楊 斌， 尹 京， 于廣志， 陳進(jìn)杰， 榮學(xué)亮

(1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 工程管理中心, 北京 100844；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.雄安高速鐵路有限公司，河北 保定 071700；4.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

預(yù)制裝配式橋梁是指用事先預(yù)制好的構(gòu)件在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝而成的橋梁結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工方法相比，裝配式橋梁具有加快施工速度、減少現(xiàn)場(chǎng)污染、提高施工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)大力發(fā)展綠色橋梁的建設(shè)理念[1]。預(yù)制拼裝式橋梁起源于法國(guó)，20世紀(jì)40年代，工程師弗萊西涅最先在幾座預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁上部結(jié)構(gòu)的施工中采用了此項(xiàng)技術(shù)，此后幾十年在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了推廣和應(yīng)用[2-4]。我國(guó)預(yù)制裝配式橋梁的研究和應(yīng)用起步稍晚，但發(fā)展迅速，尤其近十年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本的上升，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備水平不斷提升，文明施工要求日益提高，預(yù)制裝配式橋梁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)愈發(fā)突出，得到了越來(lái)越廣泛的推廣和應(yīng)用[5-8]。

上部結(jié)構(gòu)(主梁)的裝配式技術(shù)起步最早，發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，目前已經(jīng)比較成熟，常見(jiàn)的施工方法有懸臂拼裝法、逐孔拼裝法、整孔架設(shè)法等[9-11]。下部結(jié)構(gòu)的裝配式技術(shù)隨著對(duì)連接方式、抗震性能等關(guān)鍵問(wèn)題的系統(tǒng)深入研究，在城市市政橋梁、跨海大橋、城市軌道交通等領(lǐng)域開(kāi)始大規(guī)模采用，設(shè)計(jì)規(guī)范、施工標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程等相關(guān)規(guī)范體系在不斷完善[12]。橋面系的裝配式技術(shù)僅對(duì)防撞護(hù)欄的研究較多，目前僅在公路橋梁中得到應(yīng)用[13]。鐵路橋梁的橋面系結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包含了防護(hù)墻、電纜槽底板、豎墻、遮板、欄桿和聲屏障等構(gòu)造。從國(guó)內(nèi)既有鐵路建設(shè)情況來(lái)看，未見(jiàn)裝配式橋面系的應(yīng)用。

橋梁上部和下部主體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全預(yù)制化生產(chǎn)后，橋面附屬設(shè)施生產(chǎn)成為制約工程進(jìn)度和提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。為了滿足我國(guó)綠色鐵路的發(fā)展需求，進(jìn)一步提高鐵路建設(shè)工業(yè)化建造水平，真正實(shí)現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面附屬設(shè)施全預(yù)制裝配式施工，亟需開(kāi)展鐵路橋梁橋面系裝預(yù)制拼裝技術(shù)的系統(tǒng)研究。基于上述背景，結(jié)合京雄鐵路固霸特大橋建設(shè)工程，提出一種適用于高速鐵路橋梁的整體裝配式橋面系技術(shù)，并對(duì)這種新型裝配式橋面系的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、連接設(shè)置和關(guān)鍵部位的受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究成果應(yīng)用于京雄鐵路橋梁建設(shè)中，系國(guó)內(nèi)首次采用整體裝配式橋面系建造技術(shù)，研究成果有助于推動(dòng)我國(guó)高速鐵路裝配式一體化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，可供橋梁工程人員參考。

1 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

1.1 橋面布置

高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁一般采用整體式橋面布置方案，接觸網(wǎng)立柱設(shè)置在橋面上。橋面布置方式具有以下幾項(xiàng)基本特征：

(1)橋面寬度。時(shí)速350 km高速鐵路有砟、無(wú)砟簡(jiǎn)支箱梁橋面寬12.6 m，線間距5.0 m；時(shí)速250 km高速鐵路有砟、無(wú)砟簡(jiǎn)支箱梁橋面寬12.2 m，線間距4.6 m。

(2)無(wú)砟軌道防護(hù)墻內(nèi)側(cè)距離線路中心線為2.0 m。有砟軌道擋砟墻內(nèi)側(cè)距離線路中心線為2.2 m。擋砟墻(防護(hù)墻)頂面標(biāo)高與軌頂面等高。

(3)電力電纜槽和通信信號(hào)電纜合槽放置在擋砟墻(防護(hù)墻)的外側(cè)。

(4)橋面翼緣設(shè)置欄桿或聲屏障。

1.2 欄桿和聲屏障的安裝方式設(shè)計(jì)

我國(guó)現(xiàn)行的高速鐵路箱梁均使用遮板構(gòu)造安裝欄桿及聲屏障，如圖1(a)所示。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)橋面布置方式的細(xì)部設(shè)計(jì)，提出了采用邊墻的結(jié)構(gòu)形式安裝欄桿和聲屏障，如圖1(b)所示，同樣以350 km/h高速鐵路為例，欄桿邊墻的根部寬250 mm，高412 mm，欄桿通過(guò)預(yù)埋螺栓安裝在邊墻頂面。聲屏障邊墻的根部寬250 mm，高550 mm。聲屏障立柱位置設(shè)置加厚平臺(tái)，橫橋向550 mm，縱橋向500 mm，聲屏障通過(guò)預(yù)埋螺栓安裝在加厚平臺(tái)頂面。

圖1 高速鐵路橋面欄桿不同安裝方式(單位：mm)

采用邊墻結(jié)構(gòu)形式安裝欄桿和聲屏障，可減小橋面寬度，節(jié)省鋼筋和混凝土用量，表1中給出了高速鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁不同橋面設(shè)置的工程量。通過(guò)表1可以看出，一孔40 m簡(jiǎn)支箱梁，采用邊墻安裝欄桿和聲屏障，相對(duì)于傳統(tǒng)的遮板橋面設(shè)置方式，可節(jié)省混凝土用量41.9%～58.9%，節(jié)省鋼筋19.6%～31.3%。

圖2 整體裝配式橋面附屬設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)塊段橫斷面(單位：mm)

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于邊墻橋面布置方案能夠減小橋面寬度，有效節(jié)省混凝土和鋼筋用量，2018年新編制的客貨共線鐵路簡(jiǎn)支箱梁通用參考圖和高速鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁通用參考圖，均推薦使用邊墻安裝欄桿和聲屏障的方式。因此，本文針對(duì)采用邊墻安裝欄桿和聲屏障的高速鐵路整體式橋面附屬設(shè)施進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)，如圖2所示，整體式設(shè)計(jì)要包括防護(hù)墻、豎墻、邊墻和電纜槽底板。

表1 40 m簡(jiǎn)支箱梁不同橋面設(shè)施工程量對(duì)比

預(yù)制裝配構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)塊長(zhǎng)1 980 mm，梁端塊長(zhǎng)2 310 mm，相鄰兩構(gòu)件間距為20 mm，預(yù)制裝配構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)造如圖3所示。裝配構(gòu)件在連接之前，根據(jù)欄桿或聲屏障安裝需求適當(dāng)調(diào)整位置，并在構(gòu)件與橋面之間灌注自充填聚合物砂漿。預(yù)制構(gòu)件在橋位處安裝，通過(guò)預(yù)埋套筒和螺栓與梁體連接。

圖3 高速鐵路整體式裝配橋面附屬設(shè)施連接布置(單位：mm)

2 結(jié)構(gòu)受力性能分析

2.1 計(jì)算荷載

高速鐵路裝配式橋面系，使用功能總體上應(yīng)滿足以下要求：

①防護(hù)墻在列車(chē)脫軌荷載碰撞下應(yīng)起到導(dǎo)向作用，為一次性結(jié)構(gòu)，狀態(tài)為開(kāi)裂不破壞，材料強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，不考慮裂縫寬度；②邊墻受力為正常使用狀態(tài)，材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)值計(jì)算；③電力槽和通信、信號(hào)槽應(yīng)滿足相關(guān)專(zhuān)業(yè)對(duì)槽體最小截面積的要求，應(yīng)預(yù)留綜合接地接口；④構(gòu)件安裝、加工應(yīng)便捷可靠；⑤構(gòu)件外觀簡(jiǎn)潔。

基于上述原則和基本要求，確定了裝配式橋面系設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算荷載:

①《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)4.3.14條文說(shuō)明認(rèn)為水平脫軌荷載的研究尚無(wú)明確結(jié)論，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體情況酌情考慮。《時(shí)速350公里高速鐵路預(yù)制無(wú)砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁(雙線)》(通橋(2016)2322A-Ⅱ-1)、《高速鐵路常用跨度梁橋面附屬設(shè)施》(通橋(2016)8388A)中防護(hù)墻水平脫軌荷載按100 kN/m考慮，其作用點(diǎn)位于防護(hù)墻頂面。綜合以上資料，高速鐵路裝配式防護(hù)墻水平脫軌荷載按100 kN/m考慮，其作用點(diǎn)位于防護(hù)墻頂面。②邊墻欄桿區(qū)段設(shè)計(jì)荷載為水平推力按0.75 kN/m考慮，作用于立柱頂面，并按1.0 kN檢算。③邊墻聲屏障區(qū)段作用于橋面設(shè)計(jì)荷載見(jiàn)表2。

表2 350 km/h高速鐵路聲屏障設(shè)計(jì)荷載

圖4 整體裝配式橋面系計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 基于現(xiàn)行規(guī)范體系的主要構(gòu)件強(qiáng)度檢算

對(duì)整體式裝配橋面系，按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。防護(hù)墻包括斷面A和斷面B 2個(gè)控制截面，電纜槽底板包括斷面C 1個(gè)控制截面，邊墻包括斷面D 1個(gè)控制截面，針對(duì)不同構(gòu)件的控制截面按照設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行計(jì)算。

(1)防護(hù)墻水平脫軌荷作用下的檢算。對(duì)于直線區(qū)段，防護(hù)墻頂面標(biāo)高760 mm(防護(hù)墻墻體高740 mm)，高速鐵路碰撞荷載按100 kN/m考慮，作用于防護(hù)墻頂部，不考慮砂漿層粘接力。各控制斷面理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高鐵整體式裝配橋面防護(hù)墻與底板斷面計(jì)算 MPa

(2)邊墻檢算。高速鐵路欄桿荷載水平推力按0.75 kN/m計(jì)算，水平推力作用于立柱頂面，立柱頂面至斷面D高1.4 m，邊墻縱向影響寬度按0.5 m計(jì)算。理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

(3)連接件檢算。對(duì)于高速鐵路水平脫軌荷載工況，螺栓連接每隔1 m設(shè)置1個(gè)，采用10.9級(jí)M30高強(qiáng)螺栓，內(nèi)外側(cè)螺栓間距1.26 m，理論計(jì)算得到防護(hù)墻側(cè)螺栓拉力60.3 kN，剪力為50 kN，不考慮砂漿粘接作用，理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 高鐵整體式裝配橋面連接件計(jì)算 MPa

2.3 基于精細(xì)化數(shù)值模擬的防護(hù)墻極限承載力分析

采用ABAQUS通用有限元建立裝配式橋面系的數(shù)值模型，如圖5所示?；炷梁蜕皾{采用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元?；炷敛牧线x用學(xué)者M(jìn)ander et al提出的非約束混凝土單軸受壓本構(gòu)，峰值壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.002。受拉混凝土在開(kāi)裂前處于線彈性階段，開(kāi)裂后進(jìn)入非線性受拉軟化階段。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，取抗壓和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值33.5 MPa和3.10 MPa，彈性模量35.5 GPa。砂漿抗拉強(qiáng)度取1.5 MPa。鋼筋屈服強(qiáng)度400 MPa，彈性模量200 GPa，采用理想彈塑性模型。根據(jù)建立的有限元數(shù)值模型，模擬脫軌荷載作用下防護(hù)墻的受力性能，計(jì)算時(shí)考慮砂漿層起到完全粘結(jié)作用和不考慮粘結(jié)作用2種工況進(jìn)行計(jì)算。

圖5 有限元數(shù)值模型

圖6 不同粘結(jié)狀態(tài)下的荷載-位移曲線

結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線如圖6所示，極限狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力分布如圖7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，保持粘結(jié)時(shí)，混凝土受拉開(kāi)裂和鋼筋屈服首先出現(xiàn)在防護(hù)墻外側(cè)，最終防護(hù)墻發(fā)生彎曲破壞，此時(shí)結(jié)構(gòu)的極限荷載為218 kN。粘結(jié)失效時(shí)，混凝土受拉開(kāi)裂和鋼筋屈服均首先出現(xiàn)在電纜槽底板，最終底板發(fā)生彎曲破壞，但防護(hù)墻也接近彎曲破壞，此時(shí)結(jié)構(gòu)的極限荷載為180 kN。通過(guò)全程分析結(jié)果可知：考慮粘結(jié)作用，當(dāng)荷載值為34 kN時(shí)，防護(hù)墻下部混凝土受拉區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂；當(dāng)荷載達(dá)到200 kN時(shí)，鋼筋開(kāi)始出現(xiàn)屈服；當(dāng)荷載達(dá)到218 kN時(shí)，右側(cè)防護(hù)墻發(fā)生彎曲破壞。

圖7 考慮粘結(jié)作用效應(yīng)時(shí)極限狀態(tài)下的混凝土應(yīng)力分布

3 結(jié)論

本文提出一種新型高速鐵路橋梁裝配式橋面系，并對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)果：

(1)橫截面采用整體式設(shè)計(jì)，包含防護(hù)墻、豎墻、邊墻和電纜槽底板，縱向分為標(biāo)準(zhǔn)塊和梁端塊，標(biāo)準(zhǔn)塊段長(zhǎng)度為1 980 mm，梁端塊段長(zhǎng)度為2 310 mm，相鄰兩構(gòu)件間距為20 mm。預(yù)制構(gòu)件在橋位處安裝，通過(guò)預(yù)埋套筒和螺栓與梁體連接，并在構(gòu)件與橋面之間灌注自充填聚合物砂漿。

(2)與傳統(tǒng)的預(yù)制遮板式橋面欄桿和聲屏障橋面安裝方式相比，采用邊墻方案的橋面布置能夠有效地節(jié)省混凝土和鋼筋用量。一孔40 m簡(jiǎn)支箱梁可節(jié)省混凝土用量41.9%～58.9%，節(jié)省鋼筋用量19.6%～31.3%。

(3)在設(shè)計(jì)荷載作用下，防護(hù)墻、邊墻和豎墻的強(qiáng)度和裂縫均能滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)通過(guò)基于ABAQUS的有限元數(shù)值模擬可知，考慮粘結(jié)作用時(shí)，防護(hù)墻極限承載力為218 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。