高速鐵路常用跨度簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系應(yīng)用研究

石龍 蘇永華 胡所亭 陳勝利 班新林 董亮

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081

截至2020年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)3.8萬km。我國(guó)高速鐵路建設(shè)中橋梁比例高、數(shù)量大，常用跨度標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁占橋梁總長(zhǎng)度的95%?；陬A(yù)制架設(shè)施工模式的24、32 m跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，總孔數(shù)已達(dá)50余萬孔，在保證高速鐵路橋梁高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高速度建設(shè)中發(fā)揮了重要作用［1-4］。根據(jù)《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》，到2035年我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)7萬km。高速鐵路常用跨度簡(jiǎn)支梁仍有大量的應(yīng)用需求。

目前，24、32 m跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力布置方面還存在一定的優(yōu)化空間［5］。在特殊地形、路網(wǎng)密度大區(qū)域、溝渠密布等復(fù)雜條件下，橋梁建設(shè)對(duì)跨度和梁型的特殊需求越來越多，從減少工序、優(yōu)化施工組織等方面考慮橋梁跨度序列化要求更加迫切。隨著國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力體系向更高強(qiáng)度發(fā)展，采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系開展高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化也成為重要的發(fā)展方向［6］。

本文結(jié)合國(guó)鐵集團(tuán)相關(guān)科研和標(biāo)準(zhǔn)編制研究工作，提出高速鐵路32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)和高速鐵路24～32 m、32～40 m簡(jiǎn)支箱梁跨度序列化設(shè)計(jì)，研究高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系應(yīng)用情況。

1 簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1.1 梁高

梁高是簡(jiǎn)支箱梁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)梁體基頻、撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角、殘余上拱度、梁體強(qiáng)度、抗裂安全系數(shù)、材料用量等都有重要影響。目前，我國(guó)應(yīng)用于350 km/h高速鐵路的32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁高度為3.0 m［7］。以32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁為基準(zhǔn)（腹板單排布束），通過抬升或降低頂板，分析梁高為2.6、2.8（圖1）、3.0、3.2 m對(duì)各計(jì)算參數(shù)的影響，確定時(shí)速350 km簡(jiǎn)支箱梁的合理梁高。

圖1 32 m跨度箱梁截面（單位：mm）

不同梁高梁體豎向基頻見表1?？芍毫焊咴酱筘Q向基頻越大；梁高為3.0 m或3.2 m時(shí)，梁體豎向基頻滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》限值要求，不需進(jìn)行動(dòng)力檢算；梁高為2.6 m或2.8 m時(shí)，梁體豎向基頻不滿足規(guī)范，需要進(jìn)行動(dòng)力檢算。

表1 不同梁高梁體基頻

梁體殘余徐變上拱是鐵路箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，在考慮變異系數(shù)的條件下，控制在7 mm以內(nèi)為宜［8］。不同梁高殘余徐變上拱見表2?？芍毫焊呙吭黾?.2 m，殘余徐變上拱平均減小1.1 mm；若控制殘余上拱在7 mm以內(nèi)，梁高須不低于3.0 m；梁高為2.8 m，二期恒載上橋時(shí)間為75 d時(shí)，殘余上拱最大值為7.02 mm。

表2 不同梁高殘余徐變上拱

綜上，隨著梁高的增加，梁體豎向基頻增加，殘余徐變上拱減小，梁體的動(dòng)力性能和徐變變形控制更優(yōu)。為滿足TB 10002—2017箱梁動(dòng)力性能要求，最高動(dòng)力檢算速度為420 km/h時(shí)，32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁梁高取3.0 m，與既有32 m跨度簡(jiǎn)支梁通用圖一致；最高動(dòng)力檢算速度為385 km/h時(shí)，梁高取2.8 m。

1.2 頂板、底板和腹板關(guān)鍵尺寸

高速鐵路箱梁截面一般采用單箱單室、斜腹板的形式，箱梁截面的主要構(gòu)造尺寸包括頂?shù)装搴穸?、腹板斜率及厚度。箱梁頂板寬保?2.6 m不變，橋面附屬設(shè)施布置和橋面板荷載工況與現(xiàn)行高速鐵路32 m跨度簡(jiǎn)支梁相同。當(dāng)箱梁截面頂板厚取285 mm時(shí)與既有高速鐵路系列箱梁頂板厚度一致?？紤]預(yù)應(yīng)力管道布置構(gòu)造需要，兼顧縱橫向鋼筋布置的空間影響，同時(shí)考慮單線荷載作用下底板受力需要，底板厚取270 mm。

斜腹板方案外形美觀、脫模方便，適當(dāng)增大腹板坡度可有效減少箱梁混凝土用量。時(shí)速350 km高速鐵路整孔箱梁的腹板斜率為1∶4，時(shí)速250 km的城際鐵路箱梁腹板斜率為1∶3.5。腹板斜率過大時(shí)，預(yù)應(yīng)力束的徑向力作用易引起腹板開裂。本文選擇1∶4及1∶5兩種斜率的腹板。運(yùn)梁車馱梁通過時(shí)，腹板的主拉應(yīng)力見圖2?？芍鹤畲笾骼瓚?yīng)力位于腹板上部最薄區(qū)段；腹板斜率為1∶4時(shí)腹板外側(cè)最大主拉應(yīng)力為2.50 MPa，腹板斜率為1∶5時(shí)腹板外側(cè)最大主拉應(yīng)力為1.90 MPa，均在C50混凝土抗拉強(qiáng)度（fct=3.10 MPa）以內(nèi)，但后者應(yīng)力降低幅度更明顯。建議簡(jiǎn)支箱梁腹板斜率取1∶5。

圖2 箱梁主拉應(yīng)力（單位：Pa）

箱梁的腹板厚度不僅要保證梁體的抗彎、抗剪強(qiáng)度要求，還要提供足夠的抗扭剛度。在受力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，需保證預(yù)應(yīng)力管道的混凝土保護(hù)層厚度不小于1倍管道直徑，以避免管道出現(xiàn)縱向裂縫，且盡可能考慮施工的方便。本文分析270、300、330、360 mm四種腹板厚度與腹板外側(cè)應(yīng)力的關(guān)系，見圖3。可知：隨著腹板厚度增加，最大主拉應(yīng)力不斷減小；四種腹板厚度的最大主拉應(yīng)力和豎向拉應(yīng)力均小于3.10 MPa；腹板厚度為270 mm時(shí)最大主拉應(yīng)力比厚度為360 mm時(shí)大1.0 MPa，但仍在fct以內(nèi)。為保證運(yùn)梁車載梁通過時(shí)梁體不出現(xiàn)裂縫，腹板厚度不宜過?。粸闇p輕梁重，腹板厚度不宜過厚；為適應(yīng)于單排布束，腹板厚度取330 mm。

圖3 腹板外側(cè)應(yīng)力與腹板厚度的關(guān)系

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.0 m梁高箱梁截面和預(yù)應(yīng)力布置見圖4。箱梁采用1 860 MPa預(yù)應(yīng)力體系。

圖4 3.0 m梁高箱梁截面和預(yù)應(yīng)力布置（單位：mm）

時(shí)速350 km下優(yōu)化后的32 m跨度箱梁與既有通用圖32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3，主要材料用量見表4。二期恒載取160 kN/m，預(yù)應(yīng)力體系均為1 860 MPa級(jí)。后文通用圖號(hào)均為通橋（2016）2322A。

表3 不同箱梁的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

表4 不同箱梁的材料用量對(duì)比

由表3、表4可知：①優(yōu)化后箱梁的各項(xiàng)受力及變形指標(biāo)與通用圖相當(dāng)，滿足TB 10002—2017要求。②與通用圖相比，3.0 m梁高箱梁的混凝土用量減少10.7%、鋼絞線用量減少10.1%、普通鋼筋用量減少3.3%；2.8 m梁高箱梁的混凝土用量減少12.4%、鋼絞線用量減少3.4%、普通鋼筋用量減少5.1%。③3.0 m梁高箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)與通用圖基本一致，有利于維持高速鐵路運(yùn)行的高舒適性。2.8 m梁高箱梁的剛度比通用圖小，雖然減少了混凝土和鋼筋用量，但增加了鋼絞線用量，后期可應(yīng)用于提速需求較小的350 km/h高速鐵路。

2 簡(jiǎn)支箱梁跨度序列化設(shè)計(jì)研究

2.1 動(dòng)力參數(shù)分析及梁高取值

開展簡(jiǎn)支箱梁跨度序列化設(shè)計(jì)研究，能夠?qū)崿F(xiàn)24～32 m、32～40 m非標(biāo)準(zhǔn)跨度簡(jiǎn)支箱梁的無級(jí)變跨和預(yù)制架設(shè)施工，減少現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆施工量，提升箱梁施工質(zhì)量，可便捷、有效地滿足鐵路橋梁設(shè)計(jì)的調(diào)跨需求［9］。

梁高是序列化簡(jiǎn)支箱梁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，通過車橋動(dòng)力分析開展了專項(xiàng)研究工作［10］。時(shí)速350 km時(shí)24～32 m、32～40 m跨度序列化簡(jiǎn)支箱梁在最不利動(dòng)車組作用下的最大運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)見圖5。

圖5 梁體最大運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)

由圖5可知：

1）對(duì)于24～32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁，梁高取3.0 m時(shí)各跨梁的最大運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)才小于容許值?？紤]采用同樣的模板、方便序列化簡(jiǎn)支梁施工，該序列跨度簡(jiǎn)支箱梁梁高取3.0 m，截面尺寸與時(shí)速350 km下32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁（3.0 m梁高）一致。

2）對(duì)于33～40 m跨度簡(jiǎn)支箱梁，各梁高下梁體的最大運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)均小于容許值。該序列跨度簡(jiǎn)支箱梁梁高可取3.2 m，截面尺寸與時(shí)速350 km下40 m跨度簡(jiǎn)支箱梁（3.2 m梁高）一致。文獻(xiàn)［8］研究表明，梁高采用3.2 m對(duì)33～40 m跨度序列化簡(jiǎn)支箱梁的預(yù)應(yīng)力布置、殘余徐變變形的控制是有利的。

2.2 序列化箱梁工程應(yīng)用

24～32 m，32～40 m跨度序列化簡(jiǎn)支箱梁分別在鹽通鐵路、昌景黃鐵路應(yīng)用，兩條鐵路應(yīng)用總孔數(shù)達(dá)20孔以上。應(yīng)用于昌景黃鐵路的箱梁全長(zhǎng)37.2 m，計(jì)算跨度35.9 m，與高速鐵路40 m箱梁同截面。通過工藝試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)［6］驗(yàn)證了其各項(xiàng)受力性能滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求。

3 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系應(yīng)用研究

3.1 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系的箱梁設(shè)計(jì)

2018年以來，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司聯(lián)合行業(yè)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)企業(yè)，開展了2 200～2 400 MPa級(jí)高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系技術(shù)研究，成功研發(fā)了高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線和錨固體系的成套技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品，并推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制工作［6，11］。在鐵路箱梁設(shè)計(jì)中采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系，不僅能夠有效節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材用量、降低鐵礦資源消耗，還能優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸、降低混凝土材料用量，有效地助力未來國(guó)家碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文以2 300 MPa級(jí)為例，開展了高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系的箱梁設(shè)計(jì)。

對(duì)于時(shí)速350 km下32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁（梁高為3.0 m），當(dāng)采用2 300 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力體系時(shí)，每束腹板預(yù)應(yīng)力最多采用14根鋼絞線，管道直徑為90 mm，最小腹板厚度取270 mm。為控制箱梁斜截面主拉應(yīng)力（不大于0.55fct），設(shè)計(jì)擬定腹板厚度取280 mm，截面設(shè)計(jì)見圖6。終張拉梁端應(yīng)力云圖見圖7?？芍淞旱氖芰χ笜?biāo)滿足TB 10092—2017要求。

圖6 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系箱梁截面設(shè)計(jì)（單位：mm）

圖7 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系箱梁終張拉梁端應(yīng)力（單位：MPa）

不同預(yù)應(yīng)力體系箱梁的材料用量對(duì)比見表5?？芍号c通用圖相比，采用2 300 MPa預(yù)應(yīng)力體系的箱梁，其混凝土用量減少14.0%、鋼絞線用量減少26.0%，錨固單元用量減少25.8%；與1 860 MPa優(yōu)化梁相比，采用2 300 MPa預(yù)應(yīng)力體系的優(yōu)化箱梁，其混凝土用量減少3.6%、鋼絞線用量減少17.7%，錨固單元用量減少17.6%?？梢姡淞翰捎酶邚?qiáng)預(yù)應(yīng)力體系，可有效降低各項(xiàng)材料用量。

表5 不同預(yù)應(yīng)力體系箱梁的材料用量對(duì)比

材料單價(jià)：1 860 MPa鋼絞線5 000元/t，2 300 MPa鋼絞線6 300元/t，1 860 MPa錨固單元25元/孔，2 300 MPa錨固單元30元/孔，混凝土500元/m3。不同箱梁的混凝土和預(yù)應(yīng)力體系材料價(jià)格對(duì)比見表6?？芍号c通用圖相比，采用2 300 MPa預(yù)應(yīng)力體系的優(yōu)化箱梁，其混凝土和預(yù)應(yīng)力體系材料價(jià)格減少12.2%；與1 860 MPa優(yōu)化梁相比，采用2 300 MPa預(yù)應(yīng)力體系的優(yōu)化箱梁，其混凝土和預(yù)應(yīng)力體系材料價(jià)格減少2.0%。可見，箱梁采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力體系可有效降低箱梁混凝土和預(yù)應(yīng)力體系的材料價(jià)格。

3.2 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系的箱梁試驗(yàn)

對(duì)昌景黃鐵路簡(jiǎn)支箱梁（圖號(hào)：昌景黃橋通-Ⅰ-53）開展了應(yīng)用2 300 MPa級(jí)高速鐵路32 m跨度足尺試驗(yàn)箱梁系統(tǒng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)梁從制備、張拉預(yù)應(yīng)力到靜載試驗(yàn)及破壞試驗(yàn)各階段，梁的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足GB/T 37439—2019《高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁》和圖紙的技術(shù)要求。加載過程中箱梁跨中底緣鋼筋應(yīng)變曲線見圖8。其中，K為加載力與設(shè)計(jì)荷載的比值?？芍摻顟?yīng)變曲線在箱梁開裂、鋼筋屈服時(shí)出現(xiàn)了明顯拐點(diǎn)，破壞試驗(yàn)荷載等級(jí)達(dá)到2.55級(jí)（2 722.5 kN）時(shí)，箱梁仍未出現(xiàn)破壞跡象，2 300 MPa鋼絞線未屈服，混凝土未壓潰，梁端錨固體系未見異常。

圖8 2 300 MPa級(jí)32 m跨度足尺箱梁跨中底緣鋼筋應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

1）通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸和預(yù)應(yīng)力體系，可在保證受力性能條件下，將高速鐵路32 m簡(jiǎn)支箱梁的預(yù)應(yīng)力和混凝土材料用量降低10%以上，具有優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

2）確定了24～32 m、32～40 m跨度序列化簡(jiǎn)支箱梁的梁高和截面尺寸，實(shí)現(xiàn)了箱梁的無級(jí)變跨和非標(biāo)準(zhǔn)跨度箱梁的預(yù)制架設(shè)施工，完善了高速鐵路簡(jiǎn)支梁技術(shù)體系。

3）應(yīng)用2 200～2 400 MPa級(jí)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力體系可有效減少簡(jiǎn)支箱梁的混凝土和預(yù)應(yīng)力體系材料用量，節(jié)約材料成本。

4）通過2 300 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力體系箱梁系統(tǒng)性工藝、靜載及破壞試驗(yàn)，驗(yàn)證了箱梁和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力體系的綜合受力性能滿足規(guī)范要求。