大跨PC組合結(jié)構(gòu)在高速鐵路無砟軌道橋梁中的應(yīng)用研究

康 煒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

近年我國(guó)高速鐵路橋梁取得了舉世矚目的成就。在高速鐵路建設(shè)中，橋梁軸線往往受限于線路走向，不可避免地出現(xiàn)了許多大跨橋梁。而橋梁結(jié)構(gòu)逐步從滿足基本需求向技術(shù)創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，各種橋型也相繼投入到運(yùn)營(yíng)使用階段。

對(duì)于跨度在200～300 m的高鐵橋梁，采用純粹的PC梁已不盡合理；盡管鋼結(jié)構(gòu)方案從受力本身而言是可行的，但無砟軌道在大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究[1]，同時(shí)考慮到鋼結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)高及后期養(yǎng)護(hù)工作量大的因素，在此跨度范圍內(nèi)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。而PC組合結(jié)構(gòu)無論從受力、經(jīng)濟(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)均具有較大的優(yōu)勢(shì)，隨著橋梁設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的快速發(fā)展，組合橋式結(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

PC組合結(jié)構(gòu)一般為梁拱、梁索、梁桁組合體系，為了進(jìn)一步研究PC組合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及其在高速鐵路無砟軌道大跨度橋梁中的應(yīng)用，本文將以西延高鐵王家河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，分別對(duì)連續(xù)剛構(gòu)加拱組合橋式、連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋以及連續(xù)剛構(gòu)加勁鋼桁組合橋式進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

王家河特大橋是西安至延安高速鐵路的重點(diǎn)控制性工程，位于陜西省銅川市王益區(qū)境內(nèi)，距離銅川北站較近，受線路高程控制，橋高達(dá)100 m左右。橋址位于黃土臺(tái)塬區(qū)，兩端橋臺(tái)位于斜坡地帶，橋址區(qū)地形起伏較大。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為350 km/h雙線高速鐵路，線間距5.0 m，軌道類型為CRTSⅢ型雙塊式無砟軌道，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100，設(shè)計(jì)活載為ZK活載。橋址處設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，Ⅱ類場(chǎng)地土。橋址處屬北暖溫帶亞濕潤(rùn)型氣候區(qū)，年平均氣溫11 ℃，最熱月平均氣溫23 ℃，最冷月平均氣溫-3.5 ℃，極端最高氣溫37 ℃，最低氣溫-17.5 ℃，年平均相對(duì)濕度66%。

2 橋式方案構(gòu)思

2.1 橋梁跨度

橋梁通過區(qū)人口較為密集，地面建筑較多，影響橋梁布孔的主要因素有包茂高速公路、王益城區(qū)道路、王家河礦山專用鐵路、王家河、地面建筑物及橋梁高度。通過綜合分析，主跨采用248 m一跨跨越王家河、兩側(cè)道路及鐵路，邊跨跨越包茂高速。

2.2 橋式方案

主橋橋式方案考慮了3種PC組合橋式，即連續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合結(jié)構(gòu)、連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 3種組合結(jié)構(gòu)橋式方案的孔跨布置(單位：cm)

3 方案研究

分別對(duì)上述3種設(shè)計(jì)方案從受力特點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵力學(xué)性能等方面進(jìn)行研究。

3.1 連續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合橋式

近年來，盡管連續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合結(jié)構(gòu)在鐵路橋梁中得到廣泛應(yīng)用，然而在200 m以上跨度的高鐵無砟軌道橋梁中尚未使用[2-8]。

3.1.1 受力特點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

連續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合結(jié)構(gòu)為先梁后拱體系，受力以主梁為主，加勁拱旨在提高主梁剛度、減小主梁徐變殘余變形、承擔(dān)二期恒載及活載。加勁體系所承擔(dān)荷載的大小受梁、拱剛度比例，吊桿力的大小等因素影響。加勁拱有效拓展了混凝土連續(xù)剛構(gòu)的跨度及適用范圍，使拱與梁在受力方面的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。

該橋型的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有：墩、梁、拱三者合理的剛度比；矢跨比的選取；主梁配束；控制溫度作用、支座位移及混凝土收縮徐變等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；吊桿初張力的確定等方面。

3.1.2 關(guān)鍵力學(xué)性能研究

本方案在設(shè)計(jì)過程中對(duì)主梁邊跨長(zhǎng)度、主梁梁高、加勁拱拱軸線、拱肋矢跨比、拱肋結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)、加勁拱效果、剛構(gòu)墩結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，限于篇幅，以下著重闡述矢跨比的選擇過程。

(1) 矢跨比的選擇

矢跨比是拱橋的一個(gè)重要特征參數(shù)。劉瑤等(2014)[9]的調(diào)查結(jié)果顯示，對(duì)于高速鐵路梁拱組合橋梁來說，大部分橋梁矢跨比設(shè)在1∶5左右，其中矢跨比為1∶5的橋梁占比重72.21%，11.11%的橋梁矢跨比為1∶6。

對(duì)矢跨比1/3.5、1/4、1/5及1/6幾種情況進(jìn)行了對(duì)比分析。將不同情況的主梁恒載內(nèi)力、主梁活載內(nèi)力及拱肋內(nèi)力列在表1中。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，恒載作用下，隨著矢跨比的減小，主梁和拱肋跨中截面彎矩和軸力均增大?；钶d作用下，矢跨比的變化對(duì)結(jié)構(gòu)軸力影響較大，隨著矢跨比的減小，主梁和拱肋的軸力都增大。以矢跨比1/6為基準(zhǔn)，矢跨比1/3.5、1/4、1/5時(shí)，拱肋最大吊桿長(zhǎng)度分別增加61.9%、41.7%、24.0%，拱肋長(zhǎng)度分別增加11.7%、8.0%、4.4%。從景觀效果來看，矢跨比1/5時(shí)，曲線流暢，整體曲線起伏均勻。綜合各因素，本橋設(shè)計(jì)采用矢跨比1/5。

表1 不同矢跨比情況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

(2)其他力學(xué)性能的研究及設(shè)計(jì)方案的形成

在設(shè)計(jì)方案形成過程中，分別對(duì)邊跨長(zhǎng)度、主梁梁高、拱軸線比較、拱肋形式、剛構(gòu)墩墩型等方面進(jìn)行了研究，將研究過程簡(jiǎn)要列于表2。

基于以上分析，該方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述如下：主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點(diǎn)處梁高5.8 m，中支點(diǎn)梁高14 m，梁底按二次拋物線變化。邊跨長(zhǎng)度采用120 m。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，每片拱肋由2根上下弦鋼管(φ1 200 mm壁厚22 mm)和兩塊厚22 mm鋼板焊接成啞鈴形斷面。拱肋橫向中心距11.7 m，兩道拱肋之間設(shè)11道橫撐。拱肋鋼管內(nèi)灌注C55補(bǔ)償收縮混凝土。每聯(lián)共設(shè)22對(duì)吊桿，吊桿順橋向間距10 m，邊吊桿距拱腳19.0 m。

表2 主要力學(xué)性能的研究

在分析橋墩剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，采用矩形空心墩和雙薄壁墩進(jìn)行比較分析，由計(jì)算可知，在保證兩種墩型橫向剛度一致的前提下(主梁橫向自振周期為2.5 s左右)，雙薄壁墩縱向剛度僅為793 kN/cm，而空心墩的縱向剛度為2 000 kN/cm，縱向位移比雙薄壁墩減小2.8 mm，可以有效保證運(yùn)營(yíng)時(shí)線路的穩(wěn)定性和列車通過的安全性，故本橋各方案均采用矩形空心墩。

3.2 連續(xù)剛構(gòu)部分(矮塔)斜拉橋

我國(guó)已建成京滬高鐵天津聯(lián)絡(luò)線大橋、武九客專聯(lián)絡(luò)線大橋、黔張常鐵路澧水南源大橋等多座部分斜拉橋[10-15]。本方案為目前國(guó)內(nèi)部分斜拉橋在高速鐵路無砟軌道中應(yīng)用的最大跨度。

3.2.1 受力特點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋以連續(xù)剛構(gòu)主梁受力為主，斜拉索受力為輔，是一種介于PC連續(xù)梁橋和PC斜拉橋之間的一種組合體系橋型，具有塔矮、梁剛、索集中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其受力特征是：以主梁受彎、受剪來承擔(dān)大部分荷載效應(yīng)，斜拉索對(duì)主梁起加勁作用承擔(dān)一部分荷載，相當(dāng)于一般PC梁橋的體外預(yù)應(yīng)力索。由于斜拉索的存在,大大降低了主梁后期收縮、徐變產(chǎn)生的跨中下?lián)稀?/p>

該橋型的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有：斜拉索與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的配比；主梁變形的控制等方面?？刂浦髁嚎缰行熳冏冃渭吧郎貢r(shí)(整體升溫及索梁溫差)斜拉索伸長(zhǎng)導(dǎo)致的主梁下?lián)?，將是決定方案成立與否的關(guān)鍵。

3.2.2 關(guān)鍵力學(xué)性能研究

本方案在設(shè)計(jì)過程中對(duì)邊跨長(zhǎng)度、塔高、背索的設(shè)計(jì)參數(shù)、無索區(qū)長(zhǎng)度、拉索初張力等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，限于篇幅，以下著重闡述無索區(qū)長(zhǎng)度的分析內(nèi)容。

(1)無索區(qū)長(zhǎng)度

本次設(shè)計(jì)中對(duì)不同無索區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行了比較分析，研究方法采用斜拉索根數(shù)不變，僅整體移動(dòng)其在主梁上的錨固位置，以調(diào)整無索區(qū)長(zhǎng)度。共研究了3種工況，無索區(qū)長(zhǎng)度如表3所示。

表3 各工況無索區(qū)長(zhǎng)度

將不同無索區(qū)長(zhǎng)度情況下的連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋主要計(jì)算結(jié)果列于表4。

表4 不同無索區(qū)長(zhǎng)度的影響

經(jīng)以上比選分析，本橋無索區(qū)長(zhǎng)度按工況3選取。

(2)其他力學(xué)性能的研究及設(shè)計(jì)方案的形成

在設(shè)計(jì)方案形成過程中，分別對(duì)邊跨長(zhǎng)度、塔高、背索設(shè)置、拉索初張力、邊跨現(xiàn)澆段設(shè)置等方面進(jìn)行了研究，將研究過程簡(jiǎn)要列于表5。

表5 力學(xué)指標(biāo)的影響分析

注：Fcab為一組拉索初張力。

基于以上分析，該方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述如下：主梁采用單箱雙室直腹板變高度箱形截面，邊支點(diǎn)及跨中梁高為5.8 m，中支點(diǎn)梁高14 m，梁底曲線為1.8次拋物線。邊跨長(zhǎng)度選擇124 m。橋塔高度為橋面以上40 m，采用花瓶式的H形橋塔。橋塔上部24.5 m范圍橫向間距8.8 m，以下逐步加寬于梁體橋面以外形成塔、墩、梁固結(jié)體系的連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋。斜拉索采用雙索面扇形布置，全橋設(shè)置46對(duì)拉索，其中2對(duì)為邊跨背索。除背索外，梁上拉索水平間距7.0 m，塔部斜拉索間距1.2 m。

3.3 連續(xù)剛構(gòu)加勁鋼桁組合橋式

梁桁組合結(jié)構(gòu)是一種較為新穎的橋梁結(jié)構(gòu)形式，在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。我國(guó)建成的實(shí)橋中最具代表性的有大西客專晉陜黃河特大橋，該橋?yàn)?4-2×108 m剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)橋梁[16-17]。

3.3.1 受力特點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

該組合橋式結(jié)構(gòu)將混凝土主梁與鋼桁相結(jié)合，承受豎向荷載仍以混凝土梁為主體，鋼桁主要起加勁作用，增加主梁剛度，控制混凝土梁的徐變殘余變形，以滿足高速列車運(yùn)行的平順性及舒適性要求。近年來，這一組合結(jié)構(gòu)在高速鐵路橋梁中得以實(shí)踐，取得了良好的效果，極大拓展了混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))的跨度及應(yīng)用范圍。

該橋型的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有：梁桁共同受力；結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)；加勁桁設(shè)置范圍、桁高及截面形式的確定；施工控制；加勁桁與混凝土主梁的連接。

3.3.2 關(guān)鍵力學(xué)性能研究

本方案在設(shè)計(jì)過程中對(duì)邊跨長(zhǎng)度、梁高、加勁桁范圍、桁高等方面進(jìn)行了對(duì)比研究，限于篇幅，以下著重闡述加勁效果、加勁桁范圍和桁高的分析過程。

(1)加勁效果分析

加勁桁桁高取14.0 m，加勁桁節(jié)間長(zhǎng)度取12 m。計(jì)算結(jié)果見表6。

從表6可以看出，設(shè)置加勁鋼桁效果顯著，加勁鋼桁能有效降低結(jié)構(gòu)后期徐變變形和活載跨中撓度，同時(shí)能夠減小跨中彎矩，進(jìn)而降低跨中梁高，減少跨中鋼束配置。

(2)加勁桁范圍的選擇

通過對(duì)比分析108～228 m的中跨加桁范圍以及加勁桁范圍越過中支點(diǎn)(加桁范圍316 m)兩種類別，選取合理的加勁桁設(shè)置范圍。加勁桁桁高取14.0 m，加勁桁節(jié)間長(zhǎng)度取12 m，主要計(jì)算結(jié)果見表7。

從表7可以看出，加勁鋼桁范圍變化對(duì)支點(diǎn)彎矩和跨中彎矩影響不明顯，對(duì)跨中靜活載撓度和后期徐變變形影響顯著。綜合考慮加桁范圍對(duì)跨中撓度、徐變變形和梁端轉(zhuǎn)角的影響，跨中加桁范圍采用156 m。

(3)桁高的選擇

中跨加勁鋼桁節(jié)間長(zhǎng)度取12 m，考慮到鐵路限界，桁高的比選范圍為10～16 m。計(jì)算結(jié)果見表8。

表7 中跨鋼桁加勁范圍對(duì)比結(jié)果

表8 桁高變化對(duì)比結(jié)果

從表8可以看出，桁高變化對(duì)支點(diǎn)彎矩和跨中彎矩影響不明顯，對(duì)中跨徐變變形影響較大。桁高變化影響較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)中綜合考慮了接觸網(wǎng)采用上平聯(lián)懸吊設(shè)置的可行性，以及斜腹桿自有長(zhǎng)度的降低，進(jìn)而減少用鋼量等方面，設(shè)計(jì)桁高采用14 m。

3.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)描述

通過詳細(xì)分析比較形成了合理的設(shè)計(jì)方案，該方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)概述如下：主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，邊跨及中跨梁高5.5 m，中支點(diǎn)處梁高15.0 m，梁高按1.6次拋物線變化。中跨加勁鋼桁采用無豎桿三角形桁，加勁范圍為156 m，共13個(gè)節(jié)間，節(jié)間長(zhǎng)12 m，桁高為14 m，桁寬11.1 m。弦桿采用焊接箱形截面。

4 組合結(jié)構(gòu)橋式方案的受力比較

4.1 加勁效果

為了深入了解不同加勁方式的組合結(jié)構(gòu)，將加勁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載比例列于表9。表9包括了加勁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的自重、二期恒載以及活載的比例。

需要指出的是，由于采用了后背索及部分拉索二次張拉，斜拉索承擔(dān)荷載比例比以往設(shè)計(jì)的部分斜拉橋略高。

表9 3種組合橋式的加勁結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載比例 %

4.2 變形

將各結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算結(jié)果列于表10。

表10 3種組合橋式的主要變形指標(biāo)比較

注：表中撓度、徐變變形、主梁與加勁結(jié)構(gòu)溫差引起的主梁最大變形方向向下為負(fù)。

由表10可知，加勁結(jié)構(gòu)很好地控制了梁端轉(zhuǎn)角和徐變變形，滿足了高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)條文規(guī)定[18]。其中連續(xù)剛構(gòu)加拱組合橋式結(jié)構(gòu)在控制變形方面表現(xiàn)最為突出。

4.3 截面正應(yīng)力

不同組合結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)階段的截面正應(yīng)力(主力作用下)列于表11。

各組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了加勁結(jié)構(gòu)的作用，主梁截面的正應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，滿足了高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)條文規(guī)定[18]。

5 組合結(jié)構(gòu)橋式方案的綜合比較分析

3種組合結(jié)構(gòu)橋式方案的上部結(jié)構(gòu)主要工程指標(biāo)如表12所示。

表12 3種組合結(jié)構(gòu)橋式方案主要工程指標(biāo)

從經(jīng)濟(jì)、美觀、技術(shù)先進(jìn)性、列車運(yùn)行動(dòng)力性能、徐變變形、施工與養(yǎng)護(hù)等方面綜合比較3種組合結(jié)構(gòu)橋式方案，結(jié)果見表13。

表13 方案綜合比較

注：經(jīng)濟(jì)性以連續(xù)剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)為參照進(jìn)行比較。

由表13可見，3種組合結(jié)構(gòu)都能體現(xiàn)出技術(shù)先進(jìn)、后期維護(hù)量小、徐變變形小、對(duì)無砟軌道高速行車適應(yīng)性較好的特點(diǎn)。

6 結(jié)語

以西延高鐵王家河特大橋?yàn)檠芯勘尘埃瑢?duì)連續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合結(jié)構(gòu)、連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，詳細(xì)論述了各組合橋式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、設(shè)計(jì)難點(diǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵力學(xué)性能研究。

連續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合結(jié)構(gòu)的拱、梁、吊桿剛?cè)嵯酀?jì)，造型優(yōu)美；主梁后期徐變變形較小，對(duì)無砟軌道高速行車適應(yīng)性較好；整體結(jié)構(gòu)剛度大；主梁主拉應(yīng)力略大，梁高較高，圬工量較大；拱肋結(jié)構(gòu)較高，施工、養(yǎng)護(hù)難度較大。

連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋的橋塔高聳，宏偉壯觀；主梁后期徐變變形較大，剛度較小；上部結(jié)構(gòu)造價(jià)較高；斜拉索在施工過程中可起到“永臨結(jié)合”的效果，對(duì)主梁受力改善較大，節(jié)省梁部圬工。斜拉索張力較大，需進(jìn)行二次調(diào)索，施工復(fù)雜且難度較大；斜拉索加勁效果受溫度等因素影響較大。

連續(xù)剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)的造型簡(jiǎn)潔，形式較新穎，景觀效果一般；加勁桁加勁效果有限，主梁徐變變形接近規(guī)范限值，需增加備用措施；加勁鋼桁與混凝土主梁的連接及受力較為復(fù)雜；主梁受力狀態(tài)較差，應(yīng)力水平較高；上部結(jié)構(gòu)造價(jià)較低；橋面較寬，主梁較笨重，圬工量大。

通過分析可知，在高鐵無砟軌道大跨橋梁中應(yīng)用這3種PC組合結(jié)構(gòu)均有較好的適用性，在200～300 m跨度是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的橋式結(jié)構(gòu)，各具特點(diǎn)。結(jié)合橋址處工程建設(shè)條件，王家河特大橋?qū)⒉捎眠B續(xù)剛構(gòu)加勁拱組合結(jié)構(gòu)。