客运专线四线简支梁设计分析

缪文辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处， 西安　710043)



客运专线四线简支梁设计分析

缪文辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处， 西安710043)

摘要：整孔简支箱梁因其具有受力简单，整体刚度大，外形美观，施工工艺简单，后期养护工作小，在我国高速铁路建设中得到广泛采用。铁路工程建设通用参考图中，有砟轨道后张法预应力混凝土双线简支箱梁分为单箱双室、组合箱梁、单箱单室3种截面形式。对于多线桥，尤其是四线桥，在线间距能拉开的情况下，优先采用单线+双线+单线或者双线+双线的分离式组合截面，但对于线间距无法拉开时，国内对这种整体式箱形截面研究较少，以某线为研究背景，四线梁型采用单箱五室截面，桥墩采用三柱式花瓶墩，对四线简支梁进行优化设计，使其能更广泛地应用于四线铁路桥设计中，为四线梁的标准化设计提供参考。

关键词：高速铁路；四线简支梁；单箱五室截面；三柱式花瓶墩；设计

1概述

在高速铁路设计中，桥梁所占比例较大，总里程较长，在桥梁设计中因地制宜地选择结构形式、施工方法，才能达到最佳的技术经济性能，简支箱梁以其自身特性成为高速铁路首选梁型[4]。

本文以时速250 km有砟轨道客运专线为背景，对于四线桥因线间距变化(图1)无法采用“单线+双线+单线”或“双线+双线”分离式组合截面(图2、图3)时，推出单箱五室截面形式(图4)，可满足线路轨道平顺性，在车、线、桥共同作用下，保证高速行车条件下列车的安全性及旅客的舒适性。

图1　线路及基顶平面布置(单位：m)

图2　小里程双线+双线组合截面布置(单位：cm)

图3　大里程单线+双线+单线组合截面布置(单位：cm)

图4　四线桥整体桥面布置(单位：cm)

2设计原则及设计技术参数

2.1线路情况

四线直曲线上梁，双线线间距为4.6～7.5 m，最小曲线半径R≥5500 m，设计速度：250 km/h。

2.2桥面宽度

两侧挡砟墙内侧净距为a+b+c+440 cm，桥面顶宽为a+b+c+850 cm，a、b、c为线间距。

2.3设计荷载

恒载计算包括结构自重和桥面附属设施自重[1]，列车竖向活载纵向计算采用ZK标准活载。

2.4桥面布置形式

四线整孔箱梁有砟桥面布置形式如图4所示[3]。其轨下枕底道砟厚度最小为35 cm。桥面附属设备包括钢轨、道砟、轨枕、防水层、保护层、人行道板、栏杆、接触网支架等，按512～538 kN/m计算。

3结构设计

3.1梁部构造

四线简支箱梁采用整孔现浇法施工，208～216号墩之间变宽度简支梁采用单箱五室截面，采用与通桥2229参考图相同的梁高，箱梁高2.6 m，箱梁底板边缘线以Ⅰ线为基准进行放线，箱梁底宽不变，通过调整翼缘板宽度实现变宽。梁长均为32.6 m。跨中截面腹板厚50 cm，底板厚均为28 cm，顶板两侧设置2%排水坡，顶板厚度横向由25 cm变化至49.6 cm；梁端设110 cm厚横隔墙，梁端500 cm范围内腹板逐渐加厚至100 cm，底板加厚至60 cm，顶板加厚至50～74.6 cm。每侧隔墙各设置5个1.5 m×1.2 m过人洞[5]。

为改善现浇梁的受力性能，设计采用了在梁端设置张拉槽，纵向预应力筋均在梁端张拉的方式，避免了在顶板开槽的不利影响；同时，将支点到梁端的距离适当加大，这样既满足了张拉空间的需要[6]，也保证了纵向钢束尽可能多地通过支点。设计采用在梁端设置长度550 mm后浇段的方式，预留出张拉空间，待纵向预应力筋两端张拉完毕后，再浇筑该部分混凝土(图5)。

图5　梁部构造及钢束布置(单位：cm)

因本桥五室空心截面为等截面，为适应线间距变化对顶板受力的不利影响，对最不利活载布置工况将一线二期恒载和活载布置在箱式跨中，按照计算跨度4.448 m的箱梁进行横向配筋检算[13]。顶板横向钢筋采用φ16 mm钢筋。并间隔20 cm并置1肢φ20 mm的弯起钢筋，以抵抗腹板根部剪力。为简化配筋布置形式，边腹板和中腹板采用相同的配筋形式，腹板纵向钢筋采用φ12 mm钢筋，竖向钢筋采用φ16 mm封闭箍筋，以满足腹板剪应力和主应力要求。

3.2墩及基础设计

208～216号墩采用三柱式花瓶墩，其中208、216号墩设有35 cm纵向预偏心，纵向预偏心设于四线简支梁侧。208～215号墩顶帽横向宽2 600 cm，纵向宽380 cm，墩身横向采用三柱式截面，横向总宽1 550 cm，纵向宽250 cm，纵向放坡45∶1，横向采用直坡，桥墩横向布置见图6。216号墩顶帽横向宽2 800 cm，纵向宽380 cm，墩身横向采用三柱式截面，横向总宽1 750 cm，纵向宽250 cm，纵向放坡45∶1，横向采用直坡。

208～216号墩采用φ1.25 m钻孔灌注桩，桩基础均按摩擦桩设计，每墩设20根桩基。

图6　三柱墩构造(单位：cm)

4结构计算

4.1计算理论

宽梁的单梁模型无法正确计算横向支座的反力、荷载的横向分布以及内力集中效应，利用梁格法模型可以非常方便地解决以上问题。梁格法的主要思想是将桥梁上部结构采用一个等效梁格来模拟，将分散在桥梁每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内，实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内，而横向刚度则集中于横向梁格构件内[11]。

梁格划分需要考虑的主要因素：(1) 将多室箱梁分割为梁格时，注意纵梁的中和轴位置应尽量一致；(2)每跨内的虚拟的横向联系梁数量不应过少；(3)虚拟的横向联系梁的刚度可按一字或二字形矩形截面计算；(4)定义移动荷载的车道时，应尽量选择按“横向联系梁”方法分布移动荷载，此时应将所有的横向联系梁定义为一个结构组，并在定义车道时选择该结构组[12]。

4.2杆系模型计算结果

箱梁纵向均采用全预应力理论设计。计算以Midas梁格法计算为主，采用Bsas杆系模型作为辅助检算，以便校核。本文采用Midas单箱多室梁格法建模助手，输入单箱多室设计截面后，可根据设定的纵向单元尺寸，在节点处自动划分横向虚梁的刚度，虚梁弹性模量同梁体，容重设置为零。虚梁无截面尺寸，抗弯刚度为腹板厚度，顶底板厚度等于箱梁顶底板厚度的工字形截面[9]。

《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)规定梁体变形应符合下列规定：(1)在ZK静活载作用下，梁体竖向挠度限值Δ为L/1 400；(2)简支梁竖向自振频率不应低于120/L时，可不进行车桥耦合动力响应分析；(3)在ZK静活载作用下，梁端竖向折角不应大于2‰；(4)在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，梁体水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1/4 000；(5)在ZK活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，桥跨结构横向水平变形引起的梁端水平折角应不大于1.0‰；(6)轨道铺设后，梁的徐变上拱值不宜大于20 mm[8]。

表1给出了梁部在设计荷载作用下的各项设计指标。

图7为平面杆系计算弯矩图，恒载下跨中弯矩131 134 kN·m，活载下跨中弯矩32 826 kN·m，主力下跨中弯矩163 960 kN·m。支座反力计算结果见表2。

静活载竖向挠度3.3 mm，梁端转角0.34‰。

对顶板进行横向配筋验算时，取单位米箱梁进行横向加载，活载采用ZK特种活载。其受力规律同连续梁，顶板跨中正弯矩58 kN·m，腹板处顶板负弯矩116 kN·m。考虑腹板支承宽度和梁高对负弯矩的折减，折减后负弯矩104 kN·m。顶板跨中钢筋拉应力98 MPa，混凝土压应力5.6 MPa。顶板根部钢筋拉应力95 MPa，混凝土压应力3.9 MPa，均满足钢筋混凝土结构设计规范[2]。

表1　四线简支梁计算结果

图7　结构弯矩包络图(单位：kN·m)

kN

4.3梁格法计算结果

单箱五室箱梁模型从左至右，将6片纵梁分别命名为1号纵梁、2号纵梁、3号纵梁、4号纵梁、5号纵梁、6号纵梁，见图8。1号纵梁单元号为1～26号，2号纵梁单元号为27～52号，3号纵梁单元号为53～78号，4号纵梁单元号为79～104号，5号纵梁单元号为105～130号，6号纵梁单元号为131～156号。

图8　梁格法计算模型

静活载挠度跨中最大挠度3.8 mm。梁端转角梁端转角0.33‰，与杆系模型计算结果一致。梁体的纵向弯矩就每片纵梁的验算结果见图9～图14。

图9　边纵梁最大弯矩

图10　中纵梁最大弯矩

图11　运营阶段正截面抗裂安全系数

图12　运营阶段下缘压应力验算(单位：kPa)

图13　运营阶段上缘压应力验算(单位：kPa)

图14　正截面抗弯安全系数

多于两线的桥梁结构应按照以下最不利情况考虑：按2条线路在最不利位置承受ZK活载，其余线路不承受列车活载[14]；所有线路在最不利位置承受75%的ZK活载。主力作用下，边梁跨中弯矩21 000 kN·m，中梁跨中弯矩25 000 kN·m。

经验算，正截面抗裂安全系数1.9，最小压应力2.8 MPa。运营阶段上缘混凝土压应力6.0 MPa。正截面抗弯强度安全系数2.7。

由以上计算分析可知，该四线简支梁在主力和主+附荷载组合工况下，均满足《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》的相关规定。

运营阶段梁体徐变变形的发展将会引起桥面的立面线形不平顺，影响行车安全和旅客舒适度。恒载作用下，混凝土应力不宜大于0.4倍的混凝土轴心抗压强度，并应分阶段按相应的混凝土龄期计算混凝土的徐变变形。根据预应力混凝土梁徐变变形的发展规律，一般条件下，终张拉后60 d梁体的徐变变形可完成约50%[15]。

因此，规定在梁体终张拉开始应进行变形观测，同时终张拉后应进行60 d的梁体徐变变形观测，四线梁最大压应力6 MPa，徐变上拱1 mm，均满足高速铁路设计规范[7]。

4.4现浇梁施工工艺要求

四线现浇梁采用满堂支架进行施工，施工要注意解决支架和模板稳定、地基承载力和变形等关键问题。

支架基础应满足施工对基础的强度、稳定性及变形的要求。箱梁施工前应采用1.2倍的施工荷载对支架进行预压，实测支架的沉降及变形，以便提前采取预设拱度，并待支架的非弹性变形消除后，方能进行箱梁混凝土的浇筑，确保梁底高程符合设计要求[10]。

为保证梁端有足够的张拉空间，应特别注意相邻梁的施工顺序，封锚混凝土在相邻两孔梁预应力筋张拉作业完毕后再灌注。

5结论

四线简支梁因其桥面较宽，顶板横向宽达29 m，在线间距发生变化时，无法将箱梁分幅。

针对一次四线线路情况，在桥面横向不设横向预应力筋前提下，采用单箱五室截面，梁高2.6 m，最大腹板间距4.448 m，腹板外轮廓与常规简支梁一致，景观协调，可有效简化计算，提高工作效率，适应客运专线铁路。

单箱五室截面形式是介于“单线+双线+单线”和“双线+双线”2种分离式组合截面之间的整体式箱形截面，整体刚度更大，抗扭性能强，可在四线并行的长大区段范围内采用，做成标准化参考图的形式推广应用，本文通过杆系模型及Midas梁格法分模型，对单箱五室截面进行优化设计，纵向为全预应力结构，横向为钢筋混凝土结构。

本设计中，四线梁搭配三柱式花瓶墩，景观效果好，视觉通透性强，采用整体式基础，受力合理，考虑四线活载折减系数后，下部材料用量省。

参考文献：

[1]中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]国家铁路局.TB 10621—2014高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.

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收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-24

作者简介：缪文辉(1982—)，男，工程师，2009年毕业于长安大学桥梁 与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：250701444@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0072-05

中图分类号：U238； U448.21+7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.017

Design Analysis of Four-line Simply Supported Beam on Dedicated Passenger Railway Line

MIAO Wen-hui

(Department of Bridge and Tunnel Engineering Design， China Railway First Survey and Design Group Co., Ltd.， Xi’an 710043, China)

Abstract：The full-span simple box girder is widely used in the high-speed railway construction due to its overall stiffness， appealing appearance， simple construction process， post maintenance work. As specified in Railway Engineering Construction General Reference Drawing， the post-tensioned pre-stressed simple concrete girders on ballasted double track are divided into three types in terms of cross-section: the single box with double chamber， the combination box girder， the single-box with single-chamber. With regard to the multi-line bridge， especially the four-line bridge， separate combined cross-section of single line+double line+single line， or double line+double line is prioritized in case that the distance between lines can be sufficiently maintained. Where the line spacing is not sufficient， less study is conduced on this full box cross-section in china. Based on a certain line， this paper introduces a single box girder cross-section with five chambers on a certain four-line railway and three-column vase pier is used. The paper also describes the structure and optimizes the design for wider application in four-line railway bridge design， which may serve as reference for standard design of four-line bridges.

Key words：High-speed railway; Four-line simply supported beam; Single box with five chambers; Three-column vase pier; Design