侯建軍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

整孔箱梁具有受力簡(jiǎn)單、明確，形式簡(jiǎn)潔，外形美觀，抗扭剛度大，建成后的橋梁養(yǎng)護(hù)工作量小以及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)客運(yùn)專線建設(shè)中大量采用。整孔箱梁與我國(guó)既有鐵路T梁相比，梁體橫向?qū)挾却?，支座設(shè)置需要四點(diǎn)支承。箱梁采用的四支點(diǎn)支承受力模式，理論上應(yīng)處于同一平面的支承狀態(tài)，但實(shí)際工程中勢(shì)必出現(xiàn)四支點(diǎn)不處于同一平面的狀態(tài)，即箱梁的“三條腿”現(xiàn)象，簡(jiǎn)支箱梁四支點(diǎn)平整度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響以及如何控制是箱梁設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。

1 箱梁四支點(diǎn)平整度對(duì)結(jié)構(gòu)影響

1.1 箱梁橫向抗扭影響

箱梁橫截面抗扭計(jì)算是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)扭矩產(chǎn)生主要由自重和二期恒載偏載、單線活載和風(fēng)荷載、列車離心力等橫向作用力引起，參照《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60—2010)及英國(guó)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(BS5400)中相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行橫截面抗扭箍筋及抗扭縱向鋼筋的配置。如果箱梁產(chǎn)生四支點(diǎn)不平整，也將引起箱梁截面附加扭矩產(chǎn)生，增大箱梁橫截面扭矩作用力及箱梁端部的橫向拉應(yīng)力;但由于客運(yùn)專線整孔箱梁具有較大抗扭剛度，箱梁支點(diǎn)不平整對(duì)箱梁跨中截面橫向抗扭影響較小，對(duì)跨中縱、橫向應(yīng)力影響不大，不作為本文分析重點(diǎn)。

1.2 梁端局部應(yīng)力影響

箱梁“三條腿”現(xiàn)象將會(huì)引起箱梁梁端截面局部應(yīng)力，由于支座沉降，梁端截面箱梁內(nèi)側(cè)四個(gè)角點(diǎn)應(yīng)力將發(fā)生變化，支座下沉端底腹板倒角和其斜對(duì)角頂腹板倒角處受壓狀態(tài)，非下沉端支座底腹板倒角和其斜對(duì)角頂腹板倒角處于受拉狀態(tài)，見(jiàn)圖1。梁端應(yīng)力隨著支座不平整度增加而增大，當(dāng)?shù)菇欠秶幰缘睦瓚?yīng)力超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生沿梁端45°方向的斜向裂縫，并沿倒角向梁內(nèi)延伸，所以應(yīng)嚴(yán)格控制簡(jiǎn)支箱梁四支點(diǎn)平整度。

圖1 支座不平整狀態(tài)下梁端截面應(yīng)力

1.3 支座承載能力影響

簡(jiǎn)支箱梁四支點(diǎn)不處于同一平面狀態(tài)時(shí)，箱梁4個(gè)支點(diǎn)反力大小將發(fā)生變化，脫空支點(diǎn)及其對(duì)角線支點(diǎn)支座反力減小，對(duì)應(yīng)其他兩支座反力增加，最大與最小兩者支座反力差將隨著支座不平整度和箱梁負(fù)載變化而不同。支座不平整度越大，其支反力差值越大，在支座完全脫空狀態(tài)，箱梁荷載僅為兩支座承擔(dān)，其支座承載增加1倍;當(dāng)支座平整度控制在固定范圍，其兩者支座差值也在不同荷載階段發(fā)生變化。以客運(yùn)專線32 m跨度箱梁為例，在四支點(diǎn)不平整度為2 mm狀態(tài)下，引起最大支反力變化幅值見(jiàn)表1。

表1 客運(yùn)專線32 m跨度雙線整孔箱梁支點(diǎn)平整度2 mm時(shí)支反力變化

2 客運(yùn)專線整孔箱梁四支點(diǎn)平整度空間分析

在箱梁制造、存放、運(yùn)輸和架設(shè)階段，支點(diǎn)平整度對(duì)箱梁梁端應(yīng)力的影響較大，通過(guò)研究支點(diǎn)在不同平整度狀態(tài)下梁端應(yīng)力狀況，確定合理的支點(diǎn)不平整度限值，可以更好地進(jìn)行箱梁各階段控制，保證結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。

對(duì)我國(guó)客運(yùn)專線鐵路常用的3個(gè)系列32 m跨度整孔雙線箱梁，采用MADISFEA進(jìn)行空間模擬分析計(jì)算，分析其不同支座平整度情況下梁端受力狀態(tài)。

2.1 時(shí)速350 km客運(yùn)專線無(wú)砟軌道整孔雙線箱梁

時(shí)速350 km客運(yùn)專線無(wú)砟軌道整孔雙線箱梁是我國(guó)客運(yùn)專線用量最大的系列梁型，已在京津、鄭西、武廣、石武、京石、滬杭、寧杭、杭甬、合蚌等客運(yùn)專線上使用，其梁端截面形式見(jiàn)圖2，箱梁在不同支點(diǎn)平整度狀態(tài)下梁端應(yīng)力見(jiàn)表2。時(shí)速350 km客運(yùn)專線無(wú)砟軌道雙線整孔箱梁支點(diǎn)不平整分析見(jiàn)圖3～圖6。

圖2 時(shí)速350 km客運(yùn)專線無(wú)砟軌道整孔雙線箱梁梁端截面[1］(單位:mm)

圖3 支座沉降2 mm模型

圖4 支座沉降2 mm主拉應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖5 支座脫空(6.6 mm)模型

圖6 支座脫空(6.6 mm)主拉應(yīng)力云圖(單位:MPa)

表2 時(shí)速350 km客運(yùn)專線無(wú)砟軌道雙線整孔箱梁不同支點(diǎn)平整度梁端應(yīng)力

2.2 時(shí)速250 km客貨共線有砟軌道整孔雙線箱梁

時(shí)速250 km客貨共線有砟軌道箱梁已經(jīng)成功用于我國(guó)多條客運(yùn)專線建設(shè)中，如合寧、合武、甬臺(tái)溫、石太、福廈、廈深、南廣等客運(yùn)專線，其梁端截面形式見(jiàn)圖7，箱梁在不同支點(diǎn)平整度狀態(tài)下梁端應(yīng)力見(jiàn)表3。

圖7 時(shí)速250 km客貨共線有砟軌道整孔雙線箱梁梁端截面[2］(單位:mm)

時(shí)速250 km客貨共線有砟軌道雙線整孔箱梁支點(diǎn)不平整分析見(jiàn)圖8～圖11。

圖8 支座沉降2 mm模型

圖9 支座沉降2 mm主拉應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖10 支座脫空(7.34 mm)模型

圖11 支座脫空(7.3 mm)主拉應(yīng)力云圖(單位:MPa)

表3 時(shí)速250 km客貨共線有砟軌道雙線整孔箱梁不同支點(diǎn)平整度梁端應(yīng)力

2.3 時(shí)速250 km客運(yùn)專線有(無(wú))砟軌道整孔雙線箱梁(單箱單室)

時(shí)速250 km客運(yùn)專線有(無(wú))砟軌道整孔單箱單室雙線箱梁受力簡(jiǎn)單、明確，其斜腹板、大圓弧的流線形外形更加融合了城際鐵路對(duì)景觀設(shè)計(jì)的需求，已經(jīng)在柳南、云桂、鄭焦、青容、哈齊等多條城際鐵路中投入使用，其梁端截面形式見(jiàn)圖12，箱梁在不同支點(diǎn)平整度狀態(tài)下梁端應(yīng)力見(jiàn)表4。

圖12 250 km客運(yùn)專線有(無(wú))砟軌道整孔單箱單室雙線箱梁梁端截面[3］(單位:mm)

250 km客運(yùn)專線有(無(wú))砟軌道雙線整孔箱梁支點(diǎn)不平整分析見(jiàn)圖13～圖16。

圖13 支座沉降2 mm模型

圖14 支座沉降2 mm主拉應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖15 支座脫空(8.08 mm)模型

圖16 支座脫空(8.1 mm)主拉應(yīng)力云圖(單位:MPa)

綜合表2～表4分析可知，我國(guó)客運(yùn)專線常用的3種系列整孔箱梁由于其橫向抗扭剛度有差別，箱梁支點(diǎn)完全脫空量有所不同，箱梁抗扭剛度越大，其支座脫空量將越小。為保證各箱梁在制造、存放、運(yùn)輸、架設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段梁端角點(diǎn)主拉應(yīng)力不超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度，避免出現(xiàn)斜向裂縫，應(yīng)盡可能控制其梁體四支點(diǎn)位于同一平面，各種荷載狀態(tài)下箱梁四支點(diǎn)不平整誤差不應(yīng)大于2 mm。

表4 250 km客運(yùn)專線有(無(wú))砟軌道雙線整孔箱梁不同支點(diǎn)平整度梁端應(yīng)力

3 客運(yùn)專線整孔箱梁支座施工控制

為保證箱梁在制造、存放、運(yùn)輸、架設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段四支點(diǎn)不平整度不超出容許范圍，以保證箱梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，施工過(guò)程中應(yīng)從多個(gè)方面嚴(yán)格控制。

3.1 底模設(shè)置

箱梁底模設(shè)置在保證箱梁成橋線形的同時(shí)，對(duì)于梁端部底模支撐及其基礎(chǔ)應(yīng)充分考慮沉降的影響，當(dāng)箱梁在初張拉完畢后，箱梁重量全部由梁端部位承受，為保證箱梁在制梁臺(tái)位上不發(fā)生四支點(diǎn)不均勻沉降，梁端底?；A(chǔ)除滿足承載力要求外，還應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)沉降檢算。

3.2 鋼筋設(shè)置

當(dāng)箱梁四支點(diǎn)不處在同一平面時(shí)，箱梁梁端倒角將有拉應(yīng)力產(chǎn)生，為避免斜裂縫出現(xiàn)，箱梁設(shè)計(jì)時(shí)在梁端倒角布置有與可能出現(xiàn)裂縫相垂直的斜向鋼筋，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制其位置準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)混凝土保護(hù)層厚度過(guò)大情況。

3.3 箱梁吊裝

箱梁吊裝采用橋面預(yù)留的8個(gè)吊孔起吊，吊裝過(guò)程中，箱梁吊點(diǎn)作為整孔箱梁的支撐，為避免出現(xiàn)箱梁“三條腿”現(xiàn)象，吊裝設(shè)備應(yīng)具備“三點(diǎn)吊梁”功能，即一側(cè)2個(gè)吊點(diǎn)串聯(lián)工作，并且起吊過(guò)程應(yīng)緩慢、間段進(jìn)行，保證串聯(lián)輪組能夠充分平衡調(diào)整。

3.4 存梁臺(tái)位設(shè)置

存梁臺(tái)座是箱梁長(zhǎng)期存放的場(chǎng)地，除承載力應(yīng)滿足要求外，4個(gè)支墩的平整度及其負(fù)載狀態(tài)下的不均勻沉降控制至關(guān)重要，箱梁存放前應(yīng)對(duì)支墩進(jìn)行操平處理，并在支墩頂設(shè)置厚度不小于50 mm的橡膠墊板，箱梁存放過(guò)程中應(yīng)對(duì)存梁臺(tái)位進(jìn)行定期測(cè)量，加強(qiáng)沉降監(jiān)控。

3.5 橋梁架設(shè)

箱梁在架設(shè)過(guò)程中，采用了千斤頂落梁和重力灌漿的工藝，落梁過(guò)程中在保證梁面高程滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，保證箱梁四支點(diǎn)平整度度至關(guān)重要，因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生四支點(diǎn)不平整后期將不可再調(diào)整，所以應(yīng)盡可能減少四支點(diǎn)不平整量，應(yīng)從嚴(yán)控制，設(shè)計(jì)要求落梁時(shí)反力間誤差范圍應(yīng)小于5%。

3.6 墩臺(tái)設(shè)計(jì)

客運(yùn)專線橋墩多采用圓端或矩形橋墩，箱梁支撐墊石高程容易控制。但對(duì)于整孔箱梁與框架橋墩配合使用的情況，由于框架墩橫梁不同負(fù)載作用下變形的影響，將導(dǎo)致箱梁四支點(diǎn)沉降不一致，引起箱梁“三條腿”現(xiàn)象，所以框架墩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮箱梁四支點(diǎn)平整度影響，必要時(shí)需要采用調(diào)高支座以滿足四支點(diǎn)平整度的要求。

3.7 支座更換工況，頂梁控制

箱梁支座更換是客運(yùn)專線后期養(yǎng)護(hù)維修的需要，頂梁過(guò)程中，由于橋面二期恒載的存在，同等支點(diǎn)不平整度情況下，梁端應(yīng)力較施工架設(shè)過(guò)程要增大，所以頂梁過(guò)程應(yīng)更加嚴(yán)格控制各支反力間誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

客運(yùn)專線整孔箱梁“三條腿”現(xiàn)象施工中較容易出現(xiàn)，箱梁設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)分析計(jì)算，充分考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，確定支點(diǎn)不平整容許限值，在箱梁制造、吊裝、存放、架設(shè)、運(yùn)營(yíng)等階段多方面加強(qiáng)支點(diǎn)不平整度測(cè)量和監(jiān)控，將支點(diǎn)不平整控制在容許范圍內(nèi)，可以有效地保證箱梁受力及耐久性要求。

[1]鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.時(shí)速350公里客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁通用參考圖[Z］－北京:鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，2008

[2]鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.時(shí)速250公里客運(yùn)專線鐵路有砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁通用參考圖[Z］－北京:鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，2008

[3]鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.時(shí)速250公里客運(yùn)專線(城際鐵路)有/無(wú)砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支整孔箱梁通用參考圖[Z］－北京:鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，2009

[4]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1～TB10002.5—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005

[5]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009

[6]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010

[7]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50010－2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

[8]鄧運(yùn)清，盛黎明.秦沈客運(yùn)專線后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)[J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000(1):3-6

[9]鄧運(yùn)清.秦沈客運(yùn)專線整孔箱梁的質(zhì)量控制因素[J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2001(9):23-25

[10］鄧運(yùn)清.客運(yùn)專線簡(jiǎn)支箱梁綜述[J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(1):65-71