高速铁路节段预制简支箱梁构造设计和力学性能分析

刘 国

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

国外某高速铁路工程作为“一带一路”重点项目，由于当地土地私有化，用地界限制了大型梁场的建设，国内高速铁路简支箱梁常用的整孔预制架设法难以实施，故采用节段预制拼装法施工。

节段预制简支箱梁施工速度快，梁体采用分段标准化预制工艺、梁体质量容易控制，有利于标准化生产，能有效弥补整孔预制架设箱梁对城市交通的影响[1-2]。2005年，节段梁技术应用于珠三角地区广州地铁4号线建设中，之后广州地铁14号线、21号线等陆续使用节段预制胶拼方法[3-4]。随着体外预应力技术的不断进步，国内公路建设中也逐渐开始采用节段预制工程技术[5-7]。在普速铁路中，黄韩侯铁路芝水沟特大桥是胶拼节段预制拼装方法的首次应用[8]。但该技术在高速铁路领域中应用较少，以下依托国外某高速铁路工程，对24.6～32.6 m节段预制简支箱梁进行研究，分析其构造设计要点，对其力学性能进行计算分析，为后续高速铁路节段预制简支箱梁的设计提供借鉴。

2 节段预制简支箱梁构造设计

2.1 结构尺寸

简支箱梁采用C50混凝土，截面类型为单箱单室。跨中顶板厚25 cm，底板厚28 cm，腹板厚36 cm，梁端顶板、底板、腹板向内侧加厚，分别为顶板厚50 cm，底板厚60 cm，腹板厚75 cm。桥面板宽12.2 m，桥梁建筑总宽12.5 m，挡砟墙内侧净宽9.0 m。截面中心线处梁高2.686 m，横桥向支座中心距为3.0 m。跨中标准横断面如图1所示。

图1 跨中标准横断面(单位：mm)

2.2 节段构造尺寸

(1)全线简支箱梁梁长24.6～32.6 m，计算跨度为23.5～31.5 m。通过改变各节段数量组成相同梁高、不同跨径的简支箱梁。

(2)梁体节段由运梁车从预制场运送至桥位，受到车辆、道路的载重限制，桥梁节段质量一般不超过70 t，跨径一般不超过50 m。架桥机在桥位拼装而成，钢构件不宜过重，故架桥机的承载能力受到限制。

结合当地运输条件，参考当地在建铁路工程梁部节段尺寸及架桥机架设条件，本项目预制节段纵向长度在满足运输、架设等要求下，标准节段长2.6 m，节段质量小于60 t。预制节段分为端头节段(D类)、渐变节段(G类)及标准节段(B类)三种类型。端头节段长2.0 m，渐变节段块节段长2.6 m，标准节段块节段长2.0～3.0 m，节段最大吊重为563.4 kN。

节段划分构造如图2所示。

图2 节段划分构造(单位：mm)

2.3 剪力键构造

拼装缝应布置剪力键，并在拼装面涂抹环氧树脂胶[9]。剪力键的功能主要为定位和提供抗剪能力。剪力键与预制梁段一次成型，在腹板上除预应力孔道位置外满布，同时在箱梁顶板及底板应布置少量剪力键，剪力键采用梯形键。为方便胶体顺利挤出梁体，顶、底板剪力键在顶板顶面和底板顶面应设挤胶槽口。剪力键布置和梁体设计时，需考虑顶底板和腹板预应力钢束的布置以及不同节段间尺寸的变化。标准节段剪力键布置及大样如图3、图4所示。

图3 标准节段(B类)剪力键布置(单位：mm)

图4 标准节段(B类)剪力键大样(单位：mm)

2.4 预应力布置

由于接缝的存在，梁体刚度有所降低。为减小恒载作用下梁体上、下缘应力差，降低徐变上拱，防止恒载作用下梁体下缘压应力偏大，在满足抗裂安全系数的前提下，跨中腹板部分预应力布置也应较整体梁靠近中性轴。钢束曲线段尽可能布置在预制梁节段内，以避免预应力接缝施工孔道定位偏差，减小施工引起的孔道摩阻加大，影响梁体施工质量。

简支箱梁预应力钢束采用φ15.2 mm钢绞线，抗拉强度标准值为1 860 MPa，简支箱梁(30.6 m

图5 预应力钢束布置(单位：mm)

2.5 临时连接

临时预应力张拉可以固定梁段，提供胶体凝结所需应力[10]。临时连接分为顶板临时连接及底板临时连接。顶板临时连接在顶板设置预留孔，临时张拉时安装可拆卸的钢构件作为台座，在箱梁顶面张拉临时预应力钢筋；底板临时连接在箱室内部设置混凝土块作为台座，在箱室内部张拉临时预应力钢筋。梁体安装完毕后，应采用微膨胀混凝土将顶板上的临时张拉台座预留孔进行封堵，并做防水处理。标准节段临时张拉台座布置如图6所示。

图6 标准节段(B类)临时张拉台座布置(单位：mm)

3 节段预制简支箱梁力学性能分析

节段拼装简支箱梁与整体箱梁的根本区别在于节段拼装接缝处纵向普通钢筋不连续、混凝土不连续，离散的节段通过预应力筋及剪力键形成整体，节缝处受力性能是应用节装拼装技术的关键。

受胶接缝影响，桥梁出现裂缝以及裂缝集中的位置均发生变化，抗裂控制截面是拉应力最大的接缝截面[11]。按照结构设计的思路，从强度、运营阶段和施工阶段结构计算三方面，采用MIDAS/civil、MIDAS FEA、ANSYS与BSAS程序建立模型，对节段预制简支箱梁的力学性能进行检算分析。采用ZK活载，有砟轨道二期恒载为209 kN/m，设计速度为250 km/h，风力、温度力、制动力均按照TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》取值。

3.1 强度检算

(1)强度安全系数及抗裂安全系数

参考美国AASHTO《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》，环氧树脂胶接缝其抗弯承载能力折减系数取0.95，其抗剪能力折减系数取0.90[12]。主力工况下强度安全系数不小于2.0，“主力+附加力”工况强度安全系数不小于1.8。

由于胶接缝梁环氧胶与混凝土黏结能力小于整体混凝土抗拉强度，故胶接缝梁抗裂强度减弱，从安全出发，不考虑接缝处混凝土和环氧胶的拉应力，抗裂安全系数不小于1.2，以提供足够的抗裂安全度。受力分析指标见表1。

表1 受力分析指标

由表1可知，24.6～32.6 m节段预制简支箱梁胶接缝处强度安全系数主力工况下最小为2.09，“主+附”工况下最小为2.09，满足要求。抗裂安全系数主力工况下最小为1.30，“主+附”工况下最小为1.28，满足要求。

(2)抗剪承载力计算

胶接缝剪力如图7、图8所示。

图7 23.5m梁主+附作用下梁体剪力(单位：kN)

胶接缝处的抗剪强度由纵向预应力弯起抗剪Vsb、剪力键抗剪Vk和摩阻力抗剪Vn三部分组成。剪力键混凝土容许剪应力为[τ]=0.17fc=5.7 MPa，考虑顶、底板剪力键受力的不均匀性，剪力键面积中，只计腹板部分抗剪，顶底板剪力键仅作为安全储备。摩阻力受力面积只计腹板面积，扣除预应力孔道所占面积，不扣除剪力键所占面积。

第一道胶接缝距梁端2 m，为剪力最大的一道胶接缝。胶接缝处最大剪力及抗剪强度计算结果如表2。

表2 胶接缝最大抗剪承载力汇总

由表2可知，24.6～32.6 m节段预制简支箱梁抗剪强度均满足要求。

3.2 运营阶段检算

(1)结构应力检算

运营阶段最不利荷载作用下环氧树脂胶接处不应出现拉应力，本项目控制压应力不小于1.0 MPa。

由表3可知，24.6～32.6 m节段预制简支箱梁混凝土压应力、剪应力及接缝处应力均满足要求。

(2)变形计算

胶接缝的存在使运营中弹性阶段结构变形增大，在结构变形计算时，截面抗弯刚度取值需考虑该影响。利用BSAS计算得到没有胶接缝的相同截面形式的简支箱梁在车道荷载作用下的最大位移为5.3 mm。由于环氧树脂胶接缝较薄，涂层厚度一般为1～3 cm，故建模时忽略其厚度方向的影响，采用板单元进行模拟。胶层与混凝土之间不发生剥离，模型中将混凝土实体单元与胶接缝板单元的节点进行耦合。利用MIDAS FEA计算得到ZK活载作用下节段预制简支箱梁的变形(如图9所示)。

表3 结构应力主要计算结果

ZK活载作用下，没有胶接缝影响的简支梁最大挠度是考虑胶接缝存在时的0.93倍。根据中国铁道科学研究院试验成果，胶接缝对截面抗弯刚度的折减系数取0.9，与上述计算结果接近，故计算时按照0.9进行折减。

图9 ZK活载作用变形(单位：mm)

在ZK静活载作用下，32 m节段预制简支箱梁梁体竖向挠度为10.1 mm，挠跨比为1/3 150，小于规范要求1.4L/1 400；静活载作用下，梁端转角位0.92‰，小于规范要求(2‰)，挠跨比及梁端转角均满足规范要求。32 m节段预制简支箱梁跨中残余徐变为9.3 mm。

(3)端横梁局部应力分析

选取端头节段(D类)，采用ANSYS软件建立实体模型，二期恒载为209 kN/m，荷载工况为主力工况。计算结果如图10～图12所示。

图10 横桥向正应力(单位：Pa)

由计算结果可知，横桥向最大拉应力为3 MPa，竖向最大拉应力为1.2 MPa，支座上方底板与腹板相接处最大竖向剪应力为3 MPa，均满足规范要求。

图11 竖向正应力(单位：Pa)

图12 竖向剪应力(单位：Pa)

3.3 施工阶段检算

(1)存梁暴晒工况检算

施工阶段铺设道砟前，竖向温度梯度考虑裸梁暴晒，按顶板升温Ty′=20·e-5y℃非线性考虑。32.6 m节段预制简支箱梁钢束张拉完、未上二期恒载时，存梁暴晒的上缘梁体应力如图13、图14所示。

图13 存梁暴晒时上缘应力(单位：MPa)

图14 存梁暴晒时下缘应力(单位：MPa)

表4 存梁暴晒结果汇总

由表4可知，存梁暴晒工况下，结构应力满足要求。

(2)吊点实体单元计算

图15 标准节段吊点模型

选取2.6 m长的标准节段，利用ANSYS软件建立实体模型，模型如图15所示。按实际位置及尺寸模拟吊孔，在吊孔下端对应垫板区域范围内的节点施加竖向支承，模拟吊装过程的受力。标准节段吊点局部应力分析结果如图16、图17所示。

图16 横向正应力(单位：Pa)

图17 竖向剪应力(单位：Pa)

由图16、图17可知，绝大部分范围横向正应力小于1.0 MPa拉应力，孔边应力集中处最大为1.16 MPa，小于容许值2.79 MPa；剪应力最大为0.9 MPa，小于容许值1.55 MPa。横向正应力及竖向剪应力均满足要求。

4 结论

(1)介绍国外某高速铁路24.6～32.6 m节段预制简支箱梁构造特点，结合节段预制简支箱梁的构造特点，从强度、运营阶段和施工阶段结构计算三方面进行力学性能检算分析。经计算研究可知，节段预制简支箱梁受力和变形满足规范要求。

(2)梁段划分为标准节段和梁端节段，节段长度取决于节段质量及运输吊装时的尺寸限制要求。通过改变各节段数量组成相同梁高、不同跨径的简支箱梁。

(3)节段预制简支箱梁抗弯折减系数取0.95，抗剪折减系数取0.90；抗裂安全系数不小于1.2；胶接缝对截面抗弯刚度的折减系数取0.9。

(4)运营阶段最不利荷载作用下环氧树脂胶接处不应出现拉应力，设计中压应力可控制为不小于1.0 MPa。