高速鐵路T構(gòu)設(shè)計及探討

白琦成

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

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高速鐵路T構(gòu)設(shè)計及探討

白琦成

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

【摘要】文章闡述T構(gòu)的形式、特點、發(fā)展等，實例說明高速鐵路T構(gòu)適用地形條件，列舉高速鐵路T構(gòu)設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計原則、技術(shù)參數(shù)、材料。并結(jié)合西成客運專線T構(gòu)設(shè)計介紹高速鐵路T構(gòu)梁體構(gòu)造、鋼筋及混凝土用量、主要計算結(jié)果等，探討高速鐵路T構(gòu)常用跨度、梁高與跨度之比、橋墩剛度要求及橋墩型式等問題，可供高速鐵路T構(gòu)設(shè)計參考。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路;T構(gòu);設(shè)計;探討

T構(gòu)是預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)的簡稱，T構(gòu)墩梁固結(jié)、墩上兩側(cè)伸出懸臂如同T字。T構(gòu)有三種形式：跨中設(shè)鉸的鉸接T構(gòu)或跨中帶掛梁的T構(gòu)、兩跨單T構(gòu)、主梁連續(xù)的T構(gòu)組合體系即連續(xù)剛構(gòu)。高速鐵路迄今主要采用單T構(gòu)或連續(xù)剛構(gòu)，一般的高速鐵路T構(gòu)即指單T構(gòu)。

T構(gòu)墩梁固結(jié)方便平衡懸臂施工、省掉大型支座；墩的作用使主梁彎矩減小，因此相對而言T構(gòu)材料用量較省；成橋受力同施工階段受力比較接近，懸臂施工不用臨時支撐，不會因為施工增加過多材料。

20世紀(jì)50年代中期，西歐出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土橋的懸臂施工方法，形成了T構(gòu)橋。T構(gòu)墩梁固結(jié)，為抵抗懸臂施工中的不平衡彎矩以及抵抗運營時活載或附加力產(chǎn)生的彎矩，橋墩需要的抗彎剛度和抗推剛度較大。由于鉸接T構(gòu)當(dāng)預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變和溫度變化引起結(jié)構(gòu)變位時將會在墩梁固結(jié)處產(chǎn)生很大的推力和彎矩，鉸處折角造成橋面不平順，剪力鉸易損壞；帶掛梁的T構(gòu)伸縮縫增多，牛腿構(gòu)造復(fù)雜且易損壞，吊裝掛梁致施工設(shè)備增多，因此20世紀(jì)80年代以后已很少采用鉸接T構(gòu)和帶掛梁的T構(gòu)。

自20世紀(jì)60年代前西德工程師們采用薄壁墩代替粗大中墩開始，逐漸優(yōu)化形成柔性墩、墩梁固結(jié)連續(xù)剛構(gòu)體系，現(xiàn)在仍然是大跨度梁式橋的主要橋型。

1高速鐵路T構(gòu)適用地形條件及實例

高速鐵路在跨越既有公路、鐵路、溝谷等時，因地制宜采用T構(gòu)可以減少特殊結(jié)構(gòu)橋梁長度、減少陡坡墩數(shù)、方便施工，也可在橋梁孔跨布置時用于調(diào)跨，山區(qū)高速鐵路T構(gòu)是橋梁孔跨布置重要考慮的結(jié)構(gòu)型式之一。高速鐵路T構(gòu)適用地形條件可以從西成客運專線兩座橋梁實例中得到一定啟發(fā)。

1.1某橋采用2×48 m的T構(gòu)

采用2×48mT構(gòu)跨越既有公路和河流，平面布置示意見圖1。

圖1　某橋采用2×48 m T構(gòu)橋址平面示意

1.2某橋采用2×64 m的T構(gòu)

采用2×64mT構(gòu)跨越既有鐵路、避免陡坡設(shè)墩，立面布置示意見圖2。

2高速鐵路T構(gòu)設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

高速鐵路T構(gòu)設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：(1)橋上線路。西成客運專線為雙線、線間距4.6m；平面為直線，坡度不大于20 ‰。(2)設(shè)計行車速度。西成客運專線為時速250km。(3)設(shè)計活載為ZK活載。(4)軌道結(jié)構(gòu)。西成客運專線為CRTSI型雙塊式無砟軌道。(5)橋梁建筑限界。客運專線鐵路建筑限界為200km/h≤v≤350km/h。(6)主體結(jié)構(gòu)使用年限為100a。(7)適用環(huán)境。碳化環(huán)境作用等級T1、T2。(8)地震動峰值加速度。西成客運專線為0.1g，反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

3高速鐵路T構(gòu)主要設(shè)計原則、技術(shù)參數(shù)

設(shè)計荷載、荷載組合、主要設(shè)計指標(biāo)中設(shè)計安全系數(shù)及各階段應(yīng)力控制、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失計算參數(shù)、錨下控制應(yīng)力、梁體變形限值除靜活載作用下所引起的最大豎向撓度外與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁一樣[6]。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》，在靜活載作用下所引起的最大豎向撓度，如西成客運專線采用跨度不大于80m的T構(gòu)，要求不大于1.4×L/1 400；若跨度80m以上，要求不大于1.4×L/1 000；梁端轉(zhuǎn)角相鄰兩孔梁之間小于2.0 ‰。

圖2　某橋采用2×64 m T構(gòu)立面布置示意

4材料

西成客運專線T構(gòu)混凝土及水泥漿強度以及普通鋼筋材料使用情況與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁一樣[6]。

4.1預(yù)應(yīng)力體系

梁體按三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計。西成客運專線懸臂灌筑T構(gòu)2×48m、2×64m、2×72m、2×80m設(shè)計如下:

(1)縱向。2×48m、2×64m的T構(gòu)縱向預(yù)應(yīng)力束采用12-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)徑85mm、外徑98mm塑料波紋管成孔，M15A-12群錨錨固。2×72m的T構(gòu)縱向預(yù)應(yīng)力束采用15-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)徑90mm、外徑104mm塑料波紋管成孔，M15-15群錨錨固。2×80m的T構(gòu)縱向預(yù)應(yīng)力束采用16-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)徑90mm、外徑104mm塑料波紋管成孔，M15A-16群錨錨固。鋼絞線抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860MPa，彈性模量Ep=195GPa，公稱直徑為15.2mm，其技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T5224-2003標(biāo)準(zhǔn)。

(2)豎向。2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構(gòu)均采用公稱直徑32mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，內(nèi)徑45mm鐵皮管成孔，JLM-32型錨具錨固。

(3)橫向。2×48m的T構(gòu)橫向頂板束均采用3-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)寬60mm、高22mm的扁形塑料波紋管成孔，BM15-3扁形錨具(張拉端)和BM15P-3扁形錨具(非張拉端)錨固。2×64m、2×72m、2×80m的T構(gòu)橫向頂板束均采用4-15.2高強度低松弛鋼絞線，并采用內(nèi)寬72mm、高23mm的扁形塑料波紋管成孔，BM15-4扁形錨具(張拉端)和BM15P-4扁形錨具(非張拉端)錨固。鋼絞線抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860MPa，彈性模量Ep=195GPa，公稱直徑為15.2mm，其技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T5224-2003標(biāo)準(zhǔn)。

4.2邊支座

2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構(gòu)邊支座均采用球型鋼支座。2×48m的T構(gòu)邊支座要求豎向承載力不小于7 000kN，2×64m的T構(gòu)邊支座要求豎向承載力不小于8 000kN，2×72m的T構(gòu)邊支座要求豎向承載力不小于9 000kN，2×80mT構(gòu)邊支座要求豎向承載力不小于10 000kN。

5高速鐵路T構(gòu)梁體構(gòu)造

西成客運專線懸臂灌筑T構(gòu)2×48m、2×64m、2×72m、2×80m梁體均為單箱單室、變高度、變截面箱梁，箱梁頂板寬12.2m，箱梁底寬隨跨度增大而不同；梁體在中墩墩頂設(shè)置兩道橫隔板，梁端支座處設(shè)置一道橫隔板，共設(shè)4道橫隔板，橫隔板中部板中部設(shè)有孔洞供檢查人員通過。其余構(gòu)造如下:

5.12×48 m的T構(gòu)梁體構(gòu)造

梁體全長97.5m，箱梁底寬6.7m，端部等高梁段梁高3.05m，中墩處梁高為5.4m；全橋頂板厚40cm，底板厚42～80cm，腹板厚45～80cm。

5.22×64 m的T構(gòu)梁體構(gòu)造

梁體全長129.5m，箱梁底寬6.7m，端部等高梁段梁高4.0m，中墩處梁高為7.5m；全橋頂板厚40cm，底板厚42～90cm，腹板厚45～90cm。

5.32×72 m的T構(gòu)梁體構(gòu)造

梁體全長145.5m，箱梁底寬6.7m，端部等高梁段梁高4.2m，中墩處梁高為8.0m；全橋頂板厚40cm，底板厚45～90cm，腹板厚45～90cm。

5.42×80 m的T構(gòu)梁體構(gòu)造

梁體全長161.5m，箱梁底寬7.0m，端部等高梁段梁高5.0m，中墩處梁高為9.5m；全橋頂板厚45～80cm，底板厚45～100cm，腹板厚45～90cm。

6高速鐵路T構(gòu)鋼筋及混凝土用量

西成客運專線懸臂灌筑T構(gòu)2×48m、2×64m、2×72m、2×80m預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋及混凝土用量如表1所示。

表1　預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋及混凝土用量

7主要計算結(jié)果

西成客運專線懸臂灌筑T構(gòu)2×48m、2×64m、2×72m、2×80m主要計算結(jié)果如下：

(1)運營階段應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表2　運營階段應(yīng)力

(2)施工階段應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3　施工階段應(yīng)力

(3)正截面抗裂性計算結(jié)果見表4。

表4　正截面抗裂性

(4)斜截面抗裂性計算結(jié)果見表5。

表5　斜截面抗裂性

(5)靜活載作用下的擾度值及梁端豎向折角計算結(jié)果見表6。

表6　靜活載作用下的擾度值及梁端豎向折角

(6)正截面強度檢算計算結(jié)果見表7。

表7　正截面強度安全系數(shù)K2

徐變、支反力等計算結(jié)果未列述。

8高速鐵路T構(gòu)設(shè)計問題探討

8.1T構(gòu)常用跨度

日本上越新干線吾妻川橋，其跨度組合為2×110m，橋高30m。我國宜萬鐵路馬水河大橋，其跨度組合為2×116m，墩高108m。我國的西成客運專線T構(gòu)最大跨度80m。1998年挪威建成了世界第一主跨301m的stolma橋和世界第二主跨298m的拉夫特橋，將PC連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑發(fā)展到極致。參考國內(nèi)外已建成高速鐵路T構(gòu)及T構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，從2×80m的T構(gòu)與(44+80+44)m連續(xù)梁梁部主要工程數(shù)量比較表(表8)可以看出，聯(lián)長168m連續(xù)梁比2×80m的T構(gòu)梁部要省，所以高速鐵路T構(gòu)常用跨度一般不大于80m。

表8　2×80 m的T構(gòu)與(44+80+44) m

8.2梁高與跨度之比

高速鐵路T構(gòu)梁高與跨度之比，梁端截面一般為1/15～1/18，中墩處截面一般為1/8～1/10。西成客運專線T構(gòu)梁高與跨度之比見表9。

表9　T構(gòu)梁高與跨度之比

8.3橫隔板

梁端部支座處設(shè)置橫隔板，主要作用除增加截面的橫向剛度、限值畸變應(yīng)力外，滿足支座布置及承受支座反力需要。中墩處墩梁固結(jié)區(qū)是T構(gòu)傳遞荷載、擴散應(yīng)力的重要構(gòu)造，為保證墩梁剛性連接假定成立，一般在中墩處設(shè)置兩道橫隔板，吾妻川橋與馬水河大橋在局部構(gòu)造設(shè)計中增加了橫隔板橫豎向預(yù)應(yīng)力。西成客運專線2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構(gòu)中橫隔板與端橫隔板均只布置普通鋼筋；2×48m的T構(gòu)中橫隔板厚0.8m，2×64m、2×72m、2×80m的T構(gòu)中橫隔板厚1.2m，2×48m、2×64m、2×72m、2×80m的T構(gòu)端橫隔板厚1.07m。

8.4支座處加寬

在邊支座處應(yīng)根據(jù)支座橫向布置距離以及按照規(guī)范支座邊緣距離要求檢算支座處梁底加寬值。西成客運專線2×48m、2×64m、2×72m的T構(gòu)邊支座處采用了20cm橫向加寬值，2×80m的T構(gòu)邊支座處采用了25cm橫向加寬值。

8.5橋墩剛度要求及橋墩型式

T構(gòu)中墩剛度對橋梁豎向剛度貢獻較小，橋梁的縱向剛度主要來自墩身的縱向抗推剛度以及梁端的約束影響，橋梁的橫向剛度由墩身、基礎(chǔ)、梁體的橫向剛度決定。高速鐵路對于T構(gòu)這樣墩梁共同受力結(jié)構(gòu)的中墩并沒有縱橫向剛度具體值的規(guī)定，而是針對不同跨度、不同墩高、不同墩型、不同基礎(chǔ)尺寸的具體情況進行計算，以滿足高速鐵路T構(gòu)變形限值要求為準(zhǔn)。

高速鐵路T構(gòu)中墩一般采用矩形墩較多，位于河谷或有景觀要求時也有采用圓端形或圓形墩，根據(jù)墩高情況采用實體或空心墩。西成客運專線2×48m的T構(gòu)采用矩形實體墩，2×64m的T構(gòu)采用了圓形空心墩，2×64m、2×72m、2×80m的T構(gòu)采用了矩形空心墩。

9結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)是高速鐵路重要的橋梁結(jié)構(gòu)型式之一。由于T構(gòu)墩梁固結(jié)的特殊性而無通用圖可供使用，因此經(jīng)常需要結(jié)合具體情況開展T構(gòu)設(shè)計。本文結(jié)合西成客運專線T構(gòu)設(shè)計情況介紹設(shè)計者關(guān)心的T構(gòu)設(shè)計主要問題，并未開展關(guān)于T構(gòu)施工方法、預(yù)應(yīng)力鋼束配置以及收縮徐變控制方面的探討，可為高速鐵路T構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。

參考文獻

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[作者簡介]白琦成(1966～)，男，工學(xué)學(xué)士,高級工程師，從事橋梁工程設(shè)計。

【中圖分類號】U448.23+1

【文獻標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-01-15