西成客专 64 m双线简支箱梁设计

张祥君

1 工程概况

汉中汉江特大桥主要为跨越汉江而设,是西成客运专线的重点控制工程之一。该桥全长4 924.1m,其中主桥拱采用 12孔 64m双线简支箱梁。该箱梁预制架设施工是目前国内客专中最大跨度节段拼装预应力混凝土双线简支箱梁,每孔 64 m箱梁重达2 600 t,创国内双线客运专线简支梁跨度最大、拼装重量最重。本文主要介绍 64m箱梁的构造、设计过程及施工方法。

2 64 m简支箱梁设计

2.1 主要技术标准

1 )速度目标值：250 km/h,基础设施预留进一步发展条件。

2 )线路情况：位于R=8 000m曲线上,线间距5.0m。

3 )设计活载：ZK活载。

4 )地震烈度：本结构位于地震动峰值加速度 0.105g,相当于地震基本烈度 7度。

2.2 箱梁构造

64m双线简支箱梁全长66.3m,计算跨度64m,梁端设40 cm槽口,支点距梁端 75 cm。箱梁采用单箱、单室、直腹板、等高度预应力混凝土简支箱梁,梁高 5.6 m,高跨比为 1/11.43。梁顶宽12.1m,梁顶按两侧排水方式设计,梁底宽 6.7m,顶板厚 40 cm,中心处厚48.4 cm;底板厚35 cm,腹板厚50 cm。在箱梁两端支座处设置厚 1.5m横隔板,横隔板处均设置过人洞。梁上设置通风孔,以降低箱内外温差。

2.3 箱梁节段划分

本箱梁采用在预制场地分节段预制,在造桥机上整孔组拼施工。箱梁预制段长度根据梁段重量控制在 1 600 kN以内及减少梁段种类的原则,每跨箱梁采用奇数分块,跨中不设湿接缝,对称布置。本梁共分为 15个梁段,14个湿接缝,湿接缝宽 80 cm。

2.4 主要材料

64m简支箱梁为预应力混凝土结构,箱梁采用 C50混凝土。普通钢筋采用HPB235,HRB335级钢筋。

64m箱梁采用纵向、横向、竖向预应力体系。

纵向预应力：采用抗拉标准强度fpk=1 860MPa,Ep=195GPa的φj15.2mm钢绞线。预制梁段采用直径 88mm的橡胶抽拔棒成孔,湿接缝采用外径 86 mm的双波波纹管成孔。腹板共布置28束 15-φj15.2mm钢束,底板共布置 7束 15-φj15.2 mm,8束12-φj15.2mm钢束。所有纵向钢束均采用 M 15或 M 12锚具锚固,两端张拉。

横向预应力：采用 4-7φ5钢绞线,BM 15-4(P)锚具,内径70mm×19mm扁形镀锌金属波纹管成孔。箱梁沿纵向0.5m在顶板内布置一道横向预应力筋,在箱梁两侧交替单端张拉。

竖向预应力：采用直径25mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋,JLM-25锚具锚固,内径 35mm铁皮管成孔。箱梁每道腹板布置 1根竖向预应力钢筋,顺桥向间距0.5m,梁顶张拉。

采用GTQZ-Ⅲ型球形钢支座,各支点沿横向布置2个支座,间距5.5m,支座吨位12 500 kN。

3 计算分析

3.1 梁部纵向计算

预应力混凝土结构计算按照全预应力理论进行设计,受拉区不允许出现拉应力和裂缝。根据拟定的施工方法和施工步骤按平面杆系结构进行整体计算分析。简支梁采用移动支架施工,施工过程中不存在体系转换。计算中考虑了恒载、列车活载、预加力以及混凝土收缩徐变对预应力损失的影响,纵向预应力钢束根据弯矩包络图计算并设置。

3.1.1 计算参数及设计荷载

1 )混凝土：箱梁采用 C50混凝土,环境相对湿度 70%,混凝土平均加载龄期按 7 d计,终极龄期按 3 000 d计。混凝土容重采用26.0 kN/m3。

2 )预应力钢筋：纵向预应力钢束金属波纹管道μ=0.23,K= 0.002 5,橡胶抽拔棒μ=0.55,K=0.001 5,计算时按长度取加权平均值。一端锚具回缩6mm,一个接缝压缩值0.05mm,松弛损失 0.03σcon。锚圈口及喇叭管产生的应力损失由施工单位根据现场试验确定。

3 )恒载：包括结构及附属设备自重、预加力、混凝土收缩徐变影响力等。

4 )活载：采用ZK活载。

5 )其余荷载：按照 TB 10621-2009高速铁路设计规范(试行)及TB 10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范计算。

3.1.2 主要计算结果

简支箱梁在主力作用下,计算结果为：跨中截面上翼缘 σmax= 9.75MPa,跨中截面下翼缘σmin=2.46MPa,强度安全系数K= 2.14,抗裂安全系数Kf=1.27,静活载竖向挠度δ=15mm,梁端竖向转角 0.75‰。箱梁为全预应力构件,设计应力满足规范要求,并留有一定的安全储备。

3.2 梁部横向分析

主梁横向计算主要包括横截面计算和支点处横梁计算。

箱形主梁横截面的横向计算按支撑在腹板底板底的横向框架进行内力分析和计算,取纵向长为 1m的箱梁为计算单元,采用平面程序进行内力计算。计算考虑主梁恒载、二期恒载、列车活载、箱内外温差等荷载组合,考虑了恒载和活载偏心的影响。根据受力情况,顶板按预应力构件设计;底板及腹板均按钢筋混凝土构件检算,选择最不利工况的内力分别配置普通钢筋,检算截面强度和裂缝。

支点处横梁计算根据支座实际支承位置、承载力大小,按照简支梁计算截面内力。计算结果显示：横梁按照钢筋混凝土构件配置普通钢筋,控制截面强度和裂缝。

3.3 车桥动力分析

针对汉中汉江特大桥12孔 64m简支箱梁,采用空间有限元建立全桥动力分析模型,对桥梁的空间自振特性进行了计算;同时,对桥梁在CRH 2、德国ICE3、国产300 km/h动车组作用下的车桥空间耦合振动进行了分析,评价桥梁动力性能及列车运行安全性与舒适性。研究表明：

1 )汉江特大桥 64 m简支梁梁部竖向和横向基频分别为2.408Hz,3.367Hz;考虑桥墩后,一阶纵向、梁—墩体系一阶横弯和梁体一阶竖弯自振频率分别为0.913Hz,1.145 Hz和2.387 Hz;

2 )CRH 2动车组以速度160 km/h～250 km/h、德国ICE3和国产300 km/h动车组以速度200 km/h～420 km/h过桥时,各孔64m简支梁的竖向和横向振动位移、加速度以及墩顶横向振动加速度均小于规范规定的限值,说明桥梁的振动性能良好;

3 )上述动车组过桥时,动车与拖车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内,列车行车安全性得到保障;

4 )本桥 64m简支箱梁具有良好的振动性能,能够满足国产CRH 2动车组以速度160 km/h～250 km/h、德国ICE3和国产300 km/h动车组以速度200 km/h～420 km/h运行时的安全性和良好舒适性要求。

4 施工方法简介

箱梁采用造桥机施工,在墩台顶拼装移动式造桥机就位,然后通过龙门吊及运梁小车将预制梁段运至造桥机的尾部,由支架上的桁吊吊起放在支架腹内的移梁小车上,运到预定位置,待全部梁段就位后,在造桥机上整孔组拼,调整梁底高程,现浇梁段湿接缝,待达到 90%设计强度及弹性模量后,按张拉顺序对第一批钢束进行张拉,第一批钢束全部张拉完毕压浆后梁体即可承受施工荷载(运梁轨道线路重、拖拉移动支架荷载及运梁小车等),张拉完毕后梁体就位,脱离支架。将支架移到下一孔,重复梁段安装工作。第二批钢束张拉安排在第一批钢束张拉后 15 d进行。

5 结语

通过对汉中汉江特大桥 64m双线简支箱梁的设计计算,主要有以下两点体会：

1 )按规范,对于制造工艺不符合工厂制造条件的结构,其强度安全系数应增大10%,即K=2.2。在双线箱梁设计计算中,其强度安全系数很难达到此限值,本桥箱梁强度安全系数按 2.1左右控制。

2 )双线箱梁主拉应力控制设计,腹板厚度主要由主拉应力控制取值。由于采用造桥机施工,可以实现大跨度简支箱梁在铁路桥梁上的应用,与相同跨度的连续梁结构相比,设计简单,施工简便、快速,因而施工质量可以得到保证。64m双线简支箱梁在西成客运专线上的采用,使造桥机技术无论从跨度、起吊重量还是线路等级都有所突破,为今后的进一步发展起到推动作用。

[1] 铁道部专业设计院.混凝土桥[M].北京：中国铁道出版社, 2000.

[2] 王小民.钢筋混凝土简支 T梁桥空间建模及动力分析[J].山西建筑,2009,35(10)：343-344.