兰新铁路第二双线风区段落简支箱梁设计

2012-01-24陈海涛

铁道标准设计 2012年6期

陈海涛

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

兰新铁路第二双线是我国《中长期铁路网规划》的重点项目之一,该线东起兰州,西至乌鲁木齐,横跨新疆、甘肃、青海三省区,正线全长1 776 km。沿线分布有安西风区、烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区等五大风区,总长580 km,占线路总长的33%。风区段落内风速高,极大风速超过60 m/s；风期长,局部地段大于8级风的天数超过200 d,且严重干旱缺水,是目前铁路建设中受大风影响范围最大、程度最严重的铁路之一。

根据既有兰新铁路的运营经验,大风对铁路运营有较大的危害,具有较强的破坏性。因此在新建兰新铁路第二双线简支箱梁设计中,必须考虑采取保障性更强的抗风措施,对列车运营和线上工程进行防护。

2 主要设计要点

2.1 总体设计原则

兰新铁路第二双线风区段落简支箱梁的总体设计原则：保持全线简支箱梁外形统一,在利用非风区段落简支箱梁施工设备及模板的基础上,考虑增设桥梁抗风措施等构造需要,从桥面布置、箱梁承载受力、倾覆、接触网基础设置、支座选型、环境类别等多方面进行适应性设计。

2.2 防风措施

为保证列车运营和线上工程安全,根据风区段落风向基本固定的特点,在风区箱梁迎风侧单侧设置高为4 m的挡风屏,挡风屏立柱采用H钢沿桥梁纵向设骨架,骨架上铺设波形钢板作为挡风板。挡风屏立柱纵向间距为2 m,为减轻立柱作用力对箱梁悬臂影响,挡风屏立柱采用与箱梁两点连接方式,通过梁体预埋件分别与箱梁翼缘板外缘和箱梁腹板的下部进行连接,在箱梁翼缘处设置水平连接,在立柱与腹板连接的部位设置铰连接,以释放该处的弯矩,具体构造见图1、图2。

图2 挡风结构立柱与梁体的连接

2.3 桥面布置

风区段落简支箱梁桥面迎风侧安装挡风结构立柱,取消单侧翼缘板遮板设置,为了适应风区段落风荷载作用,对接触网支柱基础进行加强设计,支柱基础尺寸1 260 mm×770 mm(顺线路×垂直线路),基础范围电力槽局部宽度为180 mm,桥面布置见图3。

图3 桥面布置示意(单位：mm)

2.4 纵向计算

根据箱梁总体设计原则,设计中保持风区段落简支箱梁纵向预应力筋布置方式和梁端锚穴构造与非风区段落箱梁一致,根据风区段落桥上二期恒载的具体数值,对每束预应力钢绞线的根数进行调整。

桥面挡风结构重力按7.6 kN/m 计算,风区段落简支箱梁采用二期恒载为142 kN/m。为方便施工,将直、曲线合并设计。计算中充分考虑了风区段落空气干燥、年平均相对湿度较低的影响,对箱梁的结构计算进行了综合分析。主要设计指标见表1。

表1 主要设计指标

2.5 横向计算

风区段落简支箱梁单侧设置挡风屏,挡风屏主要承受风荷载和列车气动力的作用,通过挡风屏立柱将荷载传递给梁体,单侧4 m高防风屏作用于箱梁的外力及荷载组合见表2。

箱梁横向框架计算采用midas/civil 2010程序建立模型,挡风屏立柱与梁体腹板的连接按铰接设置；梁体翼缘板与立柱通过预埋套筒和锚栓连接,属于半刚性连接,设计过程中,按铰接和刚性连接2种情况分别计算,计算结果见图4、图5。

表2 挡风屏作用于箱梁外力

图4 箱梁横向内力包络图(立柱与翼缘板铰接)

图5 箱梁横向内力包络图(立柱与翼缘板刚接)

从图4、图5可以看出,2种连接方式对与立柱连接的箱梁翼缘板和腹板的受力影响较大,箱梁其余部分受力变化很小。根据计算得到的内力包络值并综合考虑箱梁抗扭承载力,对箱梁结构进行横向配筋设计,箱梁主要部位钢筋配置见表3。

表3 箱梁横向普通钢筋的配置 mm

和非风区段落简支箱梁相比,风区段落箱梁在腹板和翼缘板的横向普通钢筋配置上均有所加强。

2.6 倾覆检算

由于挡风屏较高,作用于梁体的横桥向力也很大,同时考虑列车气动力、离心力和摇摆力等横向荷载的作用,需对桥梁结构进行倾覆稳定性的检算,计算公式如下

式中Md——结构抗倾覆力矩,由结构重力荷载及列车竖向荷载对倾覆支点取矩求得；

Mq——结构倾覆力矩,由作用在挡风屏上的风荷载和曲线梁上的列车离心力、摇摆力等横向荷载共同对倾覆支点取矩求得。

综合分析计算,结构倾覆稳定系数为6.03,满足规范的要求。

2.7 接触网支柱基础设置

风区段落接触网支柱设置和非风区段落相比,其对桥面板荷载增大较多,共分中间柱、转换柱和下锚柱3种形式,接触网支柱基础对桥面板作用的荷载见表4。

表4 接触网支柱外荷载

为了满足支柱基础处桥面板的受力,中间柱基础翼缘板可通过加强桥面板配筋实现；对于中间柱和下锚柱由于作用荷载较大,通过增加局部配筋的方式无法满足受力要求,采用桥面翼缘板局部加厚处理构造,在接触网支柱基础中心两侧0.9 m(顺桥向)范围内对桥面翼缘板下部进行局部加厚,具体构造见图6,加厚部分与梁体混凝土一同灌筑。

图6 转换柱和下锚柱处箱梁翼缘板局部加厚示意(单位：mm)

2.8 支座选型

风区段落简支箱梁挡风屏承受较大侧向力,将引起箱梁被风侧支座反力增加,为保证箱梁支座竖向承载力,支座吨位较非风区段落箱梁提高,32 m简支箱梁采用6 000 kN型号；同时也由于侧向风影响,作用于支座的水平荷载将大大增加,为满足支座螺栓抗剪要求,风区段落简支箱梁设计采用2个固定支座和2个纵向活动支座设置,对于地震动峰值Ag<0.2g地区桥梁,支座地震动峰值仍按照Ag=0.2g选取。支座具体布置见图7。

图7 支座布置示意(单位：mm)

2.9 耐久性措施

风区段落的环境类别为磨蚀环境,作用等级为M2,需考虑由环境作用引起材料性能劣化对结构耐久性带来的影响。为了提高梁体混凝土结构的耐久性能,设计构造上加大了普通钢筋的混凝土保护层厚度,根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB10005—2010)要求,风区简支箱梁钢筋保护层厚度采用40 mm设计。

3 施工工艺要求

在风区段落简支箱梁的制造过程中,应注意以下事项。

(1)兰新铁路第二双线沿线严重干旱少水、空气干燥,年平均相对湿度较低,季节和昼夜温差较大,再加上环境磨蚀等级均较高,因此对混凝土的强度和耐久性要求较高。施工过程中,混凝土选用的原材料应有供应商提供的出厂检验合格证书,并按有关检验项目、批次规定,严格实施进场检验,对水泥、粗、细骨料、外加剂、掺和料以及各种配件、附属设施材料等均应满足相关规范的规定。同时,针对沿线原材料的特点,对混凝土的配合比设计进行优化。

(2)采用与梁体混凝土同等寿命、同等强度的混凝土保护层垫块,垫块厚度为40 mm。

(3)混凝土灌筑过程中应对结构进行防护,特别注意加强防风措施,混凝土灌筑完后,混凝土表面还应做多次赶压抹平,保证桥面线形良好,并应及时覆盖。

(4)在梁的生产及养护过程中,应特别注意环境湿度、温度及风力的影响,采取切实可靠措施加以保证,养护时间应结合具体养护措施及环境条件确定。

(5)现浇法施工的简支箱梁由于相邻梁预应力钢束张拉空间的需要,封端混凝土体积较大。为加强后灌部分混凝土的耐久性,在梁端底板及腹板新旧混凝土结合处涂抹聚氨酯防水涂料。同时,应注意根据环境湿度、温度及风力作用的影响,采取措施加强对封端混凝土的养护。

(6)由于风区环境湿度较低、温差较大,箱梁混凝土在早期容易出现干燥收缩和温度收缩裂纹,所以及时对风区箱梁进行预张拉显得尤为重要。此外,拆除模板时应加强对混凝土强度和温度的控制,大风或气温急剧变化时不宜拆模。

(7)梁体翼缘板在接触网支柱转换柱和下锚柱处向下局部加厚,张拉预应力钢束时应注意采取措施避免加厚部分的模板阻碍梁体的变形。

(8)为保证结构耐久性,应结合桥梁所处风区环境,对桥梁结构外露部分及挡风结构进行相应的防腐处理。

(9)考虑到箱梁工作环境气候条件恶劣,铁路沿线风沙大,温差大的自然状况,为了减少支座维护的工作量,风区段落采用符合设计要求的球型钢支座。