印尼雅萬高鐵時速350 km簡支梁設計研究

蘇 偉,施 威,張 上,馬辰龍,王 琦

(中國鐵路設計集團有限公司土建院,天津 300308)

1 概述

1.1 工程概況

雅萬高鐵連接印尼首都雅加達和西爪哇省省會萬隆，線路正線長度142.3 km，其中橋梁長度86.06 km，是我國“一帶一路”倡議的重要組成部分[1]。在雅萬高鐵投標過程中，考慮其地處高烈度震區的現實情況，針對高鐵32 m簡支箱梁進行了優化設計。優化主要包含3個方面：一是采用大規格預應力鋼束，將腹板雙排束改為單排束，減少腹板厚度[3]；二是根據靜力設計和動力設計情況對梁高進行優化；三是對底板厚度和寬度進行了優化。最終設計完成的時速350 km簡支箱梁梁體質量為696 t，有效降低了地震效應，節省了工程投資。雅萬高鐵簡支梁在國內完成了工藝試驗和靜載試驗、破壞試驗等，驗證了各項指標均滿足要求。為了給雅萬高鐵提供技術支撐，依托雅萬簡支梁，原中國鐵路總公司頒布了鐵路工程建設通用參考圖—通橋(2018)2326，并在鹽通鐵路全線應用。

1.2 主要技術標準

雅萬高鐵采用中國標準，簡支梁設計也執行現行的鐵路規范及標準，其具體技術標準如下。

(1)設計速度：350 km/h。

(2)設計活載：ZK活載。

(3)軌道類型：CRTSⅢ型板式無砟軌道。

(4)線路情況：雙線，正線線間距5.0 m，直、曲線，最小曲線半徑7 000 m，困難時5 500 m。

(5)施工方法：適用于梁場集中預制、架橋機架設法施工。

(6)環境類別及作用等級：一般大氣條件下無防護措施的地面結構，環境類別為碳化環境，作用等級為T2。

(7)養護維修方式：橋上不設人行道檢查車，橋面行車時不允許人員上橋。

(8)設計使用年限：主體結構在正常養護維修條件下設計使用年限為100年。

2 簡支梁結構設計

2.1 主要設計原則和內容

(1)主要建筑材料

混凝土采用C50；普通鋼筋規格采用HRB400，鋼筋直徑采用印尼當地標準；鋼絞線采用公稱直徑15.2 mm，抗拉強度為1 860 MPa的標準鋼絞線；根據橋位處的地震烈度，支座采用鐵路橋梁球形支座或減隔震支座。

(2)橋面布置

雅萬高鐵簡支梁橋面布置與國內高鐵常規設計一致，橋面寬取12.6 m，具體見圖1。

圖1 雅萬高鐵簡支梁橋面布置(單位：mm)

(3)二期恒載取值

雅萬高鐵采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，鋼欄桿或者插板式金屬聲屏障，綜合計算橋面二期恒載在120～150 kN/m，因此，二期恒載按120～130 kN/m、130～140 kN/m、140～150 kN/m分三檔，通過減少每檔二期荷載差值，可以有效減少梁體殘余徐變變形，減小支座噸位，具體二期恒載分檔見表1。

表1 二期恒載分檔

其他各類荷載取值，剛度、強度控制等限值，均按中國鐵路現行規范和標準執行。

2.2 截面參數確定

(1)梁高

簡支梁梁高采用2.3～2.9 m按0.1 m一級逐級進行比選[4]，在強度和剛度方面，各級梁高均滿足要求；2.3 m及2.4 m梁高殘余徐變變形大于7 mm(對于大規模預制簡支梁，殘余徐變按≯7 mm控制)；各級梁高均滿足自振頻率最低限值。車橋耦合動力仿真分析建議梁高≮2.6 m。按照印尼當地材料價格，隨著梁高的減小，造價也逐步降低。最終，綜合各方意見，雅萬簡支梁梁高取2.8 m。

(2)板厚

箱梁的腹板厚度不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強度要求，同時又要提供足夠的抗扭剛度；在受力滿足設計要求時，又需保證預應力管道的混凝土保護層厚度≮1倍管道直徑。簡支梁采用單排腹板束布置，每束15～19根鋼絞線，管道直徑需100～120 mm，因此腹板厚度采用360 mm。

箱梁頂板除承擔活載和橋面二期恒載外，還需要考慮日照等溫度荷載作用，結合受力及以往經驗，頂板厚度取285 mm。

箱梁底板需要考慮預應力管道布置構造需要，兼顧縱橫向鋼筋布置的空間影響，以及單線荷載作用下底板受力需要，底板厚度取270 mm。

(3)截面尺寸

簡支梁采用等高度單箱單室截面，梁端腹板、底板及頂板向內變厚，梁長為32.6 m，計算跨度31.5 m，支座中心線至梁端0.55 m。梁高為2.8 m，頂板寬12.6 m，底板寬5.4 m。跨中截面頂板厚0.285 m，腹板厚0.36 m，底板厚0.27 m，在梁端位置頂板變厚至0.55 m，底板變厚至0.7 m，腹板變厚至0.8 m。見圖2。

圖2 梁體橫斷面(單位：cm)

2.3 預應力布置

簡支梁單排腹板鋼束布置，每側腹板各布置4根腹板束，規格為15-7φ5 mm；底板布置9根底板束，規格為9～11-7φ5 mm。跨中及梁端預應力布置見圖3。

圖3 簡支梁預應力布置(單位：cm)

2.4 靜力計算成果

由表2可知，雅萬高鐵簡支梁在剛度、梁端轉角、殘余徐變上拱值、強度等方面均滿足相關規范要求，每孔梁混凝土用量比國內標準梁減少約37 m3，有效地降低了橋梁結構的地震力。另外每孔梁鋼絞線減少約0.5 t，普通鋼筋減少約0.7 t，造價減少5萬余元，具有較好的經濟性。

表2 主要計算指標及工程數量

2.5 三維實體分析

建立的簡支梁三維實體模型，模擬簡支梁在預應力張拉、正常運營、運架梁、吊梁、雙層疊梁、頂梁等工況下的受力情況。上述工況下，簡支梁受力均在合理范圍內。在終張拉工況下，梁端底板和腹板交接處出現較大主拉應力，通過優化張拉順序并在此位置設置650 mm×390 mm的下倒角(圖2)，可將主拉應力控制在4.4 MPa左右(圖4)。后期梁場實際張拉時，此位置未出現裂縫，解決了既有簡支梁存在的問題[7]。

圖4 終張拉錨固力+自重工況梁端應力云圖

3 車橋耦合動力仿真分析

為驗證雅萬高鐵簡支梁在高速行車時的動力性能，進行車橋動力仿真分析。分析單位為西南交通大學[10]、北京交通大學[11]、中南大學[12]，分析結論取3份報告中最不利的結果。動力仿真分析中采用雅萬高鐵橋墩及基礎，軌道采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，車型采用CRH3、標動和CRH380，計算速度為250～420 km/h，不平順譜采用德國低干擾譜及TB/T 3352-2014《高速鐵路無砟軌道不平順譜》。主要結果見表3。

表3 簡支梁動力性能參數

在所有理論計算工況下，橋梁的動力響應；各車車體豎、橫向振動加速度；列車行車安全性均滿足規范要求。CRH3、350標動客車及CRH380A客車在運營速度段所有計算工況(以250～350 km/h通過橋梁)下，列車的乘坐舒適度均達到“良好”標準以上，在檢算速度段所有計算工況(以375～420 km/h通過橋梁)下，列車的乘坐舒適度均達到“合格”標準以上。

4 足尺試驗梁試驗情況

2017年9月起，在漢十高鐵襄陽臥龍制梁廠開展了足尺梁試制，完成了工藝試驗、靜載試驗、破壞試驗等項目。試驗梁水化熱、預應力效果及預應力損失、剛度及抗裂性等均滿足要求。試驗梁模擬了正常運營、吊梁、運架梁、頂梁等工況，也均滿足要求[13]。實測梁體剛度為1/5 413，實測自振頻率為6.86 Hz(未含二期恒載)，均比設計值大，這主要是由于混凝土實際彈性模量較高造成的。試驗梁完成了開裂、重裂及2.0倍荷載的破壞試驗，雅萬高鐵簡支梁開裂時為1.434倍設計荷載，與設計抗裂安全系數1.44吻合。圖5、圖6分別為加載到2.0倍設計荷載時的梁體裂縫情況。

圖5 時速350 km箱梁破壞試驗腹板裂縫分布示意(加載至2.0級，單位：m)

圖6 時速350 km箱梁破壞試驗底板裂縫分布示意(加載至2.0級，單位：m)

在2.0倍設計荷載下，梁體裂縫分布均勻，裂縫形態和發展趨勢正常，梁體未出現混凝土壓潰或預應力鋼絞線斷絲等破壞跡象；卸載后跨中裂縫基本閉合，梁端腹剪斜裂縫有所殘余，梁體撓度基本恢復。試驗梁強度安全系數滿足要求。

5 BIM技術應用

雅萬高鐵簡支梁按照施工圖精度建立了BIM模型(圖7)，解決了梁體各構件間的干擾問題。同時實現了普通鋼筋的正向設計，即普通鋼筋布置圖由BIM程序完成。在鋼筋圖設計中考慮了預留混凝土振搗棒通道，即方便了現場施工又提高了混凝土工程的加工質量。另外，BIM模型中的鋼筋數據可直接輸入到數控加工設備，實現鋼筋的自動化加工，提升鋼筋工程加工質量，提高工作效率[9]。

圖7 雅萬簡支梁BIM模型

6 結論

綜上所述，設計時速350 km的雅萬高鐵簡支梁在剛度、結構受力、動力性能等方面均滿足國內現行相關規范要求。雅萬簡支梁通過采用大噸位錨具，采用較小的截面尺寸，降低了工程數量，進一步提升了簡支梁的經濟性。簡支梁完成了車-橋耦合動力分析，保證了高速行車的舒適性和安全性。通過足尺試驗梁對簡支梁在建造，架設、運營的各階段受力情況進行了試驗，特別是完成了2.0倍設計荷載的破壞試驗，確保了結構安全。在設計過程中采用BIM技術，解決了各構件間干擾問題，并實現了鋼筋自動化加工，提高了工作效率和工程質量。本簡支梁在雅萬高鐵及鹽通鐵路均已開始大規模預制，部分區段已完成梁體架設，其研究方法和經驗可供類似項目參考。