高速鐵路(60+100+60)m連續(xù)梁不同梁高結構設計對比分析

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

與路基工程相比，橋梁具有沉降穩(wěn)定、架設速度快、建設周期短等優(yōu)勢[1]，因而在高速鐵路里程上橋梁占有大比重。高速鐵路對于線路的平順性要求很高，因此對于路線中的橋梁結構也提出了很高的要求。連續(xù)梁橋由于其設計及施工工藝成熟、結構剛度大、行車平順等優(yōu)點[2]成為在跨越障礙物時的首選方案。高速鐵路橋梁設計時受到線路坡度限制的影響，在跨越運營線路時軌頂高程的可調余地較小，另外線下線路的建筑限界影響，造成橋梁建筑高度受限，而連續(xù)梁橋梁高較大，若改用鋼橋等橋型，可能造成造價大幅度增加，故在可能的情況下，適當調高軌頂高程，并在結構設計可能的范圍內降低連續(xù)梁梁高，并通過細致的結構設計，保證結構的強度、剛度和穩(wěn)定性與相同跨徑的連續(xù)梁橋相近，則可以選擇連續(xù)梁橋結構，降低工程總體造價。另外選擇梁高較小的連續(xù)梁時可以降低線路整體高程，降低工程投資。

在連續(xù)梁橋設計研究方面，大多是針對橋梁結構的靜力和動力參數(shù)進行研究，很少有針對橋梁高度設計方面的研究。梁會[3]通過靜力計算和動力分析，得到高速鐵路連續(xù)梁橋的應力、變形情況及動力特性、列車走行性分析成果。宋基軍[4]對一座高速鐵路(60+100+60)m連續(xù)梁橋在懸臂施工過程中影響主梁梁體線形和內力因素進行了研究，并討論了不同跨徑連續(xù)梁橋在相同懸臂長度時的線形和內力變化規(guī)律。楊耀等[5]結合3種跨度的連續(xù)梁橋，采用數(shù)值分析方法計算，分析了懸臂施工過程不同工況下梁體的變形規(guī)律。陳麟[6]分析了連續(xù)梁橋結構不同工況、階段的徐變特性及其變化規(guī)律。戴金松[7]提出了高速鐵路多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋上無砟無縫線路的設計原則及設計方案。姚成釗[8]分析了設計參數(shù)對后期徐變的影響。黃興[9]對地震作用下連續(xù)梁橋-軌道系統(tǒng)動力響應特性進行了研究。趙永軍[10]通過對橋梁動力特性和結構懸臂階段彈性模量的研究，提出了基于動力特性并加以實施多階段測試計算修正得出的彈性模量，更能反映實際橋梁結構整體的力學性能。

在跨越既有運營線路時，(60+100+60) m跨度連續(xù)梁橋為我國高鐵建設中經常采用的橋型布置方案。支點梁高有7.85 m和7.20 m兩種情況，全長均為221.5 m。故設計時需要對兩種連續(xù)梁橋的受力性能進行對比研究，另外，結構剛度對行車舒適性的影響也很大，需要對比分析兩橋的動力特性。本文主要針對兩種梁高情況下的(60+100+60) m連續(xù)梁橋結構的靜力和動力性能進行了對比分析研究。

1 設計概況

1.1 支點梁高7.20 m連續(xù)梁概況

設計行車速度為250 km/h。中支點處梁高7.20 m，跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段處梁高為4.60 m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端0.75 m。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構，箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬6.4 m。頂板厚度35.4～45.4 cm、45.4～55.4 cm，按折線變化，底板厚度40～120 cm，按直線性變化，腹板厚60～80 cm、80～100 cm，按折線變化。箱梁中跨最大靜活載撓度-37.3 mm，為跨度的1/2 680。全梁在端支點、中跨跨中及中支點處共設5個橫隔板，橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。梁部橫截面如圖1所示。

圖1 支點梁高7.20 m梁部橫截面(單位：mm)

1.2 支點處梁高7.85 m連續(xù)梁概況

設計行車速度為350 km/h。中支點梁高7.85 m，跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段梁高為4.85 m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端0.75 m。梁體為單箱單室、變高度、變截面直腹板形式。頂板厚除梁端附近為65 cm外，余均為40 cm；底板厚度由跨中的40 cm變化至支點根部的120 cm，按直線變化，梁端附近為80 cm；腹板厚60～80～100 cm，按折線變化。箱梁中跨最大靜活載撓度-33.3 mm，為跨度的1/3 002。橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。梁端底板設有0.25 m×1.5 m的槽口，且設置半徑250 mm的倒角。其梁部橫截面圖如圖2所示。

圖2 支點梁高7.85 m梁部截面(單位：mm)

1.3 結構參數(shù)對比

兩種結構的塊段長度及塊段劃分相同，對比分析了兩座橋的結構尺寸、塊段質量等設計參數(shù)如圖3所示。其中圖3(a)選擇的0號塊端部進行對比。

可見，兩種情況下梁高差從支點處0.60 m逐漸變化到跨中處的0.25 m；兩種情況下的腹板厚度及底板厚度一致；為提高7.20 m梁高橋梁的剛度，設計時對頂板設計參數(shù)進行了調整，通過加大頂板厚度提高結構剛度；由圖3(b)可見，7.85 m梁高橋梁頂板厚度基本維持常數(shù)，而7.20 m梁高橋梁頂板厚度在支點位置較大，在跨中位置稍小。由于橫隔板較厚，梁段質量7.20 m梁高結構0號塊稍大，其余梁段兩種情況下的質量基本一致。

2 設計結果對比

兩種情況下橋梁的施工過程相同，建立連續(xù)梁的有限元模型，將全橋分為82個單元和83個節(jié)點，主要進行成橋內力、變形及承載能力的對比分析，總結不同梁高下連續(xù)梁橋靜力特性的分布規(guī)律。

2.1 成橋內力分析

橋梁內力計算包括恒載內力、活載內力計算，以及考慮不同荷載安全系數(shù)進行的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的荷載內力組合計算[11]。梁體上下緣累計應力可作為結構安全儲備的反映，也是保證橋梁運營安全的主要設計指標。

對于連續(xù)梁結構，本分析的成橋內力為恒載內力分析結果，恒載內力包括自重和二期恒載，并對比邊跨跨中、中支點及中跨跨中等控制截面的上下緣應力。成橋內力對比見圖4。

圖3 梁體設計參數(shù)對比

圖4 成橋內力對比

由圖4可知：由于兩種情況下的結構自重基本相同，故恒載內力相近。圖5列出了成橋階段包含預應力下的結構成橋應力。表1列出了在不同二期恒載下的控制截面累計應力計算結果，應力以受壓為正。

圖5 梁部結構成橋應力(單位：MPa)

MPa

由圖5及表1結果對比分析可知：

(1)兩種情況下的成橋應力圖趨勢接近，數(shù)值相近；控制截面的應力相差很??；

(2)經過細致的結構設計，兩種梁高情況下的結構成橋狀態(tài)接近，承受活載時的梁體安全儲備接近。

2.2 成橋累計位移分析

主梁線形為連續(xù)梁橋施工控制的主要目標，直接影響成橋的最終狀態(tài)[12-13]。對于連續(xù)梁結構，設置預拱度是使得成橋線形滿足施工和運營要求的重要手段，而成橋累計位移可作為設置預拱度的重要依據(jù)。圖6對兩連續(xù)梁收縮徐變完成后的累計位移進行了對比分析。

圖6 連續(xù)梁累計位移對比

由圖6可知：連續(xù)梁整體變形趨勢相近，均是邊跨梁段變形較小，中跨跨中附近梁段變形較大；梁體的累計位移和預應力有較大的聯(lián)系，兩種情況下的累計位移均不大，相應的線形監(jiān)控的難度也不是很高。

2.3 主力作用下的設計結果對比

主力作用下兩種梁高情況下梁體分析結果列于表2。

表2 主力作用下的計算結果

由表2可以看出：

(1)7.20 m梁高結構的跨中下緣最小壓應力大于7.85 m梁高的結構；

(2)7.20 m梁高結構的最小強度安全系數(shù)及抗裂安全系數(shù)稍小于7.85 m梁高的結構；

(3)兩種情況下的計算殘余徐變變形值均小于10 mm，滿足后期運營要求。

2.4 梁端轉角對比

兩種梁高情況下連續(xù)梁均采用有砟軌道，為保證梁部接縫處的穩(wěn)定性，在ZK活載靜力作用下，梁端豎向轉角不應大于2‰rad[14]。由分析結果，支點梁高7.85 m，連續(xù)梁梁端轉角為0.85‰rad，支點梁高7.20 m，連續(xù)梁梁端轉角為1.26‰rad。結果表明，梁高的減小會使得梁端轉角有所增加，但均符合規(guī)范要求。

3 動力特性分析

結構動力特性分析主要是為求得結構自身的動力特性[15]。車橋耦合動力響應分析，主要包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對橫向力、旅客乘坐舒適度指標[16]等。其中橋梁的自振頻率是評價橋梁安全性的重要指標。自振頻率的提高，可以降低橋梁的動力系數(shù)[17]，防止其達到峰值而導致共振。采用Midas Civil建立高速鐵路連續(xù)梁的有限元模型，采用Ritz向量法計算特征值，兩種情況下的梁體豎向振型形狀相同，如圖7所示，其振動頻率列于表3。

圖7 梁部結構振型

階數(shù)頻率/Hz支點梁高7.20m支點梁高7.85m11.7581.82323.4293.525

表3結果表明，兩種情況下的梁體振動頻率相近，支點高度7.85 m結構振動頻率稍大。

4 結論

對兩種不同梁高截面的連續(xù)梁進行了靜動力特性分析，通過以上分析，得出以下結論。

(1)經過細致的設計，兩種梁高情況下的橋梁結構成橋內力和應力基本一致，兩種情況下的安全儲備相近。

(2)兩種梁高橋梁結構在主力作用下的計算結果相近，殘余徐變變形均能滿足運營要求。

(3)降低梁高使得梁端轉角略有增加，但其結果符合規(guī)范要求。

(4)兩種梁高情況下梁體振動特性相近，振動頻率相差不大。

(5)在適當降低梁高的情況下，可以通過改變截面厚度等參數(shù)，再通過細致的結構設計保證結構承載力和安全系數(shù)滿足要求，從而能在一定程度上擴大連續(xù)梁橋的適用范圍，降低工程造價。