高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度簡支梁技術(shù)研究

李永太

摘 要：高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)在橋梁建設(shè)費(fèi)用中的比重較大，大量使用跨度32 m簡支梁時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差；跨度>32 m時(shí)若只能采用原位澆筑的簡支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)濟(jì)性也較差，且質(zhì)量不易控制。該文分析了既有高速鐵路簡支梁設(shè)計(jì)與使用情況，并根據(jù)高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度簡支梁技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析研究結(jié)果，給出了分析結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 預(yù)應(yīng)力 混凝土 大跨度 簡支梁

中圖分類號(hào)：U238 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（a）-0035-02

1 高速鐵路橋梁概況

截止2014年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程超過16000 km，“四縱”干線基本成型，約占世界高速鐵路運(yùn)營里程的50%，已擁有全世界規(guī)模最大、運(yùn)營速度最高的高速鐵路網(wǎng)。我國高速鐵路多采取“以橋代路”策略，各條高速鐵路橋梁所占比例均較高，其中以跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋?yàn)橹鳎糠植捎每缍?4 m 簡支箱梁，少量采用跨度40、44、56 m 簡支箱梁?？缍?2 m及以下箱梁主要采用沿線設(shè)制梁場集中預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)的方法施工，跨度32 m 以上簡支箱梁主要采用現(xiàn)場澆筑或節(jié)段拼裝的方法施工。我國高速鐵路橋梁里程占線路里程的比例最高達(dá)82%，其中常用跨度混凝土簡支箱梁橋占橋梁總里程的比例基本在 80%以上，最高達(dá)96%。橋梁技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步成為我國高速鐵路建設(shè)工程中的重大技術(shù)突破，并形成了我國自有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)理論和建設(shè)技術(shù)也在逐步完善和發(fā)展，其中基于預(yù)制架設(shè)施工模式的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁就是其中重要發(fā)展方向之一。

我國高速鐵路建設(shè)規(guī)模大，橋梁數(shù)量多，設(shè)計(jì)、施工技術(shù)成熟，并依托聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于高速鐵路橋梁的建設(shè)和發(fā)展也積累了充足的技術(shù)儲(chǔ)備。根據(jù)近年來高速鐵路常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究成果，對(duì)簡支梁的設(shè)計(jì)理論有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，為高速鐵路（時(shí)速250 km 及以上）大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)在橋梁建設(shè)費(fèi)用中的比重較大，大量使用跨度32 m簡支梁時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差；跨度>32 m時(shí)若只能采用原位澆筑的簡支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)濟(jì)性也較差，且質(zhì)量不易控制。發(fā)展跨度40 m及以上預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，并采用集中預(yù)制、運(yùn)梁車移運(yùn)、架橋機(jī)架設(shè)的施工模式，將顯著提高橋梁的經(jīng)濟(jì)性。我國高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上、采用預(yù)制架設(shè)施工模式的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁技術(shù)，不但能夠提高簡支梁橋的跨越能力，還能夠擴(kuò)大簡支梁橋的適用范圍，并具有一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2 既有高速鐵路簡支梁設(shè)計(jì)與使用情況

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及控制指標(biāo)

對(duì)于我國高速鐵路用量最大的跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，高速鐵路運(yùn)營活載靜態(tài)效應(yīng)（動(dòng)車組）約為設(shè)計(jì)活載靜效應(yīng)的35%～40%，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)已由強(qiáng)度變?yōu)閯偠取蛄航Y(jié)構(gòu)的變形和變位限值主要是為保證橋上軌道結(jié)構(gòu)受力安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)滿足列車高速運(yùn)行條件下行車安全及乘車舒適的要求。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，高速鐵路橋梁剛度設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足如下要求。

2.1.1 梁端轉(zhuǎn)角

對(duì)于采用無砟軌道的橋梁，由于梁端豎向轉(zhuǎn)角使得梁縫兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)分別產(chǎn)生鋼軌的上拔和下壓現(xiàn)象。當(dāng)上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時(shí)將導(dǎo)致鋼軌與下墊板脫開，當(dāng)墊板所受下壓力過大時(shí)可能導(dǎo)致墊板產(chǎn)生破壞。對(duì)于采用有砟軌道的橋梁，還要保證橋梁接縫部位有砟道床的穩(wěn)定性。

2.1.2 豎向自振頻率限值

研究表明梁體固有頻率過低將導(dǎo)致高速列車通過時(shí)產(chǎn)生較大振動(dòng)或共振，頻率過高時(shí)橋上軌道不平順引起的車輛動(dòng)力響應(yīng)明顯增加，因此，對(duì)簡支梁豎向自振頻率提出限值。對(duì)于運(yùn)行車長 24～26 m的動(dòng)車組、L≤32 m混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，給出了不需要進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析的自振頻率限值。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于跨度40 m及以上的簡支梁，由于長列荷載的影響，動(dòng)力荷載產(chǎn)生的突變效應(yīng)減弱。高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)的控制性參數(shù)與橋梁跨度有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，選取跨度20、24、32及40 m的簡支箱梁，每種跨度的簡支梁分別選取21種不同尺寸的截面，二期恒載統(tǒng)一按180 kN/m來計(jì)算梁體豎向基頻，以此研究分析不同剛度設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)系。根據(jù)不同剛度限值對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。32 m及以下跨度簡支梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中不需要?jiǎng)恿z算的下限值，40 m箱梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中公式計(jì)算的下限值，梁端懸出長度按預(yù)制架設(shè)模式統(tǒng)一取0.55 m，梁端轉(zhuǎn)角限值取1.5×10-3 rad。

綜上分析可以看出：（1）梁體豎向剛度滿足梁端轉(zhuǎn)角限值或滿足基頻限值的情況下，撓跨比遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的1/1 600，撓跨比不控制梁體設(shè)計(jì)；（2）跨度32 m及以下的預(yù)制簡支梁，基頻為梁體設(shè)計(jì)控制指標(biāo)；（3）跨度40 m預(yù)制簡支梁，基頻和梁端轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系接近，梁體設(shè)計(jì)控制指標(biāo)在基頻和梁端轉(zhuǎn)角方面差別較小，可實(shí)現(xiàn)箱梁經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)梁設(shè)計(jì)狀況

以我國高速鐵路跨度32、40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為代表，分析了既有簡支梁的設(shè)計(jì)情況。

2.2.1 跨度32 m簡支箱梁

高速鐵路有砟、無砟橋面雙線箱梁二期恒載設(shè)計(jì)值分別為 206.5～211.0 kN/m和120.0～180.0 kN/m，受二期恒載影響（ 不同無砟軌道類型、直曲線及有無聲屏障等），同一圖號(hào)的無砟簡支箱梁基頻和殘余徐變拱度略有差異。

對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速350 km高速鐵路32 m無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，預(yù)制梁的梁端轉(zhuǎn)角、基頻的設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范參數(shù)比值分別為53%，101%～108%，現(xiàn)澆梁相應(yīng)的兩者比值分別為 70%和106%～114% 。

2.2.2 跨度40 m簡支箱梁

時(shí)速350 km高速鐵路無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，計(jì)算跨度為39.1 m，施工方法為原位現(xiàn)澆，截面中心梁高為3.75 m，橋面寬度為12.0 m，質(zhì)量1130 t。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速350 km高速鐵路跨度40 m無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，梁端轉(zhuǎn)角、基頻的設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范限值的比值分別為 62%和139%。

2.2.3 對(duì)比分析

（1）高速鐵路各種箱梁的撓跨比設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值；（2）跨度32 m箱梁的豎向基頻設(shè)計(jì)值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值，梁端轉(zhuǎn)角富余度較高，基頻限值控制箱梁的設(shè)計(jì)；（3） 跨度40 m梁與跨度 32 m梁的梁端轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值的比值基本相當(dāng)，40 m梁基頻設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值的比值大于32 m梁的相應(yīng)比值，跨度40 m梁的豎向基頻有較大優(yōu)化空間。

2.3 實(shí)梁測試結(jié)果

將高速鐵路常用跨度簡支梁設(shè)計(jì)情況和實(shí)測結(jié)果對(duì)比可知：

（1）撓跨比不是梁體設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，跨度32 m以下的簡支梁的設(shè)計(jì)參數(shù)由基頻控制，跨度40 m的簡支梁基頻和梁端轉(zhuǎn)角的影響接近。（2）高速鐵路各種箱梁的撓跨比設(shè)計(jì)值小于規(guī)范規(guī)定的限值?？缍?2 m箱梁豎向基頻設(shè)計(jì)值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值，跨度40 m箱梁基頻設(shè)計(jì)值與規(guī)范限值的差別較大，有較大的優(yōu)化空間；（3） 從設(shè)計(jì)和運(yùn)營指標(biāo)測試結(jié)果來看，我國高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁技術(shù)可行。

3 研究結(jié)論

根據(jù)高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度簡支梁技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析研究結(jié)果，得出結(jié)論如下所述。

（1）高速鐵路跨度40 m簡支梁的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)已從跨度32 m簡支梁的剛度（基頻） 控制轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度和剛度（基頻、梁端轉(zhuǎn)角） 共同控制；（2）跨度40 m預(yù)制簡支梁的梁高設(shè)計(jì)可以控制在3.1 m左右，單孔梁質(zhì)量可以控制在1 000t以內(nèi)。該梁高與既有跨度32 m 簡支梁的梁高接近，便于橋梁跨度布置及美觀設(shè)計(jì)；（3）無論是研制新的運(yùn)架設(shè)備還是對(duì)既有的運(yùn)架設(shè)備進(jìn)行改造，均可滿足跨度 40 m預(yù)制簡支梁的制、運(yùn)、架施工要求；（4）高速鐵路跨度40 m的預(yù)制簡支梁橋，在墩高10 m左右的常規(guī)地段綜合造價(jià)與跨度32 m簡支梁橋相比具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在高墩、深基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)費(fèi)用較高的地段綜合造價(jià)與跨度32 m簡支梁橋相比經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)增加；（5）采用跨度40 m預(yù)制簡支梁橋，可提高橋梁的跨越能力、增加橋跨布置的適應(yīng)性、減少墩臺(tái)基礎(chǔ)的數(shù)量、擴(kuò)大簡支梁橋的適用范圍，并可減少施工作業(yè)班次、提高生產(chǎn)效率，工程建設(shè)實(shí)際意義顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 中華人民共和國國家鐵路局.TB 10621-2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 胡所亭，牛斌，柯在田，等.高速鐵路常用跨度簡支箱梁優(yōu)化研究[J].中國鐵道科學(xué)，2013（1）：15-21.