盤營客運專線鐵路單線預制常用跨度簡支梁設計

孫大斌,姚君芳

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

盤營客運專線鐵路單線預制常用跨度簡支梁設計

孫大斌,姚君芳

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

客運專線鐵路常用跨度簡支梁具有外觀簡潔、技術成熟、經濟指標優越等優點,廣泛應用于客運專線鐵路橋梁之中。主要論述盤營客運專線單線預制常用跨度簡支梁設計情況,包括主要結構尺寸擬定及結構構造、縱橫向計算結果、車橋耦合動力仿真分析等。該套簡支梁采用等梁高及相同截面,使制梁模板簡單化,保證箱梁結構外形統一;采用較小的截面尺寸,以降低結構自重、節省材料及造價。經過試制試驗后,各項指標均滿足設計及相關規定要求。

客運專線;預應力混凝土;無砟軌道梁;常用跨度梁;單線梁;設計

新建鐵路盤錦至營口客運專線中小線路所至哈大客運專線下夾河線路所及海城聯絡線為單線無砟軌道鐵路,橋梁結構采用常用跨度簡支梁,預制架設施工。盤營客運專線單線預制常用跨度簡支梁跨度有32、24、20 m 3種,梁長分別為32.6、24.6、20.6 m,對應的計算跨度分別為31.5、23.5 m和19.5 m。主要設計標準如下。

線路情況:單線,直、曲線;

最小曲線半徑:1 200 m;

速度目標值:≤200 km/h;

軌道類型:CRTSⅢ型板式無砟軌道。

1 主要結構尺寸擬定

1.1 橋面寬度及橋面布置

1.1.1 規范及上序專業要求

(1)橋面接觸網支柱外側不設檢查車通道,接觸網支柱內側距線路中心不小于3.0 m,橋面通行列車時不允許人員上橋。

(2)信號、通信專業要求:單線橋地段,在列車正向運行方向的左側設置信號、通信電纜合槽,凈尺寸為350 mm×300 mm。

(3)電力專業要求:本工程橋梁(單線)兩側均須設置電力電纜槽,電纜槽尺寸為300 mm×300 mm。

1.1.2 橋面寬度及橋面布置

考慮曲線時簡支梁按照平分中矢法布置,結合全橋接觸網支柱布置及接觸網支柱類型和尺寸,橋面寬度采用7.0 m,能夠滿足接觸網支柱內側至線路中心的距離要求。考慮R=1 200 m曲線影響,32 m簡支梁最大矢高f=11.2 cm,按f/2考慮加寬值為5.6 cm,同時結合橋面排水管的設置位置,取線路中心線至防護墻內側距離為2.0 m。電纜槽采用等孔徑布置。

直線上無砟軌道橋面布置詳見圖1。

圖1 直線上無砟軌道橋面布置示意(單位:cm)

1.1.3 腹板形式

考慮本工程單線無砟軌道段落與運行速度為350 km/h的哈大客運專線并行或銜接,腹板宜采用斜腹板形式,整體匹配、美觀。

1.2 梁高

(1)在梁高確定過程中,主要考慮了以下因素:滿足剛度、安全性和舒適性要求;滿足鋪設無砟軌道的相關要求;滿足運輸、架梁的要求;滿足經濟性要求。

(2)對本套梁圖設計前國內已實施的32 m跨度簡支梁的統計情況,詳見表1。

表1 32 m梁梁高尺寸參數

(3)不同梁高的32 m簡支梁技術經濟比較

針對2.4、2.6、2.8、3.0 m 4種梁高的32 m簡支梁進行技術經濟比較。其中,梁高為2.4 m時,箱梁的豎向剛度較小,殘余徐變上拱值較大,技術、經濟均不合理。梁高為2.6、2.8 m及3.0 m時,主要設計成果滿足規范要求。通過經濟性比較,梁高為2.6 m時,經濟性最好。結合本工程的具體技術條件,32 m簡支梁梁高采用2.6 m。

(4)24、20 m簡支梁梁高的確定

盤營客運專線共采用單線預制常用跨度簡支梁540余孔,其中24 m簡支梁共50孔,20 m簡支梁共7孔,分別占單線預制梁總數的9.2%和1.3%。

考慮24、20 m簡支梁用量較小,其梁高采用與32 m簡支梁等高設計,不僅可以使制梁模板簡單化,保證箱梁結構外形統一,同時還可以簡化不等跨橋墩頂帽設計并方便施工。

1.3 支座橫向間距及箱梁底寬

對本套梁圖設計前國內已實施的32 m跨度簡支梁的支座橫向間距的統計情況,詳見表2。

表2 支座間距及底板寬參數

由表2可知,速度≤200 km/h單線T梁橫向支座間距為2.2 m,考慮箱梁的整體性及橫向剛度比T梁好,本工程的設計速度目標值為200 km/h以下,單線無砟箱梁支座橫向中心間距為2.0 m。

根據車橋耦合動力仿真分析結果,列車運行安全性、舒適性能夠得到保障。支座橫向中心間距為2.0 m時,梁體橫向傾覆穩定安全系數為3.1,滿足規范要求。

2 結構構造

2.1 截面尺寸

32 m簡支梁截面采用單箱單室等高度簡支箱梁,梁端頂板、底板及腹板局部向內側加厚。箱梁頂寬7.0 m,橫截面中心梁高2.6 m,橫橋向支座中心距2.0 m。頂板厚度0.25 m,端部變厚至0.5 m。腹板厚度0.3 m,端部變厚至0.8 m;底板厚度0.28 m,端部變厚至0.65 m。箱梁截面過渡段長3 m。如圖2、圖3所示。

圖2 32 m簡支梁1/2正立面及1/2中心立面構造(單位:cm)

圖3 1/2跨中及1/2支點截面尺寸(單位:cm)

考慮24、20 m簡支梁用量較小,綜合施工工藝、模板以及梁部外形統一等因素,24、20 m簡支梁截面尺寸與32 m簡支梁相同。

2.2 曲線梁梁端構造

簡支梁曲線按平分中矢布置,因曲線半徑小會引起軌道板處梁縫較大,導致無砟軌道結構受力過大。為解決此問題,盤營客運專線單線梁梁端采用扇形布置,曲線內側梁邊長度不變,梁端面以曲線內側梁端角點向外側偏轉角度θ。當R=1 200 m時,32 m簡支梁梁端面向外側偏轉0°46′39.3″。

3 縱向計算結果

根據上述擬定3種跨度簡支梁的截面尺寸,進行縱向預應力鋼束布置,3種跨度簡支梁主要計算結果如下。

3.1 運營階段計算結果

(1)主力工況下32、24 m及20 m簡支梁主要計算結果詳見表3。

表3 主力工況下32、24 m及20 m簡支梁主要計算結果匯總

從計算結果可以看出,強度安全系數、抗裂安全系數、跨中下緣壓應力、靜活載撓度及殘余徐變上拱值等計算結果均滿足規范要求。

(2)簡支梁支反力詳見表4。

表4 32、24 m及20 m簡支梁恒載及活載支反力匯總(每端)

(3)箱梁自振頻率計算結果詳見表5。

表5 簡支梁一階豎向自振頻率Hz

3種跨度簡支梁自振頻率均滿足限值要求。

3.2 橫向剛度

在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下,跨度為32 m梁的水平撓度為1.37 mm,為計算跨度的1/22 946;

跨度為24 m梁的水平撓度為0.51 mm,為計算跨度的1/45 903;

跨度為20 m梁的水平撓度為0.26 mm,為計算跨度的1/74 322。

以上結果均滿足規范要求。

3.3 施工階段計算

盤營客運專線常用跨度簡支梁采用預制架設施工,根據預制架設的各個施工階段進行計算,結果均滿足要求。

4 橫向計算結果

在箱梁的長度方向上截取單位長度的薄片框架,按照沿腹板中軸線的豎向虛擬為剛性支承的橫向框架進行內力分析和配筋計算。箱梁橫向按照普通鋼筋混凝土構件進行設計,在主力、主力加附加力以及主力加特殊荷載工況時,鋼筋、混凝土強度以及結構的計算裂縫寬度均滿足規范要求。

5 車橋耦合動力仿真分析

針對盤營客運專線單線無砟31.5 m簡支梁,分別建立墩高12、20 m和30 m 3種情況下的全橋動力分析模型,考慮基礎剛度的影響,對橋梁的空間自振特性進行計算。在國產CRH2、CRH3動車組作用下進行了車橋空間耦合振動分析,評價橋梁的動力性能以及列車運行安全性與舒適性。

結果表明:CRH2和CRH3動車組以行車速度160～300 km/h通過直線橋、以行車速度160～250 km/h通過曲線橋時,盤營客運專線常用跨度簡支梁的各項動力性能均能滿足指標要求;脫軌系數和輪重減載率等各項指標均滿足要求,列車運行安全性得到保障。

盤營客運專線單線無砟31.5 m簡支梁舒適性評價詳見表6。

表6 盤營客運專線單線無砟常用跨度簡支梁舒適性評價

從表6數據可知,各墩高的直、曲線橋豎向舒適性指標均為“優”。當行車速度≤200 km/h、墩高≤30 m時,橫向舒適性可保證在“良”以上;當行車速度≤250 km/h、墩高≤20 m時,橫向舒適性可保證在“良”以上。

6 結語

盤營客運專線單線預制常用跨度簡支梁采用等梁高及相同截面,一方面使制梁模板簡單化,保證箱梁結構外形統一,另一方面,對于小跨度梁梁部材料造成一定的浪費,在20 m和24 m簡支梁跨度所占比例較小的情況下,總體經濟指標較好;其截面尺寸在客運專線常用跨度簡支梁中最小,設計上盡可能降低了結構的自重,以節省材料及造價。根據施工現場反饋,截面尺寸雖然較小,但制梁時并未因此加大施工難度,該套簡支梁經過試制試驗后,各項指標均滿足設計及相關規定要求。

盤營客運專線正線全長89.4 km,共采用540余孔單線預制無砟軌道常用跨度簡支梁,從2009年11月開始澆筑第一孔32 m單線梁,到2012年初架梁結束,制梁、存梁及運架梁期間均未發生設計質量問題。該線已于2013年9月12日通車運營,橋梁結構運營狀態良好。

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Design of Single-track Simply-supported Prefabricated Girders with Commonlyused Spans for Panjin-Yingkou Railway Passenger-dedicated Line

SUN Da-bin,YAO Jun-fang
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

U442.5+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.026

1004-2954(2014)08-0105-04

2014-05-15

孫大斌(1981—),男,高級工程師,2003年畢業于西南交通大學,工學學士。