高速鐵路節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)和力學(xué)性能分析

劉 國(guó)

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

國(guó)外某高速鐵路工程作為“一帶一路”重點(diǎn)項(xiàng)目，由于當(dāng)?shù)赝恋厮接谢?，用地界限制了大型梁?chǎng)的建設(shè)，國(guó)內(nèi)高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁常用的整孔預(yù)制架設(shè)法難以實(shí)施，故采用節(jié)段預(yù)制拼裝法施工。

節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁施工速度快，梁體采用分段標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制工藝、梁體質(zhì)量容易控制，有利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，能有效彌補(bǔ)整孔預(yù)制架設(shè)箱梁對(duì)城市交通的影響[1-2]。2005年，節(jié)段梁技術(shù)應(yīng)用于珠三角地區(qū)廣州地鐵4號(hào)線建設(shè)中，之后廣州地鐵14號(hào)線、21號(hào)線等陸續(xù)使用節(jié)段預(yù)制膠拼方法[3-4]。隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)公路建設(shè)中也逐漸開(kāi)始采用節(jié)段預(yù)制工程技術(shù)[5-7]。在普速鐵路中，黃韓侯鐵路芝水溝特大橋是膠拼節(jié)段預(yù)制拼裝方法的首次應(yīng)用[8]。但該技術(shù)在高速鐵路領(lǐng)域中應(yīng)用較少，以下依托國(guó)外某高速鐵路工程，對(duì)24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁進(jìn)行研究，分析其構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算分析，為后續(xù)高速鐵路節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁的設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

簡(jiǎn)支箱梁采用C50混凝土，截面類型為單箱單室?？缰许敯搴?5 cm，底板厚28 cm，腹板厚36 cm，梁端頂板、底板、腹板向內(nèi)側(cè)加厚，分別為頂板厚50 cm，底板厚60 cm，腹板厚75 cm。橋面板寬12.2 m，橋梁建筑總寬12.5 m，擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0 m。截面中心線處梁高2.686 m，橫橋向支座中心距為3.0 m?？缰袠?biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

2.2 節(jié)段構(gòu)造尺寸

(1)全線簡(jiǎn)支箱梁梁長(zhǎng)24.6～32.6 m，計(jì)算跨度為23.5～31.5 m。通過(guò)改變各節(jié)段數(shù)量組成相同梁高、不同跨徑的簡(jiǎn)支箱梁。

(2)梁體節(jié)段由運(yùn)梁車從預(yù)制場(chǎng)運(yùn)送至橋位，受到車輛、道路的載重限制，橋梁節(jié)段質(zhì)量一般不超過(guò)70 t，跨徑一般不超過(guò)50 m。架橋機(jī)在橋位拼裝而成，鋼構(gòu)件不宜過(guò)重，故架橋機(jī)的承載能力受到限制。

結(jié)合當(dāng)?shù)剡\(yùn)輸條件，參考當(dāng)?shù)卦诮ㄨF路工程梁部節(jié)段尺寸及架橋機(jī)架設(shè)條件，本項(xiàng)目預(yù)制節(jié)段縱向長(zhǎng)度在滿足運(yùn)輸、架設(shè)等要求下，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)2.6 m，節(jié)段質(zhì)量小于60 t。預(yù)制節(jié)段分為端頭節(jié)段(D類)、漸變節(jié)段(G類)及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(B類)三種類型。端頭節(jié)段長(zhǎng)2.0 m，漸變節(jié)段塊節(jié)段長(zhǎng)2.6 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段塊節(jié)段長(zhǎng)2.0～3.0 m，節(jié)段最大吊重為563.4 kN。

節(jié)段劃分構(gòu)造如圖2所示。

圖2 節(jié)段劃分構(gòu)造(單位：mm)

2.3 剪力鍵構(gòu)造

拼裝縫應(yīng)布置剪力鍵，并在拼裝面涂抹環(huán)氧樹(shù)脂膠[9]。剪力鍵的功能主要為定位和提供抗剪能力。剪力鍵與預(yù)制梁段一次成型，在腹板上除預(yù)應(yīng)力孔道位置外滿布，同時(shí)在箱梁頂板及底板應(yīng)布置少量剪力鍵，剪力鍵采用梯形鍵。為方便膠體順利擠出梁體，頂、底板剪力鍵在頂板頂面和底板頂面應(yīng)設(shè)擠膠槽口。剪力鍵布置和梁體設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮頂?shù)装搴透拱孱A(yù)應(yīng)力鋼束的布置以及不同節(jié)段間尺寸的變化。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段剪力鍵布置及大樣如圖3、圖4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(B類)剪力鍵布置(單位：mm)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(B類)剪力鍵大樣(單位：mm)

2.4 預(yù)應(yīng)力布置

由于接縫的存在，梁體剛度有所降低。為減小恒載作用下梁體上、下緣應(yīng)力差，降低徐變上拱，防止恒載作用下梁體下緣壓應(yīng)力偏大，在滿足抗裂安全系數(shù)的前提下，跨中腹板部分預(yù)應(yīng)力布置也應(yīng)較整體梁靠近中性軸。鋼束曲線段盡可能布置在預(yù)制梁節(jié)段內(nèi)，以避免預(yù)應(yīng)力接縫施工孔道定位偏差，減小施工引起的孔道摩阻加大，影響梁體施工質(zhì)量。

簡(jiǎn)支箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用φ15.2 mm鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，簡(jiǎn)支箱梁(30.6 m

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位：mm)

2.5 臨時(shí)連接

臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉可以固定梁段，提供膠體凝結(jié)所需應(yīng)力[10]。臨時(shí)連接分為頂板臨時(shí)連接及底板臨時(shí)連接。頂板臨時(shí)連接在頂板設(shè)置預(yù)留孔，臨時(shí)張拉時(shí)安裝可拆卸的鋼構(gòu)件作為臺(tái)座，在箱梁頂面張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋；底板臨時(shí)連接在箱室內(nèi)部設(shè)置混凝土塊作為臺(tái)座，在箱室內(nèi)部張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋。梁體安裝完畢后，應(yīng)采用微膨脹混凝土將頂板上的臨時(shí)張拉臺(tái)座預(yù)留孔進(jìn)行封堵，并做防水處理。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段臨時(shí)張拉臺(tái)座布置如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(B類)臨時(shí)張拉臺(tái)座布置(單位：mm)

3 節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁力學(xué)性能分析

節(jié)段拼裝簡(jiǎn)支箱梁與整體箱梁的根本區(qū)別在于節(jié)段拼裝接縫處縱向普通鋼筋不連續(xù)、混凝土不連續(xù)，離散的節(jié)段通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋及剪力鍵形成整體，節(jié)縫處受力性能是應(yīng)用節(jié)裝拼裝技術(shù)的關(guān)鍵。

受膠接縫影響，橋梁出現(xiàn)裂縫以及裂縫集中的位置均發(fā)生變化，抗裂控制截面是拉應(yīng)力最大的接縫截面[11]。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，從強(qiáng)度、運(yùn)營(yíng)階段和施工階段結(jié)構(gòu)計(jì)算三方面，采用MIDAS/civil、MIDAS FEA、ANSYS與BSAS程序建立模型，對(duì)節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁的力學(xué)性能進(jìn)行檢算分析。采用ZK活載，有砟軌道二期恒載為209 kN/m，設(shè)計(jì)速度為250 km/h，風(fēng)力、溫度力、制動(dòng)力均按照TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。

3.1 強(qiáng)度檢算

(1)強(qiáng)度安全系數(shù)及抗裂安全系數(shù)

參考美國(guó)AASHTO《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)性規(guī)范》，環(huán)氧樹(shù)脂膠接縫其抗彎承載能力折減系數(shù)取0.95，其抗剪能力折減系數(shù)取0.90[12]。主力工況下強(qiáng)度安全系數(shù)不小于2.0，“主力+附加力”工況強(qiáng)度安全系數(shù)不小于1.8。

由于膠接縫梁環(huán)氧膠與混凝土黏結(jié)能力小于整體混凝土抗拉強(qiáng)度，故膠接縫梁抗裂強(qiáng)度減弱，從安全出發(fā)，不考慮接縫處混凝土和環(huán)氧膠的拉應(yīng)力，抗裂安全系數(shù)不小于1.2，以提供足夠的抗裂安全度。受力分析指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 受力分析指標(biāo)

由表1可知，24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁膠接縫處強(qiáng)度安全系數(shù)主力工況下最小為2.09，“主+附”工況下最小為2.09，滿足要求?？沽寻踩禂?shù)主力工況下最小為1.30，“主+附”工況下最小為1.28，滿足要求。

(2)抗剪承載力計(jì)算

膠接縫剪力如圖7、圖8所示。

圖7 23.5m梁主+附作用下梁體剪力(單位：kN)

膠接縫處的抗剪強(qiáng)度由縱向預(yù)應(yīng)力彎起抗剪Vsb、剪力鍵抗剪Vk和摩阻力抗剪Vn三部分組成。剪力鍵混凝土容許剪應(yīng)力為[τ]=0.17fc=5.7 MPa，考慮頂、底板剪力鍵受力的不均勻性，剪力鍵面積中，只計(jì)腹板部分抗剪，頂?shù)装寮袅︽I僅作為安全儲(chǔ)備。摩阻力受力面積只計(jì)腹板面積，扣除預(yù)應(yīng)力孔道所占面積，不扣除剪力鍵所占面積。

第一道膠接縫距梁端2 m，為剪力最大的一道膠接縫。膠接縫處最大剪力及抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 膠接縫最大抗剪承載力匯總

由表2可知，24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁抗剪強(qiáng)度均滿足要求。

3.2 運(yùn)營(yíng)階段檢算

(1)結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢算

運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載作用下環(huán)氧樹(shù)脂膠接處不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，本項(xiàng)目控制壓應(yīng)力不小于1.0 MPa。

由表3可知，24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁混凝土壓應(yīng)力、剪應(yīng)力及接縫處應(yīng)力均滿足要求。

(2)變形計(jì)算

膠接縫的存在使運(yùn)營(yíng)中彈性階段結(jié)構(gòu)變形增大，在結(jié)構(gòu)變形計(jì)算時(shí)，截面抗彎剛度取值需考慮該影響。利用BSAS計(jì)算得到?jīng)]有膠接縫的相同截面形式的簡(jiǎn)支箱梁在車道荷載作用下的最大位移為5.3 mm。由于環(huán)氧樹(shù)脂膠接縫較薄，涂層厚度一般為1～3 cm，故建模時(shí)忽略其厚度方向的影響，采用板單元進(jìn)行模擬。膠層與混凝土之間不發(fā)生剝離，模型中將混凝土實(shí)體單元與膠接縫板單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。利用MIDAS FEA計(jì)算得到ZK活載作用下節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁的變形(如圖9所示)。

表3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要計(jì)算結(jié)果

ZK活載作用下，沒(méi)有膠接縫影響的簡(jiǎn)支梁最大撓度是考慮膠接縫存在時(shí)的0.93倍。根據(jù)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院試驗(yàn)成果，膠接縫對(duì)截面抗彎剛度的折減系數(shù)取0.9，與上述計(jì)算結(jié)果接近，故計(jì)算時(shí)按照0.9進(jìn)行折減。

圖9 ZK活載作用變形(單位：mm)

在ZK靜活載作用下，32 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁梁體豎向撓度為10.1 mm，撓跨比為1/3 150，小于規(guī)范要求1.4L/1 400；靜活載作用下，梁端轉(zhuǎn)角位0.92‰，小于規(guī)范要求(2‰)，撓跨比及梁端轉(zhuǎn)角均滿足規(guī)范要求。32 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁跨中殘余徐變?yōu)?.3 mm。

(3)端橫梁局部應(yīng)力分析

選取端頭節(jié)段(D類)，采用ANSYS軟件建立實(shí)體模型，二期恒載為209 kN/m，荷載工況為主力工況。計(jì)算結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 橫橋向正應(yīng)力(單位：Pa)

由計(jì)算結(jié)果可知，橫橋向最大拉應(yīng)力為3 MPa，豎向最大拉應(yīng)力為1.2 MPa，支座上方底板與腹板相接處最大豎向剪應(yīng)力為3 MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖11 豎向正應(yīng)力(單位：Pa)

圖12 豎向剪應(yīng)力(單位：Pa)

3.3 施工階段檢算

(1)存梁暴曬工況檢算

施工階段鋪設(shè)道砟前，豎向溫度梯度考慮裸梁暴曬，按頂板升溫Ty′=20·e-5y℃非線性考慮。32.6 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁鋼束張拉完、未上二期恒載時(shí)，存梁暴曬的上緣梁體應(yīng)力如圖13、圖14所示。

圖13 存梁暴曬時(shí)上緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖14 存梁暴曬時(shí)下緣應(yīng)力(單位：MPa)

表4 存梁暴曬結(jié)果匯總

由表4可知，存梁暴曬工況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求。

(2)吊點(diǎn)實(shí)體單元計(jì)算

圖15 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段吊點(diǎn)模型

選取2.6 m長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，利用ANSYS軟件建立實(shí)體模型，模型如圖15所示。按實(shí)際位置及尺寸模擬吊孔，在吊孔下端對(duì)應(yīng)墊板區(qū)域范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)施加豎向支承，模擬吊裝過(guò)程的受力。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段吊點(diǎn)局部應(yīng)力分析結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 橫向正應(yīng)力(單位：Pa)

圖17 豎向剪應(yīng)力(單位：Pa)

由圖16、圖17可知，絕大部分范圍橫向正應(yīng)力小于1.0 MPa拉應(yīng)力，孔邊應(yīng)力集中處最大為1.16 MPa，小于容許值2.79 MPa；剪應(yīng)力最大為0.9 MPa，小于容許值1.55 MPa。橫向正應(yīng)力及豎向剪應(yīng)力均滿足要求。

4 結(jié)論

(1)介紹國(guó)外某高速鐵路24.6～32.6 m節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁構(gòu)造特點(diǎn)，結(jié)合節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁的構(gòu)造特點(diǎn)，從強(qiáng)度、運(yùn)營(yíng)階段和施工階段結(jié)構(gòu)計(jì)算三方面進(jìn)行力學(xué)性能檢算分析。經(jīng)計(jì)算研究可知，節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁受力和變形滿足規(guī)范要求。

(2)梁段劃分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和梁端節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度取決于節(jié)段質(zhì)量及運(yùn)輸?shù)跹b時(shí)的尺寸限制要求。通過(guò)改變各節(jié)段數(shù)量組成相同梁高、不同跨徑的簡(jiǎn)支箱梁。

(3)節(jié)段預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁抗彎折減系數(shù)取0.95，抗剪折減系數(shù)取0.90；抗裂安全系數(shù)不小于1.2；膠接縫對(duì)截面抗彎剛度的折減系數(shù)取0.9。

(4)運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載作用下環(huán)氧樹(shù)脂膠接處不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)中壓應(yīng)力可控制為不小于1.0 MPa。