印尼雅万高铁时速350 km简支梁设计研究

苏 伟,施 威,张 上,马辰龙,王 琦

(中国铁路设计集团有限公司土建院,天津 300308)

1 概述

1.1 工程概况

雅万高铁连接印尼首都雅加达和西爪哇省省会万隆，线路正线长度142.3 km，其中桥梁长度86.06 km，是我国“一带一路”倡议的重要组成部分[1]。在雅万高铁投标过程中，考虑其地处高烈度震区的现实情况，针对高铁32 m简支箱梁进行了优化设计。优化主要包含3个方面：一是采用大规格预应力钢束，将腹板双排束改为单排束，减少腹板厚度[3]；二是根据静力设计和动力设计情况对梁高进行优化；三是对底板厚度和宽度进行了优化。最终设计完成的时速350 km简支箱梁梁体质量为696 t，有效降低了地震效应，节省了工程投资。雅万高铁简支梁在国内完成了工艺试验和静载试验、破坏试验等，验证了各项指标均满足要求。为了给雅万高铁提供技术支撑，依托雅万简支梁，原中国铁路总公司颁布了铁路工程建设通用参考图—通桥(2018)2326，并在盐通铁路全线应用。

1.2 主要技术标准

雅万高铁采用中国标准，简支梁设计也执行现行的铁路规范及标准，其具体技术标准如下。

(1)设计速度：350 km/h。

(2)设计活载：ZK活载。

(3)轨道类型：CRTSⅢ型板式无砟轨道。

(4)线路情况：双线，正线线间距5.0 m，直、曲线，最小曲线半径7 000 m，困难时5 500 m。

(5)施工方法：适用于梁场集中预制、架桥机架设法施工。

(6)环境类别及作用等级：一般大气条件下无防护措施的地面结构，环境类别为碳化环境，作用等级为T2。

(7)养护维修方式：桥上不设人行道检查车，桥面行车时不允许人员上桥。

(8)设计使用年限：主体结构在正常养护维修条件下设计使用年限为100年。

2 简支梁结构设计

2.1 主要设计原则和内容

(1)主要建筑材料

混凝土采用C50；普通钢筋规格采用HRB400，钢筋直径采用印尼当地标准；钢绞线采用公称直径15.2 mm，抗拉强度为1 860 MPa的标准钢绞线；根据桥位处的地震烈度，支座采用铁路桥梁球形支座或减隔震支座。

(2)桥面布置

雅万高铁简支梁桥面布置与国内高铁常规设计一致，桥面宽取12.6 m，具体见图1。

图1 雅万高铁简支梁桥面布置(单位：mm)

(3)二期恒载取值

雅万高铁采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，钢栏杆或者插板式金属声屏障，综合计算桥面二期恒载在120～150 kN/m，因此，二期恒载按120～130 kN/m、130～140 kN/m、140～150 kN/m分三档，通过减少每档二期荷载差值，可以有效减少梁体残余徐变变形，减小支座吨位，具体二期恒载分档见表1。

表1 二期恒载分档

其他各类荷载取值，刚度、强度控制等限值，均按中国铁路现行规范和标准执行。

2.2 截面参数确定

(1)梁高

简支梁梁高采用2.3～2.9 m按0.1 m一级逐级进行比选[4]，在强度和刚度方面，各级梁高均满足要求；2.3 m及2.4 m梁高残余徐变变形大于7 mm(对于大规模预制简支梁，残余徐变按≯7 mm控制)；各级梁高均满足自振频率最低限值。车桥耦合动力仿真分析建议梁高≮2.6 m。按照印尼当地材料价格，随着梁高的减小，造价也逐步降低。最终，综合各方意见，雅万简支梁梁高取2.8 m。

(2)板厚

箱梁的腹板厚度不仅要保证梁体的抗弯、抗剪强度要求，同时又要提供足够的抗扭刚度；在受力满足设计要求时，又需保证预应力管道的混凝土保护层厚度≮1倍管道直径。简支梁采用单排腹板束布置，每束15～19根钢绞线，管道直径需100～120 mm，因此腹板厚度采用360 mm。

箱梁顶板除承担活载和桥面二期恒载外，还需要考虑日照等温度荷载作用，结合受力及以往经验，顶板厚度取285 mm。

箱梁底板需要考虑预应力管道布置构造需要，兼顾纵横向钢筋布置的空间影响，以及单线荷载作用下底板受力需要，底板厚度取270 mm。

(3)截面尺寸

简支梁采用等高度单箱单室截面，梁端腹板、底板及顶板向内变厚，梁长为32.6 m，计算跨度31.5 m，支座中心线至梁端0.55 m。梁高为2.8 m，顶板宽12.6 m，底板宽5.4 m。跨中截面顶板厚0.285 m，腹板厚0.36 m，底板厚0.27 m，在梁端位置顶板变厚至0.55 m，底板变厚至0.7 m，腹板变厚至0.8 m。见图2。

图2 梁体横断面(单位：cm)

2.3 预应力布置

简支梁单排腹板钢束布置，每侧腹板各布置4根腹板束，规格为15-7φ5 mm；底板布置9根底板束，规格为9～11-7φ5 mm。跨中及梁端预应力布置见图3。

图3 简支梁预应力布置(单位：cm)

2.4 静力计算成果

由表2可知，雅万高铁简支梁在刚度、梁端转角、残余徐变上拱值、强度等方面均满足相关规范要求，每孔梁混凝土用量比国内标准梁减少约37 m3，有效地降低了桥梁结构的地震力。另外每孔梁钢绞线减少约0.5 t，普通钢筋减少约0.7 t，造价减少5万余元，具有较好的经济性。

表2 主要计算指标及工程数量

2.5 三维实体分析

建立的简支梁三维实体模型，模拟简支梁在预应力张拉、正常运营、运架梁、吊梁、双层叠梁、顶梁等工况下的受力情况。上述工况下，简支梁受力均在合理范围内。在终张拉工况下，梁端底板和腹板交接处出现较大主拉应力，通过优化张拉顺序并在此位置设置650 mm×390 mm的下倒角(图2)，可将主拉应力控制在4.4 MPa左右(图4)。后期梁场实际张拉时，此位置未出现裂缝，解决了既有简支梁存在的问题[7]。

图4 终张拉锚固力+自重工况梁端应力云图

3 车桥耦合动力仿真分析

为验证雅万高铁简支梁在高速行车时的动力性能，进行车桥动力仿真分析。分析单位为西南交通大学[10]、北京交通大学[11]、中南大学[12]，分析结论取3份报告中最不利的结果。动力仿真分析中采用雅万高铁桥墩及基础，轨道采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，车型采用CRH3、标动和CRH380，计算速度为250～420 km/h，不平顺谱采用德国低干扰谱及TB/T 3352-2014《高速铁路无砟轨道不平顺谱》。主要结果见表3。

表3 简支梁动力性能参数

在所有理论计算工况下，桥梁的动力响应；各车车体竖、横向振动加速度；列车行车安全性均满足规范要求。CRH3、350标动客车及CRH380A客车在运营速度段所有计算工况(以250～350 km/h通过桥梁)下，列车的乘坐舒适度均达到“良好”标准以上，在检算速度段所有计算工况(以375～420 km/h通过桥梁)下，列车的乘坐舒适度均达到“合格”标准以上。

4 足尺试验梁试验情况

2017年9月起，在汉十高铁襄阳卧龙制梁厂开展了足尺梁试制，完成了工艺试验、静载试验、破坏试验等项目。试验梁水化热、预应力效果及预应力损失、刚度及抗裂性等均满足要求。试验梁模拟了正常运营、吊梁、运架梁、顶梁等工况，也均满足要求[13]。实测梁体刚度为1/5 413，实测自振频率为6.86 Hz(未含二期恒载)，均比设计值大，这主要是由于混凝土实际弹性模量较高造成的。试验梁完成了开裂、重裂及2.0倍荷载的破坏试验，雅万高铁简支梁开裂时为1.434倍设计荷载，与设计抗裂安全系数1.44吻合。图5、图6分别为加载到2.0倍设计荷载时的梁体裂缝情况。

图5 时速350 km箱梁破坏试验腹板裂缝分布示意(加载至2.0级，单位：m)

图6 时速350 km箱梁破坏试验底板裂缝分布示意(加载至2.0级，单位：m)

在2.0倍设计荷载下，梁体裂缝分布均匀，裂缝形态和发展趋势正常，梁体未出现混凝土压溃或预应力钢绞线断丝等破坏迹象；卸载后跨中裂缝基本闭合，梁端腹剪斜裂缝有所残余，梁体挠度基本恢复。试验梁强度安全系数满足要求。

5 BIM技术应用

雅万高铁简支梁按照施工图精度建立了BIM模型(图7)，解决了梁体各构件间的干扰问题。同时实现了普通钢筋的正向设计，即普通钢筋布置图由BIM程序完成。在钢筋图设计中考虑了预留混凝土振捣棒通道，即方便了现场施工又提高了混凝土工程的加工质量。另外，BIM模型中的钢筋数据可直接输入到数控加工设备，实现钢筋的自动化加工，提升钢筋工程加工质量，提高工作效率[9]。

图7 雅万简支梁BIM模型

6 结论

综上所述，设计时速350 km的雅万高铁简支梁在刚度、结构受力、动力性能等方面均满足国内现行相关规范要求。雅万简支梁通过采用大吨位锚具，采用较小的截面尺寸，降低了工程数量，进一步提升了简支梁的经济性。简支梁完成了车-桥耦合动力分析，保证了高速行车的舒适性和安全性。通过足尺试验梁对简支梁在建造，架设、运营的各阶段受力情况进行了试验，特别是完成了2.0倍设计荷载的破坏试验，确保了结构安全。在设计过程中采用BIM技术，解决了各构件间干扰问题，并实现了钢筋自动化加工，提高了工作效率和工程质量。本简支梁在雅万高铁及盐通铁路均已开始大规模预制，部分区段已完成梁体架设，其研究方法和经验可供类似项目参考。