高速铁路大跨度低高度预应力混凝土连续梁设计研究

王冲冲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

预应力混凝土连续梁由于经济性好、噪声小、刚度大、后期维护费用低、施工技术成熟等特点,通常作为铁路大跨度桥梁的首选结构形式[1-2]。然而,为了满足高速铁路的刚度要求,通常会采用更高的梁高,而梁高加大往往会限制其应用[3],尤其一些立交净空控制的桥梁。此外,笨重的外形也不符合城市的美观要求,使其竞争力大为降低[4]。

近几年,针对高速铁路大跨度混凝土连续梁的研究主要集中于混凝土收缩徐变对结构线形的影响[5-8]、车桥系统耦合作用[9]、铁路桥梁刚度限制标准[10]、箱梁剪力滞效应的影响[11]以及桥梁抗震措施等[12-13],对低高度混凝土梁的研究较少。

钟铁毅等[14]针对铁路预应力活性粉末32 m低高度T形梁,通过有限元分析及静载试验,分析其受力性能,得到该梁极限承载力及各项指标满足设计要求;周伟明等[15]结合工程实例,研究低高度密肋式T梁,表明采用低高度梁能显著降低路线纵坡,节约占地,降低工程造价;闫晓夏[16]以朔黄铁路24 m及32 m跨度低高度预应力混凝土简支T梁为研究对象,研究了重载作用下梁体的承载能力和重载改造技术,通过多种加固方案的综合比选,提出对低高度混凝土梁重载加固改造方案;张福田[17]对低高度预应力混凝土梁采取辅助钢梁技术进行加固,并进行相关动载试验,结果表明,增设辅助钢梁后梁体的竖向刚度明显提高,辅助钢梁与原混凝土梁体共同作用性能良好。

根据文献检索结果,现有低高度预应力混凝土连续梁研究成果较少,多集中于简支梁研究,且侧重于加固研究,对于如何降低大跨度预应力混凝土连续梁的高度,从而扩大混凝土连续梁的应用范围,尚未检索到相关研究。

鉴于此,依托高速铁路预应力混凝土连续梁桥结构,分析主跨100 m低高度连续梁跨度配合比、主梁构造参数等对结构受力的影响,进而总结出低高度大跨连续梁的技术要点,为拓宽混凝土连续梁的应用范围奠定基础,该研究成果计划在平凉至庆阳、中国至尼泊尔等铁路干线中应用。

1 桥跨布置及计算

以银西高铁(60+100+60) m连续梁为工程依托,通过增设次边跨的方式,利用次边跨对中跨的刚度约束来提高跨中刚度,减小梁端转角[18-19],从而减小截面高度,降低主跨内力,减小桥梁整体高度。

低高度连续梁和传统三跨连续梁一般采用对称悬臂施工的方法施工[20],当主跨为100 m时,中跨悬臂施工长度达49 m,次边跨长度不应小于51 m,本次研究取52 m,边跨从经济性考虑,不宜过小,本次取35 m,因此,100 m低高度连续梁桥跨布置初步拟定为(35+52+100+52+35) m。

梁体采用单箱单室变高度直腹板箱形截面,梁高3.0～5.5 m,梁底曲线采用二次抛物线。其余尺寸同银西高铁(60+100+60) m连续梁。桥梁立面布置如图1所示,箱梁墩顶及跨中截面如图2所示。

图1 桥梁立面布置(单位:cm)

图2 箱梁墩顶及跨中控制截面(单位:cm)

针对上述主梁,采用BSAS有限元软件进行计算分析,全桥共划分77个单元,46个施工阶段,环境相对湿度取70%。二期恒载采用 176 kN/m。活载、温度力、离心力等荷载按照TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》办理。主要计算结果如下。

(1)主梁刚度计算结果如表1所示。

表1 梁部位移及梁端转角

由表1可知,中跨跨中位移在ZK静活载+0.5温度最大组合位移值66.5 mm,与跨度的比值为1/1 503,小于规范限值1/1 364(1.1L/1 500),满足规范要求[21-22]。

(2)主梁正应力计算结果如表2所示。

表2 主梁混凝土正应力 MPa

(3)主梁其他计算结果如表3所示。

表3 主梁其他安全指标 MPa

由表2、表3可知,在主力工况下,主梁所有截面最小正应力为1.2 MPa(主墩墩顶截面),最大正应力为15.1 MPa;在主+附工况下,主梁最小正应力为0.9 MPa(主墩墩顶截面),最大正应力为16.0 MPa,均满足规范要求[21-22]。

在主力工况下,最小抗裂安全系数为1.3,最大主拉应力为2.2 MPa,强度安全系数最小值为2.1;在主+附工况下,最小抗裂安全系数为1.3,最大主拉应力为2.4 MPa,强度安全系数最小值为2.1,均满足规范要求[21-22]。

2 与传统连续梁比较

(35+52+100+52+35) m低高度预应力混凝土连续梁与传统(60+100+60) m预应力混凝连续梁构造、工程量及主梁受力对比如表4所示。

表4 低高度预应力混凝连续梁与传统连续梁对比

从表4可以得出以下结论。

(1)低高度连续梁与传统连续梁相比,墩顶处梁高由7.4 m降低至5.5 m,跨中梁高由4.4 m减小为3.0 m,大大减小了混凝土工程量,每延米混凝土工程量由17.9 m3减小至14.2 m3,减少约20%。

(2)两种连续梁的梁端转角基本相当,低高度连续梁由于梁高降低,跨中竖向刚度在满足规范要求的前提下略有降低,但低高度连续梁徐变上拱值减小明显,降幅达60%。

(3)由于桥面布置满足高铁行车的要求,低高度连续梁梁宽与传统连续梁保持一致,横向刚度较传统连续梁略有降低。

3 跨度配合比研究

为得出低高度连续梁最优跨度配合比,除研究上述1-(60+100+60) m和2-(35+52+100+52+35) m连续梁外,还计算了3-(32+48+100+48+32) m、4-(24+48+100+48+24) m、5-(24+36+100+36+24) m共4种跨度的低高度连续梁,配跨(边跨及次边跨合计长度)分别为87,80,70,60 m,为方便比较,将跨度类型代号依次编码为1～5。

不同跨度低高度梁,由于截面构造尺寸不变,仅边跨变化,主跨内力相差较小,故仅提取桥梁刚度及支座反力结果比较分析,具体结果分别见图3、图4及表5。

表5 连续梁支反力 kN

图3 不同跨度配合比梁端转角

图4 不同跨度配合比跨中活载位移

从计算结果可以得出以下结论。

(1)不同配跨的低高度连续梁,随着配跨长度逐渐减小,活载跨中挠度及梁端转角均逐渐减小,说明减小配跨长度,梁体竖向刚度逐渐增大。

(2)随着配跨长度减小,次边墩支反力也逐渐减小,当配跨长度减小至60 m时,(24+36+100+36+24) m连续梁次边墩恒载作用下已出现1 556 kN的负反力,因此该跨度布置不合理,设计中不建议配跨小于60 m。

(3)对于主跨100 m低高度连续梁,配跨长度在70～80 m之间时,连续梁受力合理,主力作用下若出现少量负反力,可通过增加次边墩墩顶实体段长度予以抵消。

4 构造参数研究

梁高与顶板、底板及腹板厚度相互影响,增大梁高,或增加顶底板及腹板厚度,截面惯性矩增大,截面应力减小[23-25]。由于增加梁高,截面惯性矩增幅明显,以主梁高度为主要构造参数进行研究,不再对顶板、底板及腹板厚度变化对结构的影响进行单独研究。

以(32+48+100+48+32) m连续梁为研究对象,对墩顶及跨中不同的梁高进行比较分析,具体5种梁高类型:1-(3～5.5 m)、2-(2.5～5.5 m)、3-(3～6.3 m)、4-(3～6 m)、5-(3.5～6 m)。其中数字含义:梁高类型-(“跨中梁高”～“墩顶梁高”m)。

不同梁高对应的梁端转角及跨中位移分别如图5、图6所示。

图5 不同梁高梁端转角

图6 不同梁高跨中活载位移

从图5、图6计算结果可得出如下结论。

(1)端部梁高对梁端转角影响较大,墩顶梁高对梁端转角影响很小,可忽略不计。跨中梁高保持不变,墩顶梁高从5.5 m增加至6.3 m时,梁端转角从0.51‰rad降低至0.49‰rad,变化很小;墩顶梁高保持不变,跨中梁高增加时,梁端转角逐渐减小。

(2)跨中及墩顶梁高对跨中竖向静活载位移影响均较大,当墩顶梁高5.5 m,跨中梁高从2.5 m增加至3.0 m时,跨中位移从76.4 mm降低至60 mm,降幅21.5%;墩顶梁高6 m,跨中梁高从3 m增加至3.5 m时,跨中位移从54.6 mm降低至44.7 mm,降幅18%;当跨中梁高不变,支点梁高从5.5 m增加至6.3 m时,跨中位移从60 mm降低至50 mm,降幅16.7%,可见,增加跨中梁高,刚度增加较为明显。

改变梁高,主梁内力也随之改变,本次研究主要关注各跨跨中及支点处应力,控制截面如图7所示。

图7 控制截面示意(单位:m)

各控制截面应力分别如图8～图11所示。

图8 不同梁高截面上缘最大应力

图9 不同梁高截面上缘最小应力

图10 不同梁高截面下缘最大应力

图11 不同梁高截面下缘最小应力

从图8～图11计算结果可看出,截面应力均能满足规范要求,梁高采用3.5～6.0 m时,混凝土应力最小,应力较均匀,梁高采用2.5～5.5 m时,混凝土应力最大,采用其他梁高时,应力介于两者之间。

为方便比较工程量,将不同梁高的混凝土及纵向预应力钢绞线数量列入表6。

表6 主要工程数量对比

通过对几种梁高的低高度连续梁进行计算分析,得出以下结论。

(1)端部梁高对梁端转角影响较大,墩顶梁高对梁端转角影响很小,可忽略不计。

(2)跨中及墩顶梁高对跨中竖向静活载位移影响均较大。

(3)增加梁高,混凝土工程量较大,钢束用量较小,反之,减小梁高,混凝土工程量较小,钢束用量较大。

(4)支点梁高小于5.5 m,跨中梁高小于2.5 m时,主梁截面应力较大,受力较不均匀,因为过小的梁高,需要配置较高的预应力钢束,预应力难以布置。因此,主跨100 m低高度连续梁墩顶梁高不宜小于6 m,建议取值范围6.0～6.5 m,梁高与跨度的比值为117～115;跨中梁高不宜小于3.0 m,建议取值范围3.0～3.5 m,梁高与跨度的比值为133～129。

5 结论

依托高速铁路混凝土连续梁桥,以主跨100 m低高度连续梁为研究对象,与常用高速铁路主跨100 m连续梁进行比较分析,并系统对比了跨度配合比及构造参数等影响,主要结论如下。

(1)提出一种新型大跨度低高度连续梁,各项指标满足规范要求,较传统连续梁更经济,每延米混凝土用量降低约20%。

(2)低高度连续梁由于梁高降低,主梁刚度略有降低,但工后徐变上拱值较传统连续梁减小明显,降幅达60%。

(3)对于主跨100 m低高度连续梁,建议配跨长度在70～80 m之间,可根据计算情况适当调整,但不得小于60 m。

(4)对于主跨100 m低高度连续梁,墩顶梁高不宜小于6 m,建议取值范围6.0～6.5 m,跨中梁高不宜小于3.0 m,建议取值范围3.0～3.5 m。

本研究成果可为同类铁路大跨度低高度混凝土连续梁设计研究提供参考,下一步将通过试验进行进一步验证,并在实际铁路项目中应用。