寧高城際軌道交通二期工程預制箱梁設計
王存國
(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063)
摘要 介紹寧高城際軌道交通二期工程高架區(qū)間預制箱梁設計，針對全預應力、1／2鋼束過支點，以及預留箱梁檢修、動力特性、架設箱梁、靜載試驗等問題進行研究和探討。采用BSAS，MI-DAS，ANSYS建立有限元模型進行結構分析，各項性能指標均滿足要求，證實了該梁對不同的運架梁設備有較強的適應性，并且通過30 m預制箱梁靜載試驗，對荷載撓度曲線分析后表明，箱梁剛度和抗裂性滿足設計要求。
關鍵詞 城際軌道交通 預制箱梁架橋機撓度 靜載試驗
寧高城際軌道交通二期工程起于一期工程祿口新城南站，止于高淳縣城，全長52. 39 km。共有祿口新城南站、銅山站、石湫站、明覺站、高淳北站、高淳南站等6個車站、車輛段1處、停車場1處。正線區(qū)間共有7座特大橋，1座中橋，小橋涵24座，公跨鐵（框架）1座。明覺站(DK27+607)以北簡支梁橋梁部采用U形梁，明覺站以南簡支梁橋梁部采用箱梁。全線簡支箱梁近700孑L，適合大規(guī)模集中預制，故全線箱梁主要采用預制箱梁。
1設計原則
(1)武漢、昆明軌道交通工程等項目的研究結果表明，橋梁跨度與墩高比在2.5～3之間時最為經濟，寧高城際軌道交通二期工程大部分橋墩在10 m左右，因此，全線采用30 m跨度的橋梁為標準跨徑。
(2)根據規(guī)范及相關方面的要求，箱梁設計應滿足全預應力、1／2鋼索過支點、預留檢修條件3項要求。
(3)該項目在市郊，對景觀要求比較高，箱梁設計除滿足受力要求外，力求美觀簡潔。
(4)橋面寬度根據車輛、限界、通信、信號等的專業(yè)要求確定。線間距3.8 m對應標準橋面寬度為9.0 m，有接觸網立柱位置橋面采用局部加寬。
(5)由于該項目3個不同標段均采用預制箱梁，箱梁的設計盡可能地適應不同的運架梁設備。
2設計荷載
荷載以主力、主力十附加力、主十特進行組合，取最不利組合進行設計。橋梁設計時，僅考慮主力與一個方向（順橋向或橫橋向）的附加力相組合，特殊荷載不相互組合。
2.1二期恒載
二期恒載包含線路設備、接觸網立柱及基礎、預制擋板、隔聲屏障（按全線預留考慮）、電纜及其支架、橋面防水層和保護層等重量。雙線直線：106. 09 kN／m，雙線曲線：115. 17 kN/m。
2.2活載
列車長度，按4輛編組計算列車活載，列車軸重140 kN，由于該工程設計速度為120 km/h，其動力系數按不折減考慮，即采用1+V =1+6×a／(30+L)，L為橋梁跨度(m)。列車活載計算圖式見圖1。
2.3混凝土收縮和徐變的影響力
收縮、徐變影響計算辦法：按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》(TB10002. 3-2005)辦理。本設計二期恒載上橋時間按施加預加應力后90 d計算，鋪設無砟軌道在終張拉90 d后方可進行。
3主要工程材料
3.1混凝土
梁部采用C50混凝土，墩臺采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土。
3.2預應力鋼材
高強度低松弛鋼絞線，公稱直徑15. 24 mm，f。k=1 860 MPa，OVM錨具。
3.3鋼筋
鋼筋采用HRB400，HPB300。
4箱梁設計
4.1結構設計
該項目箱梁主要處于寧高新通道綠化帶中間，箱梁外形設計成線型流暢的大圓弧，與周圍環(huán)境較融合，高架區(qū)間橋梁橫斷面見圖2。區(qū)間30m跨度雙線簡支箱梁梁高為1.8 m，高跨比為1／16. 67，箱梁底部寬度4.1 m，腹板斜率1:2.7。梁頂板厚25 cm，支點處局部加厚至40 cm；底板厚25 cm，支點局部加厚至50 cm，跨中腹板厚28cm，支點腹板厚90 cm。每個支點設2個支座，預制梁支座中心線距梁端0. 43 m，支座橫向中心線距離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，橫截面為單箱單室，箱梁每端設置4個吊孔。箱梁橫截面構造見圖3。
考慮到預制箱梁過程中腹板及底板部分模板不動，僅調整翼緣板以方便預制。本線以右線為基準，曲線段簡支箱梁采用平分中矢法布置，腹板為直線，橋面曲線通過調整左右懸臂板來適應。
箱梁腹板鋼束采用15-型15.2，底板鋼束采用12-Q 15.2，兩端張拉，鋼束張拉分預張拉、初張拉、終張拉3個階段。梁體鋼束立面布置及橫截面分別見圖4、圖5，預應力含索量為44 kg／m3，鋼筋含量為230 kg/m3；常規(guī)公路簡支梁預應力含索量約30 kg/m3，鋼筋含量約為200 kg/m3，城際軌道交通主梁含索量、含筋量比同跨度公路梁分別約高40%，15%。
4.2運架梁方案設計
在支座中心縱向向跨中1倍梁高范圍為配筋加強的區(qū)域，在運架梁設備的設計中，盡可能地使架橋機支腿縱向位于配筋較強區(qū)域。使架橋機支腿橫向位于腹板中心線附近。
在標段A架橋機設計中巧妙地利用了30 m梁和25 m梁梁長5m的差值，使反力最大的支腿R3在以25，30 m梁為平臺架設時R3支腿距離梁端距離始終為2.5 m，見圖6所示。支腿位于運營荷載下主梁配筋加強區(qū)，不需額外加強配筋，施工荷載不控制主梁配筋，配筋滿足規(guī)范要求，梁體受力合理。
標段B架橋機R2支腿為荷載最大支腿，距離梁端2.2 m，見圖7所示，處于配筋加強區(qū)，P。，Pb支腿荷載最大值為17.5 kN，經簡算得知其不控制設計。
標段C架橋機設計中考慮了在滿足梁體受力的前提下，盡可能地利用原有設備，以減少成本，架梁示意圖見圖8。在架梁時R3支腿不在配筋加強區(qū)域，采用增加墊塊的方式使R3支腿荷載擴散。以25 m箱梁為操作平臺架梁時，后支腿落于離支點8.5 m處，為跨中截面，該處需設分配梁，支腿反力可減半，分配梁下設900 mm×900 mm墊塊。以30 m箱梁為操作平臺架梁時，后支腿落于離支點3.5 m處，為變化段截面，該處需設1400 mm×1 400 mm×400 mm墊塊。采取施加墊塊的方式后梁體配筋不需加強。
5主要計算結果
5.1 吊梁及運營階段分析
通過BSAS、橋梁博士軟件計算分析，箱梁在吊裝、運營、架梁階段的計算結果如下，見表1～表3。
由表1可知，箱梁在吊裝過程中下緣未出現拉應力，初張拉的預應力有效抵消了結構自重產生的效應，吊裝階段各項指標滿足規(guī)范要求。
由表2可知，箱梁在運營階段各項指標滿足規(guī)范要求。
5.2運架梁分析
標段A，B，C中，以30 m箱梁為操作平臺運架30 m箱梁控制工況下檢算結果見表3。
由表3計算結果可知，3個標段在架梁過程中箱梁各項受力指標滿足規(guī)范要求。
5.3 自振頻率計算
用midas軟件建立30 m預制簡支箱梁的動力分析模型，得知其橫向自振頻率為10. 96 Hz>55lL0'8 =3. 72 Hz，豎向自振頻率為3.32 Hz>23. 58L-0'592—3. 21 Hz，滿足規(guī)范要求。
5.4空間分析
預制簡支梁在吊裝、頂梁等過程中以及在架設完成后，其支承位置都集中在簡支梁梁端，梁端部受力情況復雜，有必要對這一部位進行受力狀況分析。用ANSYS建立30 m預制箱梁的空間有限元計算模型。各工況計算結果如下。
5. 4.1 吊梁工況分析
對預制架設簡支箱梁而言，箱梁在吊裝階段吊孔附近局部應力較集中，容易在施工荷載作用下產生受力裂紋，為減小吊裝過程中吊孔周圍的應力集中，在頂板下緣吊孔處墊以460 mm×380mm×40 mm的鋼墊板，通過空間分析可知，吊裝工況下頂板最大橫向應力值為6.7 MPa，應力云圖見圖9。根據分析可知，腹板吊點周圍需設置直徑8 mm的螺旋箍筋，以控制混凝土裂縫寬度。
5.4.2頂梁工況分析
雙線箱梁在進行架設作業(yè)和后期支座更換作業(yè)時，需要進行頂梁施工，箱梁頂梁位置位于支座內側，為保證過程中梁端底板、腹板受力，進行頂梁工況空間分析，根據分析結果可知，頂梁工況下梁端截面產生的底板最大橫向應力值2.9 MPa，其應力云圖見圖10。頂梁作業(yè)時應在千斤頂上加墊600 mm×600 mm×40 mm鋼板，頂梁過程應緩慢進行，防止因千斤頂受力不均造成梁體側翻或損壞。
6靜載試驗
根據車輛設計荷載類型和設計荷載參數，并結合預制箱梁結構形式、受力特點及現場條件，擬采用尺寸為8.0 m×0. 45 m×0.5 m重量為45 kN的混凝土標準塊在箱梁上部堆載，相應加載位置墊以枕木將荷載傳遞到箱梁，加載示意圖見圖11。
試驗荷載模擬跨中實際二期恒載彎矩10 638kN．m和最大活荷載彎矩（含沖擊）7 711 kN．m。加載等級用加載系數K表示，其值為加載試驗中梁體跨中承受的彎矩與設計彎矩之比。各加載等級跨中彎矩值見表4。
在K =1.2加載等級下持續(xù)荷載20 min，梁體下緣底面未發(fā)現受力裂縫，評定全預應力梁抗裂合格。
7結語
(1)箱梁采用大圓弧外形美觀，與橋墩外形呼應，腹板鋼束全部過支點有效減小支點附近主應力，梁端預留開孔為后期檢修提供了條件。
(2)目前高架區(qū)間A，B，C3個標段的預制箱梁已基本架設完畢，架設過程安全可靠，證實運架梁方案的設計是合理的，該預制箱梁對不同設備的適應性較強。
(3)通過簡支梁靜載試驗得知加載過程中梁體跨中及梁端均未出現裂縫，撓度與荷載基本呈線性關系，梁體處于線性狀態(tài)，剛度及抗裂性滿足設計要求。
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