用Midas Civil建立高速鐵路連續(xù)梁的有限元模型，采用Ritz向量法計算特征值，兩種情況下的梁體豎向振型形狀相同，如圖7所示，其振動頻率列于表3。

圖7 梁部結(jié)構(gòu)振型

階數(shù)頻率/Hz支點(diǎn)梁高7.20m支點(diǎn)梁高7.85m11.7581.82323.4293.525

表3結(jié)果表明，兩種情況下的梁體振動頻率相近，支點(diǎn)高度7.85 m結(jié)構(gòu)振動頻率稍大。

4 結(jié)論

對兩種不同梁高截面的連續(xù)梁進(jìn)行了靜動力特性分析，通過以上分析，得出以下結(jié)論。

(1)經(jīng)過細(xì)致的設(shè)計，兩種梁高情況下的橋梁結(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力和應(yīng)力基本一致，兩種情況下的安全儲備相近。

(2)兩種梁高橋梁結(jié)構(gòu)在主力作用下的計算結(jié)果相近，殘余徐變變形均能滿足運(yùn)營要求。

(3)降低梁高使得梁端轉(zhuǎn)角略有增加，但其結(jié)果符合規(guī)范要求。

(4)兩種梁高情況下梁體振動特性相近，振動頻率相差不大。

(5)在適當(dāng)降低梁高的情況下，可以通過改變截面厚度等參數(shù)，再通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證結(jié)構(gòu)承載力和安全系數(shù)滿足要求，從而能在一定程度上擴(kuò)大連續(xù)梁橋的適用范圍，降低工程造價。