陳海濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

蘭新鐵路第二雙線是我國《中長期鐵路網規(guī)劃》的重點項目之一,該線東起蘭州,西至烏魯木齊,橫跨新疆、甘肅、青海三省區(qū),正線全長1 776 km。沿線分布有安西風區(qū)、煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)及達坂城風區(qū)等五大風區(qū),總長580 km,占線路總長的33%。風區(qū)段落內風速高,極大風速超過60 m/s；風期長,局部地段大于8級風的天數(shù)超過200 d,且嚴重干旱缺水,是目前鐵路建設中受大風影響范圍最大、程度最嚴重的鐵路之一。

根據既有蘭新鐵路的運營經驗,大風對鐵路運營有較大的危害,具有較強的破壞性。因此在新建蘭新鐵路第二雙線簡支箱梁設計中,必須考慮采取保障性更強的抗風措施,對列車運營和線上工程進行防護。

2 主要設計要點

2.1 總體設計原則

蘭新鐵路第二雙線風區(qū)段落簡支箱梁的總體設計原則：保持全線簡支箱梁外形統(tǒng)一,在利用非風區(qū)段落簡支箱梁施工設備及模板的基礎上,考慮增設橋梁抗風措施等構造需要,從橋面布置、箱梁承載受力、傾覆、接觸網基礎設置、支座選型、環(huán)境類別等多方面進行適應性設計。

2.2 防風措施

為保證列車運營和線上工程安全,根據風區(qū)段落風向基本固定的特點,在風區(qū)箱梁迎風側單側設置高為4 m的擋風屏,擋風屏立柱采用H鋼沿橋梁縱向設骨架,骨架上鋪設波形鋼板作為擋風板。擋風屏立柱縱向間距為2 m,為減輕立柱作用力對箱梁懸臂影響,擋風屏立柱采用與箱梁兩點連接方式,通過梁體預埋件分別與箱梁翼緣板外緣和箱梁腹板的下部進行連接,在箱梁翼緣處設置水平連接,在立柱與腹板連接的部位設置鉸連接,以釋放該處的彎矩,具體構造見圖1、圖2。

圖2 擋風結構立柱與梁體的連接

2.3 橋面布置

風區(qū)段落簡支箱梁橋面迎風側安裝擋風結構立柱,取消單側翼緣板遮板設置,為了適應風區(qū)段落風荷載作用,對接觸網支柱基礎進行加強設計,支柱基礎尺寸1 260 mm×770 mm(順線路×垂直線路),基礎范圍電力槽局部寬度為180 mm,橋面布置見圖3。

圖3 橋面布置示意(單位：mm)

2.4 縱向計算

根據箱梁總體設計原則,設計中保持風區(qū)段落簡支箱梁縱向預應力筋布置方式和梁端錨穴構造與非風區(qū)段落箱梁一致,根據風區(qū)段落橋上二期恒載的具體數(shù)值,對每束預應力鋼絞線的根數(shù)進行調整。

橋面擋風結構重力按7.6 kN/m 計算,風區(qū)段落簡支箱梁采用二期恒載為142 kN/m。為方便施工,將直、曲線合并設計。計算中充分考慮了風區(qū)段落空氣干燥、年平均相對濕度較低的影響,對箱梁的結構計算進行了綜合分析。主要設計指標見表1。

表1 主要設計指標

2.5 橫向計算

風區(qū)段落簡支箱梁單側設置擋風屏,擋風屏主要承受風荷載和列車氣動力的作用,通過擋風屏立柱將荷載傳遞給梁體,單側4 m高防風屏作用于箱梁的外力及荷載組合見表2。

箱梁橫向框架計算采用midas/civil 2010程序建立模型,擋風屏立柱與梁體腹板的連接按鉸接設置；梁體翼緣板與立柱通過預埋套筒和錨栓連接,屬于半剛性連接,設計過程中,按鉸接和剛性連接2種情況分別計算,計算結果見圖4、圖5。

表2 擋風屏作用于箱梁外力

圖4 箱梁橫向內力包絡圖(立柱與翼緣板鉸接)

圖5 箱梁橫向內力包絡圖(立柱與翼緣板剛接)

從圖4、圖5可以看出,2種連接方式對與立柱連接的箱梁翼緣板和腹板的受力影響較大,箱梁其余部分受力變化很小。根據計算得到的內力包絡值并綜合考慮箱梁抗扭承載力,對箱梁結構進行橫向配筋設計,箱梁主要部位鋼筋配置見表3。

表3 箱梁橫向普通鋼筋的配置 mm

和非風區(qū)段落簡支箱梁相比,風區(qū)段落箱梁在腹板和翼緣板的橫向普通鋼筋配置上均有所加強。

2.6 傾覆檢算

由于擋風屏較高,作用于梁體的橫橋向力也很大,同時考慮列車氣動力、離心力和搖擺力等橫向荷載的作用,需對橋梁結構進行傾覆穩(wěn)定性的檢算,計算公式如下

式中Md——結構抗傾覆力矩,由結構重力荷載及列車豎向荷載對傾覆支點取矩求得；

Mq——結構傾覆力矩,由作用在擋風屏上的風荷載和曲線梁上的列車離心力、搖擺力等橫向荷載共同對傾覆支點取矩求得。

綜合分析計算,結構傾覆穩(wěn)定系數(shù)為6.03,滿足規(guī)范的要求。

2.7 接觸網支柱基礎設置

風區(qū)段落接觸網支柱設置和非風區(qū)段落相比,其對橋面板荷載增大較多,共分中間柱、轉換柱和下錨柱3種形式,接觸網支柱基礎對橋面板作用的荷載見表4。

表4 接觸網支柱外荷載

為了滿足支柱基礎處橋面板的受力,中間柱基礎翼緣板可通過加強橋面板配筋實現(xiàn)；對于中間柱和下錨柱由于作用荷載較大,通過增加局部配筋的方式無法滿足受力要求,采用橋面翼緣板局部加厚處理構造,在接觸網支柱基礎中心兩側0.9 m(順橋向)范圍內對橋面翼緣板下部進行局部加厚,具體構造見圖6,加厚部分與梁體混凝土一同灌筑。

圖6 轉換柱和下錨柱處箱梁翼緣板局部加厚示意(單位：mm)

2.8 支座選型

風區(qū)段落簡支箱梁擋風屏承受較大側向力,將引起箱梁被風側支座反力增加,為保證箱梁支座豎向承載力,支座噸位較非風區(qū)段落箱梁提高,32 m簡支箱梁采用6 000 kN型號；同時也由于側向風影響,作用于支座的水平荷載將大大增加,為滿足支座螺栓抗剪要求,風區(qū)段落簡支箱梁設計采用2個固定支座和2個縱向活動支座設置,對于地震動峰值Ag<0.2g地區(qū)橋梁,支座地震動峰值仍按照Ag=0.2g選取。支座具體布置見圖7。

圖7 支座布置示意(單位：mm)

2.9 耐久性措施

風區(qū)段落的環(huán)境類別為磨蝕環(huán)境,作用等級為M2,需考慮由環(huán)境作用引起材料性能劣化對結構耐久性帶來的影響。為了提高梁體混凝土結構的耐久性能,設計構造上加大了普通鋼筋的混凝土保護層厚度,根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》(TB10005—2010)要求,風區(qū)簡支箱梁鋼筋保護層厚度采用40 mm設計。

3 施工工藝要求

在風區(qū)段落簡支箱梁的制造過程中,應注意以下事項。

(1)蘭新鐵路第二雙線沿線嚴重干旱少水、空氣干燥,年平均相對濕度較低,季節(jié)和晝夜溫差較大,再加上環(huán)境磨蝕等級均較高,因此對混凝土的強度和耐久性要求較高。施工過程中,混凝土選用的原材料應有供應商提供的出廠檢驗合格證書,并按有關檢驗項目、批次規(guī)定,嚴格實施進場檢驗,對水泥、粗、細骨料、外加劑、摻和料以及各種配件、附屬設施材料等均應滿足相關規(guī)范的規(guī)定。同時,針對沿線原材料的特點,對混凝土的配合比設計進行優(yōu)化。

(2)采用與梁體混凝土同等壽命、同等強度的混凝土保護層墊塊,墊塊厚度為40 mm。

(3)混凝土灌筑過程中應對結構進行防護,特別注意加強防風措施,混凝土灌筑完后,混凝土表面還應做多次趕壓抹平,保證橋面線形良好,并應及時覆蓋。

(4)在梁的生產及養(yǎng)護過程中,應特別注意環(huán)境濕度、溫度及風力的影響,采取切實可靠措施加以保證,養(yǎng)護時間應結合具體養(yǎng)護措施及環(huán)境條件確定。

(5)現(xiàn)澆法施工的簡支箱梁由于相鄰梁預應力鋼束張拉空間的需要,封端混凝土體積較大。為加強后灌部分混凝土的耐久性,在梁端底板及腹板新舊混凝土結合處涂抹聚氨酯防水涂料。同時,應注意根據環(huán)境濕度、溫度及風力作用的影響,采取措施加強對封端混凝土的養(yǎng)護。

(6)由于風區(qū)環(huán)境濕度較低、溫差較大,箱梁混凝土在早期容易出現(xiàn)干燥收縮和溫度收縮裂紋,所以及時對風區(qū)箱梁進行預張拉顯得尤為重要。此外,拆除模板時應加強對混凝土強度和溫度的控制,大風或氣溫急劇變化時不宜拆模。

(7)梁體翼緣板在接觸網支柱轉換柱和下錨柱處向下局部加厚,張拉預應力鋼束時應注意采取措施避免加厚部分的模板阻礙梁體的變形。

(8)為保證結構耐久性,應結合橋梁所處風區(qū)環(huán)境,對橋梁結構外露部分及擋風結構進行相應的防腐處理。

(9)考慮到箱梁工作環(huán)境氣候條件惡劣,鐵路沿線風沙大,溫差大的自然狀況,為了減少支座維護的工作量,風區(qū)段落采用符合設計要求的球型鋼支座。

4 結語

針對風區(qū)段落大風、干旱缺水和大溫差的環(huán)境條件,對風區(qū)段落簡支箱梁在設計、施工工藝方面進行分析研究,對梁體結構的各項設計指標以及橋梁結構的耐久性能采取措施加以保證。目前蘭新鐵路第二雙線工程風區(qū)段落簡支箱梁的施工正在有序的進行中,其具體的施工方法還需在實踐過程中逐步予以完善。

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