客货共线铁路箱梁装配式桥面系设计研究

尹京 李旺旺 陈胜利

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

装配式技术起源于19世纪的欧洲，而后逐步推广到美国、加拿大、日本等国［1］。第二次世界大战以后，由于装配式结构的建造速度快，而且生产成本较低，迅速在世界各地推广开来［2-5］。我国早年由于装配式建筑的隔音、防水、节点抗震等关键技术没有得到很好解决，阻碍了装配式结构在我国的发展。随着2007年我国住宅产业化的推进，行业再次聚焦到以PCa 装配式技术为主的工业化生产方式［6-10］。装配式技术的关键问题是节点或断面的连接问题，主要连接方法有：现浇湿接缝或灌浆口连接、灌浆套筒连接、灌浆波纹管连接、预应力筋连接等。

国办发〔2016〕71 号《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》指出，发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措。预制拼装法作为桥梁绿色环保建设的代表工法，不仅可以促进传统产业的转型升级，还能降低劳动成本，节约建筑材料，降低能耗，减少扬尘，对环境干扰小，满足节能环保的要求。因此，对该施工方法和核心技术进行深入研究并实施产业化具有重要意义，也是贯彻我国十三五“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念。

我国客货共线铁路桥梁桥面附属设施主要包括挡砟墙、电缆槽、盖板、遮板、栏杆、声屏障等。根据铁路桥梁施工和运营状态的调研结果，现有箱梁桥面附属设施存在施工周期较长、现浇混凝土工作量大、现场施工质量难以控制、运营期间养护维修工作量大等问题［11］。通过桥面附属设施现场装配化施工，可缩短施工周期，保证施工质量，从而减少桥面附属设施的养护维修工作量，节省桥梁的全寿命周期成本。本文从方案比选和结构设计角度，通过有限元分析和理论计算相结合的方法，重点研究了客货共线箱梁桥面附属设施在装配过程中与桥梁主体结构的连接问题，提出了客货共线铁路箱梁的装配式桥面系设计方案，克服了传统铁路桥面系依赖现浇的弊端。

1 总体装配方案比选

根据功能需求和桥面附属设施结构特点，提出3 种装配式桥面附属设施总体方案进行比选，分别为整体式、倒F式和分体式。

1）整体式。挡砟墙、电缆槽底板、电缆槽竖墙、边墙全部整体预制，电缆槽底板与翼缘板现场通过螺栓连接。由于电缆槽底板参与结构受力，因此需增加电缆槽底板厚度。整体式装配桥面附属设施方案见图1。优点：①电缆槽底板与挡砟墙、边墙形成整体，整体受力性能好，同时可作为桥面的防水层和保护层；②挡砟墙、边墙和电缆槽可一次性整体吊装就位，减少装配工序。缺点：整体吊装重量较大。

图1 整体式装配桥面附属设施方案

2）倒F式。挡砟墙、电缆槽底板、电缆槽竖墙采用整体预制，挡砟墙底部与桥梁通过螺栓连接，外侧挡墙在梁场与桥面整体浇筑。倒F式装配桥面附属设施方案见图2。优点：①电缆槽底板与挡砟墙形成整体，可减小挡砟墙连接构件受力，同时作为桥面的防水层和保护层；②外侧挡墙与桥面整体性好，栏杆区段可减小挡墙厚度，满足现有架桥机要求。缺点：外侧挡墙过隧道时受限。

图2 倒F式装配桥面附属设施方案

3）分体式。将遮板进行整体预制安装，为满足受力要求，通过预埋钢筋与梁体翼缘板进行连接。挡砟墙同样采用竖向钢筋与梁体连接。电缆槽内竖墙和底板采用预应力混凝土（Reinforced Prestressed Concrete，RPC）整体预制构件，安放在电缆槽内。分体式装配桥面附属设施方案见图3。优点：各预制构件自重小，构件容易存放。缺点：挡砟墙和遮板均需要连接，构件数量多，现场安装工序复杂。

图3 分体式装配桥面附属设施方案

通过3 种方案的对比可以看出，整体式方案整体力学性能好，安装过程工序少，运输过程中不受隧道断面限制，适用性广，具有明显优势。故选取该方案开展后续结构设计与检算。

2 方案设计

客货共线铁路桥面附属设施整体式装配方案的主要功能包括：①挡砟墙对道砟进行限位，同时起到列车脱轨导向作用；②外侧边墙提供栏杆、声屏障接口；③电力和通信信号线缆分槽敷设；④提供维修人员通道；⑤向内排水，保护翼缘表面，提高梁体结构耐久性。其中挡砟墙的列车脱轨侧向力是设计控制工况，采用“通桥（2014）8188”中现浇挡砟墙横向水平荷载200 kN/m 进行设计，作用于挡砟墙顶部。设计主要控制截面为截面A、截面B和截面C，断面位置见图4。

图4 挡砟墙横向水平荷载计算控制截面

2.1 内力计算方法

由于砂浆层和连接装置的共同作用，使得模型边界条件复杂。为简化模型计算，比较分析以下2 种边界条件。

1）铰接支承假定：①螺栓和混凝土预制件的刚度均无限大；②挡砟墙侧螺栓受拉，受拉区砂浆层脱开，受压区砂浆层无支承作用。该假定可大量简化计算，结构内力计算可通过结构力学公式求解。

2）弹性支承假定：①螺栓、混凝土预制件和砂浆按实际刚度取值；②受拉区砂浆层脱开，受压区砂浆考虑其弹性支承作用，见图5。该假定与实际受力情况更接近，结构内力可通过杆系单元有限元模型计算得到。

图5 弹性支承计算模型

弹性支承计算模型中将砂浆层简化为仅受压的弹簧，轴向刚度为k1，螺栓简化为可承受拉、压和弯曲的弹簧，轴向刚度为k2，抗弯刚度为k3，此时将螺栓视作固定于梁面的悬臂梁。各刚度计算式为

式中：Eb为砂浆弹性模量；Ab为砂浆层面积；Lb为砂浆层厚度；El为螺栓拉压弹性模量；Al为螺栓截面积；Ll为螺栓受拉长度；Il为螺栓截面惯性矩。

脱轨侧向荷载P产生的弯矩通过挡砟墙传递至底板，底板、砂浆层与螺栓组合形成超静定结构，共同抵抗该弯矩，并通过螺栓将荷载传递至桥面翼缘板。通过变形协调方程求解超静定方程可得到螺栓内力和预制件截面内力。

2.2 螺栓连接方案设计

螺栓布置位置会影响螺栓内力和预制件截面内力，边墙侧螺栓由于构造要求位置基本确定，挡砟墙侧的螺栓位置有2 种布置方案：①布置在电缆槽内紧邻挡砟墙的根部；②布置在电缆槽外紧邻挡砟墙根部。2种方案螺栓位置见图6。

图6 挡砟墙根部的螺栓位置方案（单位：mm）

按照弹性支承计算模型，拟定底板厚度为200 mm，挡砟墙侧每米布置1.5 个M30 高强螺栓，边墙侧每米布置1个M24高强螺栓。计算得到预制件截面C的内力和螺栓内力，见表1。

表1 螺栓位于电缆槽内外主要内力指标比较

由表1可见，按照弹性支承假定计算，电缆槽外方案比电缆槽内方案的螺栓力臂长度（砂浆脱开分界点距挡砟墙根侧螺栓的距离）增加10.3%，螺栓拉力减小12.3%，电缆槽底板的弯矩和剪力也均减小。但对于有砟轨道，还需考虑大型机械养护对挡砟墙之间的限界要求，电缆槽外方案螺栓位置可能会对道砟振捣养护产生影响。因此，螺栓位置采用布置在电缆槽内的设计方案。

2.3 预制件尺寸设计

通过计算分析发现，底板厚度变化将影响截面C和螺栓的内力分配。螺栓位置采用布置在电缆槽内的设计方案，设定底板厚度为0.18 m 时底板与螺栓刚度比α=1。改变底板厚度，得到不同刚度比对内力的影响，见图7。

图7 不同刚度比对内力的影响

由图7可见，相同脱轨侧向力作用下，随着刚度比的增大，螺栓承担拉力减小，底板截面分配弯矩加大，力臂长度增加。在参数设计时，需充分考虑螺栓规格与底板厚度的匹配性，避免螺栓过粗或底板过厚浪费材料，也需避免螺栓过细抗力不足，或底板过薄不满足混凝土保护层厚度等结构构造要求。因此综合考虑结构受力安全性、建造经济性、构造功能性要求，确定采用M30螺栓、底板厚度为0.186 m进行初步设计，刚度比α约为1.12。

3 控制断面设计结果

挡砟墙截面A宽度取0.185 m，中部截面B宽度取0.225 m，截面C 处底板厚度取0.186 m，挡砟墙侧螺栓长度取0.25 m，平均每米布置1.5个M30螺栓，边墙侧螺栓长度0.20 m，每米布置1 个M24 螺栓。弹性支承下结构内力见表2和表3。

表2 脱轨侧向力作用下挡砟墙内力

表3 脱轨侧向力作用下螺栓内力 kN

脱轨侧向力工况按一次性撞击考虑，裂缝宽度不予控制，材料参数取极限值［12］。装配构件脱轨侧向力工况下控制截面应力计算结果见表4。可见，截面A为控制截面，混凝土最大压应力为26.2 MPa，采用本文提出的整体式装配结构和连接螺栓设计方案可以满足列车脱轨侧向撞击的防护要求。

表4 脱轨侧向力工况下构件控制截面应力计算结果 MPa

4 结论

本文通过方案比选和关键参数理论分析，得出以下结论：

1）提出了客货共线铁路箱梁桥面整体式装配设计方案，即挡砟墙、竖墙、边墙、电缆槽底板整体预制安装，通过电缆槽内的高强螺栓与桥面翼缘板连接的方案。

2）设计最不利截面为挡砟墙中部加宽平台处，混凝土最大压应力为26.2 MPa，小于极限抗压强度33.5 MPa，具有一定安全余量。

3）采用本文提出的整体式装配结构和连接螺栓设计方案可以满足列车脱轨侧向撞击的防护要求。