时速250 km客运专线单箱双室简支箱梁设计关键技术

2010-07-30桂婞

铁道建筑 2010年6期

桂婞

(中铁上海设计院集团有限公司桥隧处，上海 200070)

城际轨道交通作为一种全新的轨道交通方式，目前在经济发达的长三角、珠三角和环渤海圈相继开工建设，如沪宁城际、广珠城际、海南东环线、长吉城际等，都为设计时速250 km的客运专线。为此，常用简支梁的研究与通用参考图的编制势在必行。在满足城际铁路技术要求的基础上，充分考虑结构的景观性、经济性和施工难度，吸收国内外客运专线简支箱梁的设计、施工经验，编制了“时速250公里客运专线(城际铁路)简支箱梁通用参考图”，目前已发布使用。本参考图的一个显著特点就是采用了单箱双室截面梁，需要对其受力特点与构造等关键技术进行研究。

1 单箱双室截面梁适应范围及主要设计参数

1.1 适用范围

时速250 km客运专线(城际铁路)简支箱梁适用于旅客列车最高行车速度250 km/h，ZK活载，双线，直线、曲线，最小曲线半径 3 500 m，线间距为4.6 m和5.0 m;分别按铺设有砟轨道和无砟轨道设计。

1.2 主要设计参数

1)恒载。梁体结构自重按 26.0 kN/m3计算。4.6 m线间距有砟轨道桥面二期恒载根据直线、曲线及有声屏障和无声屏障采用201.0 kN/m、181.5 kN/m、183.0 kN/m和163.5 kN/m。5.0 m线间距时，按以上数值均加6 kN/m。无砟轨道桥面二期恒载按100～180 kN/m分级设计。

2)活载。列车竖向活载采用ZK标准活载、ZK特种活载，相应的参数取值参照现行设计规范［1-2］。

3)其他荷载。其他荷载参照现行设计规范［1-2］。

4)结构应力、强度、变形、动力特性均按现行规范要求［1-2］。

2 简支箱梁结构形式

根据国内外高速铁路简支箱梁的截面形式及构造特点，考虑城际铁路的特点，综合箱梁施工、架设、结构受力、环境保护、运营养护维修、轮廓景观造型等因素，选择了单箱双室形式，截面形式见图1。

图1 单箱双室截面方案(单位:mm)

3 结构构造特点

单箱双室三腹板截面进一步减小了箱梁横向计算跨度。大悬臂圆弧形斜腹板外形，具有良好的景观及传力效果。防撞墙内、墙外采用不等高及采用V形桥面，有利于桥面排水。跨中截面各板厚尺寸均较经济，进一步减轻了结构自重。

4 单箱双室截面设计关键技术

根据结构特点，除按常规简支箱梁设计进行纵向、横向受力分析外，特别针对三腹板剪力分配、梁端受力等关键技术进行了分析，以全面掌握该梁受力特点。

4.1 计算模型

采用空间实体模型进行综合分析，混凝土采用8节点solid45单元，预应力钢筋采用link8单元，预应力采用初应变的方法进行施加，其模型如图2、图3，整个模型共62 691个节点，240 361个单元。

图2 混凝土单元

图3 预应力钢筋单元

4.2 边界条件设定

本梁设固定、纵向活动、横向活动及双向活动支座各一个，支座横向中心距5.4 m。

4.3 三腹板受力分析

根据空间实体单元的受力分析结果，对主梁各截面按照图4所示的区域的剪应力进行积分，得到代表性截面各边腹板和中腹板剪力值，如表1。

从表1及图5可看出，由于仅在边腹板侧设有支座，截面剪力逐步由跨中的三腹板均匀受力转变为边腹板主要受力，边腹板与中腹板剪力比值由支点处的2.0倍到跨中的1.0倍，在梁端4 m范围内变化剧烈，全梁剪力分配关系较为稳定，在主应力计算时，要充分考虑各腹板剪应力分布不均现象。

图4 腹板、顶底板区域划分

表1 32 m简支梁在各工况下各腹板剪力值

图5 边腹板剪力/中腹板剪力

4.4 梁端支点受力分析

在最大支反力左右下，梁端底板顶及底板底横向正应力如图6和图7。

从图6可看出，在最大支反力工况下，在支座顶板局部区域内，底板顶横向拉应力达5.6 MPa，大于考虑混凝土塑性影响后的混凝土拉应力，设计时按钢筋混凝土截面进行检算，裂缝宽度满足规范要求。

在中腹板底板底，最大横向拉应力为2.9 MPa，小于混凝土拉应力，设计时亦按钢筋混凝土截面进行检算，可满足规范要求。

4.5 梁端吊点受力分析

吊梁工况，梁端边腹板及顶板顶应力见图8和图9。

图6 梁端部底板顶横向正应力(单位:kPa)

图7 梁端部中腹板底板底横向正应力(单位:kPa)

图8 梁端边腹板竖向正应力(单位:kPa)

单箱双室梁由于梁体自重轻，且中腹板分担部分剪力，使吊梁时混凝土拉应力明显小于目前国内的客运专线其他箱梁形式，其边腹板最大竖向拉应力为4.3 MPa，顶板顶横向正应力3.1 MPa，均小于考虑混凝土塑性影响后的混凝土拉应力，具有较好的抗裂性。

5 经济性能比较

该系列通用参考图通过选取合理的设计参数，在工程实践中体现出良好的经济性，一孔跨度32 m梁的工程数量对比见表2。由表2可知，每孔梁较2221A-Ⅱ和2321A-Ⅱ两种梁的混凝土分别减少47 m3和64 m3，自重减轻后，对于存梁台座基础及地基处理要求进一步降低，要求相应的运、架设备吊重能力进一步减小，可采用吊重7 000 kN运梁车及架桥机。