客运专线56 m预应力混凝土双线简支箱梁设计

张金芝

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

1 概述

哈大客运专线普兰店跨海特大桥为跨越普兰店海湾而设，位于客运专线正线，双线，速度目标值350 km/h、铺设无砟轨道地段。桥位处于既有沈大高速公路跨海湾大桥外海侧，与高速公路桥位平行。考虑该桥跨越深水主海沟及与既有沈大高速公路跨海湾桥尽量对孔，同时结合该桥处于高地震烈度、无砟轨道桥面、避免设置钢轨伸缩温度调节器等因素，主孔设计采用56 m预应力混凝土简支箱梁;考虑周边施工场地条件、建设工期、易于保证施工质量等因素，主孔56 m预应力混凝土简支箱梁设计采用预制节段法施工。

2 结构设计

2.1 箱梁构造

56 m简支箱梁为单箱单室截面，总长度57.1 m，梁高采用5.3 m，箱梁在梁端支点处设置2.0 m厚的端隔板。箱梁截面详见图1。

图1 箱梁截面(单位:mm)

箱梁分为11个预制梁段，两端梁段长2.6 m，中间梁段长5.1 m，湿接缝10道、缝宽0.6 m。中间标准梁段重1 631 kN，标准湿接缝重 192 kN，箱梁总重21 901 kN。

2.2 预应力钢束的布置

为满足造桥机连续施工的施工工艺特点，纵向预应力钢束布置采用在梁端开槽两端对称张拉腹板及底板钢束，待相邻孔梁施工完毕，浇筑封锚混凝土。采用对称布置纵向预应力钢束、梁端对称张拉的布束形式，可以大幅度地简化梁体的结构形式，避免在箱内设齿块，简化了施工工艺，便于保证梁体施工质量。预应力钢束布置详见图2。

图2 钢束布置(单位:mm)

根据施工工艺特点，预应力钢束采用分批张拉，以便合理选择造桥机移除时机，加快施工进度。

钢绞线采用7φ5 mm高强度、低松弛预应力钢绞线，标准强度为fpk=1 860 MPa。

3 施工过程结构分析计算

由于56 m主梁采用移动支架造桥机拼装施工，梁部预制节段的安装及线形控制是工程实施的关键工序，需要结合拼架设备的刚度、梁段尺寸、现浇湿接头施工工艺加强控制，来保证梁部的整体线形。同时梁部的线形控制对梁体的纵向预应力钢束的孔道线形、孔道的摩阻也有较大的影响，需要通过施工监测、监控动态调整设计，优化结构的线形控制及预应力钢束的张拉控制参数。

3.1 有限元模型的建立

采用有限元程序Midas/civil对56 m箱梁预制节段法施工全过程进行结构建模计算分析，将其简化为空间有限元模型，移动模架造桥机采用梁单元及桁架单元，箱梁各节段均采用梁单元。造桥机的导梁与主桁采用刚性连接，横联端部与主桁为铰接。1号梁块由于直接放置在墩顶，由节点一般支撑来模拟，其余各节段箱梁由提梁吊机安放在造桥机下托梁上后，各梁块由下托梁上的千斤顶支撑。由于千斤顶主要受压，当张拉预应力钢束达到一定束数时，梁体上挠，千斤顶脱离，故千斤顶模拟为只受压单元。

图3 空间计算整体模型示意

全部模型共有1 001个节点，2 038个单元。具体模型见图3、图4。通过有限元模型可以很好地模拟预制拼装施工的全过程，在充分考虑混凝土收缩徐变等因素的作用下，能够比较精确地计算箱梁线形及各控制截面应力的发展情况。

图4 箱梁模型示意

3.2 施工阶段划分

针对节段拼架箱梁实际施工过程，以及预应力束的张拉顺序(先自下向上张拉腹板束，最后张拉底板束)，进行施工计算仿真分析时总共划分了26个施工阶段，如表1所示。

表1 施工阶段划分

3.3 造桥机卸千斤顶时机的选择

如前所述，除1号块以外的其他各节段梁块由千斤顶支撑在造桥机的下托梁上。在张拉钢束之前，造桥机主桁及下托梁由于弹性变形均会产生一定的下挠。开始张拉后，由于预应力的作用，箱梁开始上拱，这时造桥机由于开始卸载也会向上回弹。如果造桥机移除过晚，预应力增大到一定程度而箱梁与造桥机又没有完全分离，在预应力和造桥机卸载产生的回复力的共同作用下，可能会导致箱梁顶板出现拉应力甚至开裂，从而影响整个梁体的安全。但如果造桥机卸除过早，即预应力束张拉过少就移除造桥机，会导致箱梁底板没有足够的压应力储备，从而在造桥机移除的一瞬间，箱梁会产生过大的下挠，也会影响梁体的安全。所以完全有必要对箱梁分批张拉过程中造桥机卸除的时机加以确定。

现将张拉12束与16束时箱梁挠度及控制截面的应力情况对比如下。

箱梁张拉N5，N11(12束)后变形(图5)及应力情况:通过计算，在预应力钢束张拉12束后，箱梁跨中挠度为-5.7 mm。跨中截面顶板应力为-3.74 MPa(压应力)，底板应力为-0.13 MPa(压应力)。

张拉完N6，N12(16束)后变形(图6)及应力情况:通过计算，在预应力钢束张拉16束后，箱梁跨中处挠度为0.08 mm，1/4截面处挠度最大为1.31 mm。跨中截面顶板应力为-3.45 MPa(压应力)，底板应力为-2.48 MPa(压应力)。

由以上对比可以看出，箱梁张拉12束后，箱梁跨中还处于下挠阶段，跨中截面底板的压应力非常小;张拉16束后，箱梁已经开始上挠，且跨中截面上下缘的压应力也比较大，预应力荷载已经足够支撑箱梁的自重，所以实际施工时选择在张拉16束钢束后移除造桥机。

图5 张拉12束后箱梁变形值

图6 张拉16束后箱梁变形值

3.4 施工阶段挠度计算

根据模型计算结果，得出张拉16束钢束、造桥机主桁卸千斤顶、全部钢束张拉完、3年收缩徐变等4个主要施工阶段的挠度值，各张拉阶段梁体变形对照情况如图7所示。3.5 施工阶段应力计算

图7 箱梁各主要施工阶段变形值

各主要施工阶段箱梁跨中截面的应力对照如图8所示。

图8 箱梁跨中截面各施工阶段应力对照

施工过程中箱梁承受压应力，箱梁顶板最大压应力为3.51 MPa，箱梁底板最大压应力为17.75 MPa，符合混凝土的抗压强度要求。

4 运营阶段结构分析计算

4.1 有限元模型的建立

建立平面杆系有限元模型，模拟运营阶段工况，计算各截面的内力、应力和变位。梁部沿纵向划分为32个单元，设计中考虑了温度荷载的影响，按照整体升温20℃，整体温降30℃，桥面板的温度变化采用5℃进行分析。二期恒载采用143 kN/m。

4.2 主要计算结果

4.2.1 强度计算结果(表3)

表3 强度计算结果

4.2.2 刚度计算结果(表4)

表4 刚度计算结果

5 结语

双线无砟轨道56 m大跨度预应力混凝土简支箱梁为国内、外铁路客运专线桥梁建设中首次采用。其整孔梁重在20 000 kN以上，结合桥位具体情况及建设工期，为保证施工质量，采用梁体分节段集中预制、利用移动拼架原位拼装浇筑湿接缝的施工工艺，较好地解决了超大质量的客运专线大跨度无砟轨道双线简支箱梁的施工难题。

预应力混凝土简支箱梁具有很好的整体竖向、横向及扭转刚度，能够很好地适应客运专线高速行车的舒适性、安全性要求以及铺设无砟轨道的技术条件要求;通过对箱梁变形和控制截面应力的理论计算以及现场施工监控、检测分析，验证了结构分析理论、边界条件的设置及设计参数取值的正确性，为确保桥梁施工过程和成桥结构安全提供了可靠的技术保证，同时也为同类桥梁的设计和施工提供了成功的经验。

［1]孙树礼.高速铁路桥梁设计与实践［M].北京:中国铁道出版社，2011.

［2]邓运清.客运专线简支箱梁综述［J].铁道工程学报，2005(1):11-12.

［3]赵文贵.移动支架造桥机在铁路客运专线中的应用［J].科学之友，2008(2):9-10.

［4]杜松.MZ3200型造桥机仿真分析和施工控制研究［D].北京:北京交通大学土木建筑工程学院，2008.

［5]杜国华.桥梁结构分析［M].上海:同济大学出版社，1994.

［6]TB 10621—2009，J 971—2009 高速铁路设计规范(试行)［S].

［7]TB 10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S].

［8]TB 10002.3—2005 铁路桥梁钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S].