宁高城际轨道交通二期工程预制箱梁设计

 王存国

 (中铁第四勘察设计院集团有限公司  武汉  430063)

摘要  介绍宁高城际轨道交通二期工程高架区间预制箱梁设计，针对全预应力、1／2钢束过支点，以及预留箱梁检修、动力特性、架设箱梁、静载试验等问题进行研究和探讨。采用BSAS，MI-DAS，ANSYS建立有限元模型进行结构分析，各项性能指标均满足要求，证实了该梁对不同的运架梁设备有较强的适应性，并且通过30 m预制箱梁静载试验，对荷载挠度曲线分析后表明，箱梁刚度和抗裂性满足设计要求。

关键词  城际轨道交通  预制箱梁架桥机挠度  静载试验

 宁高城际轨道交通二期工程起于一期工程禄口新城南站，止于高淳县城，全长52. 39 km。共有禄口新城南站、铜山站、石湫站、明觉站、高淳北站、高淳南站等6个车站、车辆段1处、停车场1处。正线区间共有7座特大桥，1座中桥，小桥涵24座，公跨铁（框架）1座。明觉站(DK27+607)以北简支梁桥梁部采用U形梁，明觉站以南简支梁桥梁部采用箱梁。全线简支箱梁近700孑L，适合大规模集中预制，故全线箱梁主要采用预制箱梁。

1设计原则

 (1)武汉、昆明轨道交通工程等项目的研究结果表明，桥梁跨度与墩高比在2.5～3之间时最为经济，宁高城际轨道交通二期工程大部分桥墩在10 m左右，因此，全线采用30 m跨度的桥梁为标准跨径。

 (2)根据规范及相关方面的要求，箱梁设计应满足全预应力、1／2钢索过支点、预留检修条件3项要求。

 (3)该项目在市郊，对景观要求比较高，箱梁设计除满足受力要求外，力求美观简洁。

 (4)桥面宽度根据车辆、限界、通信、信号等的专业要求确定。线间距3.8 m对应标准桥面宽度为9.0 m，有接触网立柱位置桥面采用局部加宽。

 (5)由于该项目3个不同标段均采用预制箱梁，箱梁的设计尽可能地适应不同的运架梁设备。

2设计荷载

 荷载以主力、主力十附加力、主十特进行组合，取最不利组合进行设计。桥梁设计时，仅考虑主力与一个方向（顺桥向或横桥向）的附加力相组合，特殊荷载不相互组合。

2.1二期恒载

 二期恒载包含线路设备、接触网立柱及基础、预制挡板、隔声屏障（按全线预留考虑）、电缆及其支架、桥面防水层和保护层等重量。双线直线：106. 09 kN／m，双线曲线：115. 17 kN/m。

2.2活载

列车长度，按4辆编组计算列车活载，列车轴重140 kN，由于该工程设计速度为120 km/h，其动力系数按不折减考虑，即采用1+V =1+6×a／(30+L)，L为桥梁跨度(m)。列车活载计算图式见图1。

2.3混凝土收缩和徐变的影响力

 收缩、徐变影响计算办法：按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范》(TB10002. 3-2005)办理。本设计二期恒载上桥时间按施加预加应力后90 d计算，铺设无砟轨道在终张拉90 d后方可进行。

3主要工程材料

3.1混凝土

 梁部采用C50混凝土，墩台采用C40混凝土，桩基采用C30混凝土。

3.2预应力钢材

 高强度低松弛钢绞线，公称直径15. 24 mm，f。k=1 860 MPa，OVM锚具。

3.3钢筋

 钢筋采用HRB400，HPB300。

4箱梁设计

4.1结构设计

该项目箱梁主要处于宁高新通道绿化带中间，箱梁外形设计成线型流畅的大圆弧，与周围环境较融合，高架区间桥梁横断面见图2。区间30m跨度双线简支箱梁梁高为1.8 m，高跨比为1／16. 67，箱梁底部宽度4.1 m，腹板斜率1:2.7。梁顶板厚25 cm，支点处局部加厚至40 cm；底板厚25 cm，支点局部加厚至50 cm，跨中腹板厚28cm，支点腹板厚90 cm。每个支点设2个支座，预制梁支座中心线距梁端0. 43 m，支座横向中心线距离2.9 m。下梗腋采用0.2 m×0.2 m的倒角，上梗腋采用0.6 m×0.2 m的倒角，横截面为单箱单室，箱梁每端设置4个吊孔。箱梁横截面构造见图3。

 考虑到预制箱梁过程中腹板及底板部分模板不动，仅调整翼缘板以方便预制。本线以右线为基准，曲线段简支箱梁采用平分中矢法布置，腹板为直线，桥面曲线通过调整左右悬臂板来适应。

箱梁腹板钢束采用15-型15.2，底板钢束采用12-Q 15.2，两端张拉，钢束张拉分预张拉、初张拉、终张拉3个阶段。梁体钢束立面布置及横截面分别见图4、图5，预应力含索量为44 kg／m3，钢筋含量为230 kg/m3；常规公路简支梁预应力含索量约30 kg/m3，钢筋含量约为200 kg/m3，城际轨道交通主梁含索量、含筋量比同跨度公路梁分别约高40%，15%。

4.2运架梁方案设计

 在支座中心纵向向跨中1倍梁高范围为配筋加强的区域，在运架梁设备的设计中，尽可能地使架桥机支腿纵向位于配筋较强区域。使架桥机支腿横向位于腹板中心线附近。

在标段A架桥机设计中巧妙地利用了30 m梁和25 m梁梁长5m的差值，使反力最大的支腿R3在以25，30 m梁为平台架设时R3支腿距离梁端距离始终为2.5 m，见图6所示。支腿位于运营荷载下主梁配筋加强区，不需额外加强配筋，施工荷载不控制主梁配筋，配筋满足规范要求，梁体受力合理。

标段B架桥机R2支腿为荷载最大支腿，距离梁端2.2 m，见图7所示，处于配筋加强区，P。，Pb支腿荷载最大值为17.5 kN，经简算得知其不控制设计。

标段C架桥机设计中考虑了在满足梁体受力的前提下，尽可能地利用原有设备，以减少成本，架梁示意图见图8。在架梁时R3支腿不在配筋加强区域，采用增加垫块的方式使R3支腿荷载扩散。以25 m箱梁为操作平台架梁时，后支腿落于离支点8.5 m处，为跨中截面，该处需设分配梁，支腿反力可减半，分配梁下设900 mm×900 mm垫块。以30 m箱梁为操作平台架梁时，后支腿落于离支点3.5 m处，为变化段截面，该处需设1400 mm×1 400 mm×400 mm垫块。采取施加垫块的方式后梁体配筋不需加强。

5主要计算结果

5.1  吊梁及运营阶段分析

通过BSAS、桥梁博士软件计算分析，箱梁在吊装、运营、架梁阶段的计算结果如下，见表1～表3。

由表1可知，箱梁在吊装过程中下缘未出现拉应力，初张拉的预应力有效抵消了结构自重产生的效应，吊装阶段各项指标满足规范要求。

 由表2可知，箱梁在运营阶段各项指标满足规范要求。

5.2运架梁分析

标段A，B，C中，以30 m箱梁为操作平台运架30 m箱梁控制工况下检算结果见表3。

 由表3计算结果可知，3个标段在架梁过程中箱梁各项受力指标满足规范要求。

5.3  自振频率计算

 用midas软件建立30 m预制简支箱梁的动力分析模型，得知其横向自振频率为10. 96 Hz>55lL0'8 =3. 72 Hz，竖向自振频率为3.32 Hz>23. 58L-0'592—3. 21  Hz，满足规范要求。

5.4空间分析

 预制简支梁在吊装、顶梁等过程中以及在架设完成后，其支承位置都集中在简支梁梁端，梁端部受力情况复杂，有必要对这一部位进行受力状况分析。用ANSYS建立30 m预制箱梁的空间有限元计算模型。各工况计算结果如下。

5. 4.1  吊梁工况分析

对预制架设简支箱梁而言，箱梁在吊装阶段吊孔附近局部应力较集中，容易在施工荷载作用下产生受力裂纹，为减小吊装过程中吊孔周围的应力集中，在顶板下缘吊孔处垫以460 mm×380mm×40 mm的钢垫板，通过空间分析可知，吊装工况下顶板最大横向应力值为6.7 MPa，应力云图见图9。根据分析可知，腹板吊点周围需设置直径8 mm的螺旋箍筋，以控制混凝土裂缝宽度。

5.4.2顶梁工况分析

双线箱梁在进行架设作业和后期支座更换作业时，需要进行顶梁施工，箱梁顶梁位置位于支座内侧，为保证过程中梁端底板、腹板受力，进行顶梁工况空间分析，根据分析结果可知，顶梁工况下梁端截面产生的底板最大横向应力值2.9 MPa，其应力云图见图10。顶梁作业时应在千斤顶上加垫600 mm×600 mm×40 mm钢板，顶梁过程应缓慢进行，防止因千斤顶受力不均造成梁体侧翻或损坏。

6静载试验

根据车辆设计荷载类型和设计荷载参数，并结合预制箱梁结构形式、受力特点及现场条件，拟采用尺寸为8.0 m×0. 45 m×0.5 m重量为45 kN的混凝土标准块在箱梁上部堆载，相应加载位置垫以枕木将荷载传递到箱梁，加载示意图见图11。

试验荷载模拟跨中实际二期恒载弯矩10 638kN．m和最大活荷载弯矩（含冲击）7 711 kN．m。加载等级用加载系数K表示，其值为加载试验中梁体跨中承受的弯矩与设计弯矩之比。各加载等级跨中弯矩值见表4。

 在K =1.2加载等级下持续荷载20 min，梁体下缘底面未发现受力裂缝，评定全预应力梁抗裂合格。

7结语

 (1)箱梁采用大圆弧外形美观，与桥墩外形呼应，腹板钢束全部过支点有效减小支点附近主应力，梁端预留开孔为后期检修提供了条件。

 (2)目前高架区间A，B，C3个标段的预制箱梁已基本架设完毕，架设过程安全可靠，证实运架梁方案的设计是合理的，该预制箱梁对不同设备的适应性较强。

 (3)通过简支梁静载试验得知加载过程中梁体跨中及梁端均未出现裂缝，挠度与荷载基本呈线性关系，梁体处于线性状态，刚度及抗裂性满足设计要求。