劉 國

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

國外某高速鐵路工程作為“一帶一路”重點項目，由于當?shù)赝恋厮接谢玫亟缦拗屏舜笮土簣龅慕ㄔO(shè)，國內(nèi)高速鐵路簡支箱梁常用的整孔預(yù)制架設(shè)法難以實施，故采用節(jié)段預(yù)制拼裝法施工。

節(jié)段預(yù)制簡支箱梁施工速度快，梁體采用分段標準化預(yù)制工藝、梁體質(zhì)量容易控制，有利于標準化生產(chǎn)，能有效彌補整孔預(yù)制架設(shè)箱梁對城市交通的影響[1-2]。2005年，節(jié)段梁技術(shù)應(yīng)用于珠三角地區(qū)廣州地鐵4號線建設(shè)中，之后廣州地鐵14號線、21號線等陸續(xù)使用節(jié)段預(yù)制膠拼方法[3-4]。隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的不斷進步，國內(nèi)公路建設(shè)中也逐漸開始采用節(jié)段預(yù)制工程技術(shù)[5-7]。在普速鐵路中，黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是膠拼節(jié)段預(yù)制拼裝方法的首次應(yīng)用[8]。但該技術(shù)在高速鐵路領(lǐng)域中應(yīng)用較少，以下依托國外某高速鐵路工程，對24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁進行研究，分析其構(gòu)造設(shè)計要點，對其力學性能進行計算分析，為后續(xù)高速鐵路節(jié)段預(yù)制簡支箱梁的設(shè)計提供借鑒。

2 節(jié)段預(yù)制簡支箱梁構(gòu)造設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

簡支箱梁采用C50混凝土，截面類型為單箱單室。跨中頂板厚25 cm，底板厚28 cm，腹板厚36 cm，梁端頂板、底板、腹板向內(nèi)側(cè)加厚，分別為頂板厚50 cm，底板厚60 cm，腹板厚75 cm。橋面板寬12.2 m，橋梁建筑總寬12.5 m，擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0 m。截面中心線處梁高2.686 m，橫橋向支座中心距為3.0 m?？缰袠藴蕶M斷面如圖1所示。

圖1 跨中標準橫斷面(單位：mm)

2.2 節(jié)段構(gòu)造尺寸

(1)全線簡支箱梁梁長24.6～32.6 m，計算跨度為23.5～31.5 m。通過改變各節(jié)段數(shù)量組成相同梁高、不同跨徑的簡支箱梁。

(2)梁體節(jié)段由運梁車從預(yù)制場運送至橋位，受到車輛、道路的載重限制，橋梁節(jié)段質(zhì)量一般不超過70 t，跨徑一般不超過50 m。架橋機在橋位拼裝而成，鋼構(gòu)件不宜過重，故架橋機的承載能力受到限制。

結(jié)合當?shù)剡\輸條件，參考當?shù)卦诮ㄨF路工程梁部節(jié)段尺寸及架橋機架設(shè)條件，本項目預(yù)制節(jié)段縱向長度在滿足運輸、架設(shè)等要求下，標準節(jié)段長2.6 m，節(jié)段質(zhì)量小于60 t。預(yù)制節(jié)段分為端頭節(jié)段(D類)、漸變節(jié)段(G類)及標準節(jié)段(B類)三種類型。端頭節(jié)段長2.0 m，漸變節(jié)段塊節(jié)段長2.6 m，標準節(jié)段塊節(jié)段長2.0～3.0 m，節(jié)段最大吊重為563.4 kN。

節(jié)段劃分構(gòu)造如圖2所示。

圖2 節(jié)段劃分構(gòu)造(單位：mm)

2.3 剪力鍵構(gòu)造

拼裝縫應(yīng)布置剪力鍵，并在拼裝面涂抹環(huán)氧樹脂膠[9]。剪力鍵的功能主要為定位和提供抗剪能力。剪力鍵與預(yù)制梁段一次成型，在腹板上除預(yù)應(yīng)力孔道位置外滿布，同時在箱梁頂板及底板應(yīng)布置少量剪力鍵，剪力鍵采用梯形鍵。為方便膠體順利擠出梁體，頂、底板剪力鍵在頂板頂面和底板頂面應(yīng)設(shè)擠膠槽口。剪力鍵布置和梁體設(shè)計時，需考慮頂?shù)装搴透拱孱A(yù)應(yīng)力鋼束的布置以及不同節(jié)段間尺寸的變化。標準節(jié)段剪力鍵布置及大樣如圖3、圖4所示。

圖3 標準節(jié)段(B類)剪力鍵布置(單位：mm)

圖4 標準節(jié)段(B類)剪力鍵大樣(單位：mm)

2.4 預(yù)應(yīng)力布置

由于接縫的存在，梁體剛度有所降低。為減小恒載作用下梁體上、下緣應(yīng)力差，降低徐變上拱，防止恒載作用下梁體下緣壓應(yīng)力偏大，在滿足抗裂安全系數(shù)的前提下，跨中腹板部分預(yù)應(yīng)力布置也應(yīng)較整體梁靠近中性軸。鋼束曲線段盡可能布置在預(yù)制梁節(jié)段內(nèi)，以避免預(yù)應(yīng)力接縫施工孔道定位偏差，減小施工引起的孔道摩阻加大，影響梁體施工質(zhì)量。

簡支箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用φ15.2 mm鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa，簡支箱梁(30.6 m

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位：mm)

2.5 臨時連接

臨時預(yù)應(yīng)力張拉可以固定梁段，提供膠體凝結(jié)所需應(yīng)力[10]。臨時連接分為頂板臨時連接及底板臨時連接。頂板臨時連接在頂板設(shè)置預(yù)留孔，臨時張拉時安裝可拆卸的鋼構(gòu)件作為臺座，在箱梁頂面張拉臨時預(yù)應(yīng)力鋼筋；底板臨時連接在箱室內(nèi)部設(shè)置混凝土塊作為臺座，在箱室內(nèi)部張拉臨時預(yù)應(yīng)力鋼筋。梁體安裝完畢后，應(yīng)采用微膨脹混凝土將頂板上的臨時張拉臺座預(yù)留孔進行封堵，并做防水處理。標準節(jié)段臨時張拉臺座布置如圖6所示。

圖6 標準節(jié)段(B類)臨時張拉臺座布置(單位：mm)

3 節(jié)段預(yù)制簡支箱梁力學性能分析

節(jié)段拼裝簡支箱梁與整體箱梁的根本區(qū)別在于節(jié)段拼裝接縫處縱向普通鋼筋不連續(xù)、混凝土不連續(xù)，離散的節(jié)段通過預(yù)應(yīng)力筋及剪力鍵形成整體，節(jié)縫處受力性能是應(yīng)用節(jié)裝拼裝技術(shù)的關(guān)鍵。

受膠接縫影響，橋梁出現(xiàn)裂縫以及裂縫集中的位置均發(fā)生變化，抗裂控制截面是拉應(yīng)力最大的接縫截面[11]。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路，從強度、運營階段和施工階段結(jié)構(gòu)計算三方面，采用MIDAS/civil、MIDAS FEA、ANSYS與BSAS程序建立模型，對節(jié)段預(yù)制簡支箱梁的力學性能進行檢算分析。采用ZK活載，有砟軌道二期恒載為209 kN/m，設(shè)計速度為250 km/h，風力、溫度力、制動力均按照TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》取值。

3.1 強度檢算

(1)強度安全系數(shù)及抗裂安全系數(shù)

參考美國AASHTO《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計和施工指導性規(guī)范》，環(huán)氧樹脂膠接縫其抗彎承載能力折減系數(shù)取0.95，其抗剪能力折減系數(shù)取0.90[12]。主力工況下強度安全系數(shù)不小于2.0，“主力+附加力”工況強度安全系數(shù)不小于1.8。

由于膠接縫梁環(huán)氧膠與混凝土黏結(jié)能力小于整體混凝土抗拉強度，故膠接縫梁抗裂強度減弱，從安全出發(fā)，不考慮接縫處混凝土和環(huán)氧膠的拉應(yīng)力，抗裂安全系數(shù)不小于1.2，以提供足夠的抗裂安全度。受力分析指標見表1。

表1 受力分析指標

由表1可知，24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁膠接縫處強度安全系數(shù)主力工況下最小為2.09，“主+附”工況下最小為2.09，滿足要求。抗裂安全系數(shù)主力工況下最小為1.30，“主+附”工況下最小為1.28，滿足要求。

(2)抗剪承載力計算

膠接縫剪力如圖7、圖8所示。

圖7 23.5m梁主+附作用下梁體剪力(單位：kN)

膠接縫處的抗剪強度由縱向預(yù)應(yīng)力彎起抗剪Vsb、剪力鍵抗剪Vk和摩阻力抗剪Vn三部分組成。剪力鍵混凝土容許剪應(yīng)力為[τ]=0.17fc=5.7 MPa，考慮頂、底板剪力鍵受力的不均勻性，剪力鍵面積中，只計腹板部分抗剪，頂?shù)装寮袅︽I僅作為安全儲備。摩阻力受力面積只計腹板面積，扣除預(yù)應(yīng)力孔道所占面積，不扣除剪力鍵所占面積。

第一道膠接縫距梁端2 m，為剪力最大的一道膠接縫。膠接縫處最大剪力及抗剪強度計算結(jié)果如表2。

表2 膠接縫最大抗剪承載力匯總

由表2可知，24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁抗剪強度均滿足要求。

3.2 運營階段檢算

(1)結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢算

運營階段最不利荷載作用下環(huán)氧樹脂膠接處不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，本項目控制壓應(yīng)力不小于1.0 MPa。

由表3可知，24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁混凝土壓應(yīng)力、剪應(yīng)力及接縫處應(yīng)力均滿足要求。

(2)變形計算

膠接縫的存在使運營中彈性階段結(jié)構(gòu)變形增大，在結(jié)構(gòu)變形計算時，截面抗彎剛度取值需考慮該影響。利用BSAS計算得到?jīng)]有膠接縫的相同截面形式的簡支箱梁在車道荷載作用下的最大位移為5.3 mm。由于環(huán)氧樹脂膠接縫較薄，涂層厚度一般為1～3 cm，故建模時忽略其厚度方向的影響，采用板單元進行模擬。膠層與混凝土之間不發(fā)生剝離，模型中將混凝土實體單元與膠接縫板單元的節(jié)點進行耦合。利用MIDAS FEA計算得到ZK活載作用下節(jié)段預(yù)制簡支箱梁的變形(如圖9所示)。

表3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要計算結(jié)果

ZK活載作用下，沒有膠接縫影響的簡支梁最大撓度是考慮膠接縫存在時的0.93倍。根據(jù)中國鐵道科學研究院試驗成果，膠接縫對截面抗彎剛度的折減系數(shù)取0.9，與上述計算結(jié)果接近，故計算時按照0.9進行折減。

圖9 ZK活載作用變形(單位：mm)

在ZK靜活載作用下，32 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁梁體豎向撓度為10.1 mm，撓跨比為1/3 150，小于規(guī)范要求1.4L/1 400；靜活載作用下，梁端轉(zhuǎn)角位0.92‰，小于規(guī)范要求(2‰)，撓跨比及梁端轉(zhuǎn)角均滿足規(guī)范要求。32 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁跨中殘余徐變?yōu)?.3 mm。

(3)端橫梁局部應(yīng)力分析

選取端頭節(jié)段(D類)，采用ANSYS軟件建立實體模型，二期恒載為209 kN/m，荷載工況為主力工況。計算結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 橫橋向正應(yīng)力(單位：Pa)

由計算結(jié)果可知，橫橋向最大拉應(yīng)力為3 MPa，豎向最大拉應(yīng)力為1.2 MPa，支座上方底板與腹板相接處最大豎向剪應(yīng)力為3 MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖11 豎向正應(yīng)力(單位：Pa)

圖12 豎向剪應(yīng)力(單位：Pa)

3.3 施工階段檢算

(1)存梁暴曬工況檢算

施工階段鋪設(shè)道砟前，豎向溫度梯度考慮裸梁暴曬，按頂板升溫Ty′=20·e-5y℃非線性考慮。32.6 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁鋼束張拉完、未上二期恒載時，存梁暴曬的上緣梁體應(yīng)力如圖13、圖14所示。

圖13 存梁暴曬時上緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖14 存梁暴曬時下緣應(yīng)力(單位：MPa)

表4 存梁暴曬結(jié)果匯總

由表4可知，存梁暴曬工況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求。

(2)吊點實體單元計算

圖15 標準節(jié)段吊點模型

選取2.6 m長的標準節(jié)段，利用ANSYS軟件建立實體模型，模型如圖15所示。按實際位置及尺寸模擬吊孔，在吊孔下端對應(yīng)墊板區(qū)域范圍內(nèi)的節(jié)點施加豎向支承，模擬吊裝過程的受力。標準節(jié)段吊點局部應(yīng)力分析結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 橫向正應(yīng)力(單位：Pa)

圖17 豎向剪應(yīng)力(單位：Pa)

由圖16、圖17可知，絕大部分范圍橫向正應(yīng)力小于1.0 MPa拉應(yīng)力，孔邊應(yīng)力集中處最大為1.16 MPa，小于容許值2.79 MPa；剪應(yīng)力最大為0.9 MPa，小于容許值1.55 MPa。橫向正應(yīng)力及豎向剪應(yīng)力均滿足要求。

4 結(jié)論

(1)介紹國外某高速鐵路24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡支箱梁構(gòu)造特點，結(jié)合節(jié)段預(yù)制簡支箱梁的構(gòu)造特點，從強度、運營階段和施工階段結(jié)構(gòu)計算三方面進行力學性能檢算分析。經(jīng)計算研究可知，節(jié)段預(yù)制簡支箱梁受力和變形滿足規(guī)范要求。

(2)梁段劃分為標準節(jié)段和梁端節(jié)段，節(jié)段長度取決于節(jié)段質(zhì)量及運輸?shù)跹b時的尺寸限制要求。通過改變各節(jié)段數(shù)量組成相同梁高、不同跨徑的簡支箱梁。

(3)節(jié)段預(yù)制簡支箱梁抗彎折減系數(shù)取0.95，抗剪折減系數(shù)取0.90；抗裂安全系數(shù)不小于1.2；膠接縫對截面抗彎剛度的折減系數(shù)取0.9。

(4)運營階段最不利荷載作用下環(huán)氧樹脂膠接處不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，設(shè)計中壓應(yīng)力可控制為不小于1.0 MPa。