李方柯

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京　102600)

1　工程概況

新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路為時速250 km客運專線鐵路，雙線，線間距4.6 m，有砟軌道。區(qū)間設計以橋梁工程為主，上部結構主要采用鐵路總公司發(fā)布的32 m雙線(線間距4.6 m)預制后張法預應力混凝土簡支箱梁。

連鎮(zhèn)鐵路在淮安地區(qū)與徐(州)鹽(城)鐵路交匯，四線并行，采用方向別(連鎮(zhèn)鐵路外包徐鹽鐵路)引入引出淮安客運站。橋梁上部結構采用兩片雙線簡支箱梁并置方案，單片梁上兩線分屬連鎮(zhèn)鐵路和徐鹽鐵路，為滿足養(yǎng)護維修的需要和營業(yè)線施工安全管理的相關規(guī)定，線間距采用5.3 m[1]。

淮安地區(qū)按線間距5.3 m設計的簡支箱梁共計439孔，約占雙線梁總數(shù)的15%。為提高梁部施工質(zhì)量，降低成本(表1)，加快施工進度，本線設計采用線間距5.3 m的預制簡支箱梁，以滿足建設需要。

表1　線間距5.3 m梁經(jīng)濟性對比

2　箱梁設計

2.1　設計理念

自秦沈客運專線建設以來，國內(nèi)針對客運專線鐵路簡支箱梁的結構選型和技術參數(shù)進行了大量的研究工作[2-12]，形成了成熟的簡支箱梁設計、施工成套關鍵技術，本線非標準簡支箱梁在設計時應充分吸取和借鑒這些成功經(jīng)驗。

按照本線施工組織設計，線間距5.3 m箱梁所在的梁場需同時生產(chǎn)110余孔、線間距4.6 m標準梁，以及470余孔單線梁，且架梁順序交叉。若考慮非標準箱梁施工設備單獨制造和使用，制梁臺座和模板數(shù)量繁多，梁場龐雜，成本高，設備利用效率低。

因此，考慮設計的傳承性和施工設備的通用性，本線線間距5.3 m箱梁設計時，其外形和細部尺寸應盡量和線間距4.6 m標準梁保持一致。

2.2　箱梁構造

線間距5.3 m箱梁梁長32.6 m，計算跨度31.5 m。箱梁截面以鐵總發(fā)布的32 m、線間距4.6 m標準梁為基礎，按照線間距的變化調(diào)整箱室寬度確定，其板件尺寸及變化規(guī)律和標準梁保持一致，如圖1、圖2所示。主要結構參數(shù)對比見表2。

圖1　線間距4.6 m標準梁截面示意(單位：mm)

圖2　線間距5.3 m簡支箱梁截面示意(單位：mm)

梁型截面中心梁高/m梁寬/m支座間距/m梁重/t標準梁2.68612.24.4714.8線間距5.3m梁2.69312.95.1768.8

箱梁橋面設施布置與標準梁類似，擋砟墻隨箱室拉寬向外側移動，內(nèi)側凈寬9.7 m(標準梁為9 m)，擋砟墻內(nèi)側道砟相應加寬，外側橋面設施布置與標準梁保持一致。

箱梁縱向預應力鋼束的整體布置形式和數(shù)量與標準梁相同，鋼束主要采用13-φj15.2 mm預應力鋼絞線(標準梁主要采用12-φj15.2 mm預應力鋼絞線)。預施應力按預張拉、初張拉和終張拉三個階段進行。

箱梁鋼筋布置和標準梁基本一致。考慮到箱梁頂板橫向跨度加大，其橫向主筋較標準梁進行部分加強。

箱梁吊點間距擬調(diào)整至4.5 m，緊貼腹板以避免出現(xiàn)吊梁裂紋。

2.3　結構檢算

根據(jù)規(guī)范[12-15]要求，對箱梁在預加應力、運送、安裝和運營階段的強度、抗裂性、應力、裂縫寬度、變形等指標進行檢算，計算采用西南交通大學橋梁結構分析系統(tǒng)BSAS。

經(jīng)檢算，預加應力、傳力錨固、運送安裝等階段的梁體強度、抗裂性、混凝土和鋼絞線應力均滿足規(guī)范要求；運營階段梁體強度、應力、變形等指標滿足要求(表3)，梁體橫向的鋼筋應力和裂縫寬度亦滿足要求。

箱梁在曲線、有聲屏障情況下的自振頻率為3.752 Hz，滿足規(guī)范不進行動力仿真分析的頻率條件。

表3　箱梁主要設計指標

3　關鍵技術研究

3.1　剪力滯后效應

充分考慮剪力滯后效應是準確得到箱梁應力的關鍵。線間距5.3 m箱梁較標準梁箱室更寬，頂、底板剪力滯后效應將更為顯著。為準確得到箱梁在各種工況下的上下緣應力，桿系計算時參照規(guī)范對箱梁的頂、底板和翼緣板計算寬度進行折減[15]；同時，采用ANSYS和Midas FEA程序對箱梁進行實體計算，計算結果見表4、圖3。

表4　各程序箱梁跨中位置應力對比　MPa

計算結果表明，各程序計算得到的箱梁上下緣應力基本一致，采用桿系軟件計算得到的箱梁應力是可靠的。

圖3　箱梁主力作用下應力分布(單位：Pa)

3.2　梁端局部應力

在預施應力過程中，箱梁梁端特別是腹板與底板連接處、進人孔倒角等位置易出現(xiàn)較大拉應力，導致混凝土開裂。線間距5.3 m箱梁采用鋼束規(guī)格較標準梁大，預施力總量高，對梁端局部受力不利，應針對預施應力過程進行精細計算。

采用Midas FEA程序，對線間距5.3 m箱梁和標準梁的預施應力過程進行全過程實體分析。計算結果顯示，預施應力過程中梁端最大應力出現(xiàn)在進人孔倒角位置，各階段最大應力如圖4所示。

圖4　預施應力階段進人孔倒角主拉應力曲線

從計算結果可以看到，預施應力過程中，線間距5.3 m梁梁端進人孔倒角位置的主拉應力變化趨勢和標準梁類似，最大主拉應力為3.09 MPa，出現(xiàn)在終張拉階段，較標準梁偏高。設計考慮加強進人孔倒角處鋼筋配置，將進人孔倒角處鋼筋加強為雙根一束。

3.3　制梁模板通用問題

線間距5.3 m箱梁設計時考慮外形、板件尺寸及變化規(guī)律與標準梁保持一致，僅橫向寬度差70 cm。制梁內(nèi)、外模板按橫向可調(diào)節(jié)設計，模板設70 cm橫向調(diào)節(jié)塊，成本低，操作簡單，可根據(jù)制梁類型快速調(diào)整，滿足了線間距5.3 m箱梁和標準梁交叉制造的問題，效率顯著提高，如圖5、圖6所示。

圖5　可調(diào)式外模

圖6　可調(diào)式內(nèi)模

3.4　存梁階段溫度影響

箱梁預應力鋼束張拉完畢進入存梁狀態(tài)時，由于橋面設施尚未施工，頂板壓應力儲備小、溫度應力大，易出現(xiàn)溫度裂紋。

對線間距5.3 m梁和標準梁分別進行存梁狀態(tài)頂板溫度應力計算。溫度按沿梁高和梁寬方向組合，溫差按指數(shù)梯度考慮，基本計算溫度取8 ℃，計算結果見表5。

表5　存梁階段溫度應力計算結果　MPa

計算結果顯示，存梁階段線間距5.3 m箱梁頂板的正應力和主拉應力和標準梁基本相當，均低于開裂應力，出現(xiàn)溫度裂紋可能性低。

3.5　運梁階段分析

梁場實際采用DCY900型運梁車，共4個支撐點，縱向間距30 m，橫向間距3.2 m。線間距5.3 m箱梁較標準梁箱室更寬，采用相同運梁車時底板受力更不利，需對運梁狀態(tài)下箱梁的受力進行精細計算。

線間距5.3 m箱梁和標準梁運梁狀態(tài)梁體最不利應力計算結果見表6。計算結果表明，線間距5.3 m箱梁在運梁狀態(tài)的梁體受力較標準梁更為不利，但應力值滿足規(guī)范要求，不需額外采取措施。

表6　運梁狀態(tài)應力計算結果　MPa

3.6　吊梁階段分析

前述為滿足制梁模板的通用性，線間距5.3 m箱梁吊點間距擬調(diào)整至4.5 m(緊貼腹板)。梁場現(xiàn)有的提梁機和架橋機吊點間距均為3.8 m，且線間距5.3 m箱梁和標準梁架設順序交叉，若改造提梁機和架橋機吊點間距，使其同時滿足不同吊點間距需要，周期長、風險高、實施難度大。因此線間距5.3 m箱梁設計仍采用3.8 m的吊點間距。

根據(jù)實體計算，當線間距5.3 m梁吊點間距由4.5 m調(diào)整至3.8 m時，箱梁上梗肋位置和第二吊點吊孔頂部的主拉應力顯著增大，如表7所示。

表7　吊梁狀態(tài)應力計算結果

根據(jù)現(xiàn)場實體試驗梁的試吊情況，當?shù)觞c間距為3.8 m時，梁端3 m范圍內(nèi)沿頂板、腹板連接處出現(xiàn)細小裂紋，如圖7所示。

圖7　吊梁裂紋示意

為減小或避免吊梁裂紋，設計采取加強吊點鋼板、應力超限區(qū)域鋼筋加強、出現(xiàn)裂紋處改設大倒角等措施，效果不甚理想。吊梁狀態(tài)頂、腹板連接處受拉的力學狀態(tài)僅靠結構自身較難解決。

經(jīng)多方案比較后，設計考慮采用在吊孔附近增設臨時體外預應力的方案，并選取預應力布置在靠腹板側(圖8)和靠梁中線側(圖9)兩種方案進行對比。

方案1中體外預應力更接近梁體開裂位置，但體外預應力與縱向預應力孔道或制梁內(nèi)模沖突，且斜腹板處體外預應力孔道較難處理。

圖8　體外預應力方案1布置示意(單位：mm)

圖9　體外預應力方案2布置示意(單位：mm)

方案2中體外預應力遠離梁體開裂位置，力臂長，對開裂位置的預壓效果好，且與梁體內(nèi)各部件均不沖突，孔道處理較為容易。選取方案2作為推薦方案。

綜合考慮箱梁的整體受力，體外預應力采用8根φ32 mm的預應力螺紋鋼筋，縱向與吊孔位置對齊，橫向距箱梁結構中心線1.425 m，預加力300 kN。根據(jù)實體計算結果，增設體外預應力后，箱梁上梗肋位置的主拉應力降低至約3.1 MPa(低于標準梁)，其他部位的應力均滿足要求。根據(jù)實體試驗梁吊梁測試，吊梁時裂縫寬度值滿足規(guī)范要求。

體外預應力在梁底用螺母錨固，防落梁預埋鋼板在對應位置開孔并作為錨墊板使用；在梁頂采用千斤頂通過馬凳裝置進行張拉。箱梁架設到位后拆除體外預應力并壓漿填實孔道。整個過程操作方便，預應力可重復使用，成本低、效率高，對箱梁預制影響較小。

3.7　架梁階段分析

梁場實際采用的架橋機為DF900型，其中支腿間距為6 m(標準梁為5.1 m)。對于本設計箱梁，架橋機中支腿基本作用在腹板中心位置(圖10)，傳力通暢。

圖10　架橋機中支腿作用位置示意(單位：mm)

根據(jù)對線間距5.3 m箱梁和標準梁的架梁全過程實體計算，箱梁最大主拉、主壓應力出現(xiàn)在架橋機第二吊點起吊工況，對應計算結果見表8?？梢钥吹?，線間距5.3 m箱梁架梁時，最大主拉、主壓應力和線間距4.6 m標準梁基本相當，滿足規(guī)范要求。

表8　架梁狀態(tài)應力計算結果

4　試驗梁情況簡介

為驗證線間距5.3 m簡支箱梁的結構設計，測試箱梁與現(xiàn)有施工設備的協(xié)調(diào)性，開展了首孔實體試驗梁測試試驗工作。對實體試驗梁分別進行了靜載彎曲試驗、預施應力測試、橋面板受力性能測試、吊梁工況箱梁受力測試、架梁梁端應力測試等。見圖11～圖14。

圖11　箱梁靜載彎曲試驗

圖12　吊梁工況受力測試

圖13　橋面板受力測試

圖14　特種活載工況測試

試驗結果表明：箱梁在預應力施加過程中，產(chǎn)生的預應力效果滿足設計要求；存梁過程中，監(jiān)測到的日照溫差荷載引起的橋面板混凝土拉應力較小，結構受力安全；設計特種活載下，橋面板拉應力滿足規(guī)范要求；試驗梁的強度、抗裂性及應力合格，滿足規(guī)范和設計要求；張拉體外預應力有效減小了吊梁裂紋，改善了吊梁過程中箱梁梁端結構受力狀態(tài)。

5　結語

近年來國內(nèi)客運專線鐵路快速發(fā)展，非標準線間距簡支箱梁日益增多，線間距也不盡相同，實際施工中往往還存在各種線間距梁型集中制造、交叉架設的情況。針對連鎮(zhèn)鐵路線間距5.3 m簡支箱梁的設計研究表明：線間距5.3 m簡支箱梁結構受力安全，能夠滿足和線間距4.6 m標準梁統(tǒng)一制造、存放、運送、吊裝、架設的需求，成本大幅降低，施工效率顯著提升；在小幅調(diào)整現(xiàn)有施工設備的情況下，實現(xiàn)非標準線間距簡支箱梁的批量預制以及與標準梁的統(tǒng)一施工是安全、經(jīng)濟、可行的。

參考文獻：

[1]國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[2]盛黎明，陳良江.秦沈客運專線常用跨度簡支梁設計與施工[J].鐵道標準設計，2001(9)：4-7.

[3]盛興旺，李志國，鄧運清.京滬高速鐵路預應力簡支箱梁結構參數(shù)優(yōu)選[J].鐵道標準設計，2003(6)：6-9.

[4]陳良江.京滬高速鐵路常用跨度橋梁的技術特征及選型探討[J].鐵道標準設計，2003(10)：15-18.

[5]鄧運清.高速鐵路簡支箱梁設計研究[J].鐵道標準設計，2004(7)：125-129.

[6]鄧運清.客運專線簡支箱梁綜述[J].鐵道工程學報，2005(1)：65-71.

[7]王召枯.客運專線橋梁設計研究[J].鐵道標準設計，2005(4)：26-31.

[8]徐升橋.客運專線常用跨度橋梁的設計特點與發(fā)展方向[J].鐵道標準設計，2005(11)：8-11.

[9]鄧運清.客運專線鐵路整孔簡支箱梁優(yōu)化設計研究[D].北京：北京交通大學，2006.

[10] 蘇國明.客運專線移動模架施工32 m雙線預應力混凝土簡支箱梁設計[J].鐵道標準設計，2007(12)：40-42.

[11] 鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008.

[12] 孫樹禮.高速鐵路橋梁設計與實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[13] 國家鐵路局.TB 10002—2017 鐵路橋涵設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[14] 國家鐵路局.TB 10092—2017 鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[15] 鄧運清，秦沈客運專線整孔箱梁的質(zhì)量控制因素[J].鐵道標準設計，2001(9)：23-25.