珠三角城际轨道交通简支箱梁设计

2012-11-27侯建军邓运清

铁道标准设计 2012年4期

侯建军，邓运清

(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

根据《珠江三角洲地区城际轨道规划》，为促进珠江三角洲地区区域经济一体化战略的实施、完善综合交通体系、适应城际客流快速增长的需要，形成以广州、深圳、珠海为主要枢纽，覆盖区域内主要城镇，便捷、快速、安全、高效的城际轨道交通网络。珠江三角洲地区城际轨道网速度目标值为140～200 km/h，且以200 km/h为主，城际轨道交通网的建成实现城际与城市轨道交通网的资源共享，使珠三角城际轨道交通建设走上集约化、一体化、资源节约、环境友好的可持续发展道路。

为满足前期开工建设的穗莞深、莞惠、佛肇3条城际轨道交通的建设，开展了珠江三角洲城际轨道交通桥梁设计，根据城际轨道交通中景观的需求，桥梁形式采用流线形箱梁，其简支箱梁分为双线箱梁、单线箱梁和组合箱梁3种形式，以适应轨道交通线路线间距的变化。

2 主要技术标准

(1)速度目标值:200 km/h

(2)标准段正线线间距:4.4 m

(3)轨道结构型式:CRTSⅠ型双块式无砟轨道

(4)设计活载:采用ZC荷载，即0.6UIC活载，见图1。

图1 ZC(0.6UIC)活载图示(单位:m)

3 桥面宽度及布置

桥面宽度由线间距、建筑限界、作业疏散通道、接触网支柱位置、防护墙、风压带等因素确定，其中控制因素是接触网支柱位置及作业疏散通道宽度。根据城际轨道交通标准线间距为4.4 m、接触网柱距线路中心线3.0 m，以及电力、通信、信号、FAS、BAS等布置空间要求，桥面宽度取值参考客运专线铁路现行标准，双线箱梁为11.6 m，直、曲线梁桥面同宽，同时考虑到城际轨道交通景观需要，双线箱梁桥面排水采用中间集中排水方式，桥面坡度设置2%的V字坡，桥面布置详见图2。

图2 双线箱梁桥面布置(单位:mm)

考虑个别岔区线间距增大需要，双线箱梁设计兼顾线间距4.6m布置要求，通过调整防护墙和竖墙位置以满足桥面布置需要，桥面布置详见图3。

图3 双线箱梁桥面布置(适用线间距4.6 m)(单位:mm)

对于单线箱梁而言，桥面宽度采用7.2 m，桥面设置2%的单侧排水坡，为保证桥梁线间距变化时，桥面线形与双线箱梁一致，桥梁接触网支柱设置于线路外侧，桥面不对称布置，桥面布置详见图4。

双线箱梁线间距适用范围为4.4～4.6 m，分离式单线箱梁为保证桥梁两侧附属的安装，线间距最小不得小于7.6 m，对于分线区段桥梁，即线间距4.6～7.6 m时，采用组合箱梁结构形式，通过调整预制单片箱梁内悬臂长度和连接桥面湿接缝宽度满足线间距变化，桥面布置详见图5。

图4 分离式单线箱梁桥面布置(单位:mm)

图5 组合箱梁桥面布置(单位:mm)

4 截面参数选定

4.1 顶板厚度

结合线路特点，同时满足桥梁景观需求，桥梁排水采用中间排水方式，同时考虑到顶板跨中正弯距和温度应力的影响，双线箱梁跨中顶板最小厚度采用280 mm，单线箱梁和组合箱梁跨中顶板最小厚度采用220 mm。

4.2 底板厚度

在满足预应力管道构造要求前提下，结合单线荷载作用下底板受力分析，双向箱梁设计底板厚度采用280 mm，单线箱梁和组合箱梁设计底板厚度采用270 mm。

4.3 腹板厚度

箱梁的腹板在构造上不仅要保证梁体的抗弯、抗剪强度要求，同时又要提供足够的抗扭刚度;在结构满足设计要求时，又要保证预应力管道有足够的保护层，以避免管道的纵向裂缝，同时尽可能考虑施工的方便。双向箱梁腹板采用双排管道布置，设计厚度为400 mm;单线箱梁和组合箱梁腹板采用单排管道布置，设计厚度为300 mm。

4.4 腹板斜率

斜腹板方案外形美观、脱模方便。同时适当增大腹板坡度，不仅可减少箱梁混凝土用量，还可以有效减小墩台横向宽度，也可有效避免运梁车与架桥机支腿的干扰。同时斜率太大存在腹板预应力束由于径向力作用导致腹板开裂的风险。时速350 km客运专线整孔双线箱梁腹板的斜度为1∶4;时速250 km的城际铁路整孔双线箱梁的腹板斜度为1∶3.5。综合考虑景观好、技术成熟可靠、预应力等因素，双线箱梁设计腹板斜率为1∶3.5。单线箱梁和组合箱梁考虑到各种工况下梁体自身倾覆稳定，腹板斜率不宜太大，设计腹板斜率采用1∶5设计。

4.5 外形倒角形式和半径

考虑城际轨道交通桥梁景观要求高，箱梁外形截面线形转折处均增加弧形倒角，尤其是腹板与上翼缘转折处采用大圆弧倒角，使所采用箱梁在斜腹板方案的基础上，增添更好的景观效果。随着悬臂外侧圆弧半径增大，箱梁外形流线越顺畅，景观效果越好，但箱梁混凝土数量逐渐增加。综合景观效果、箱梁高宽比例、经济性及施工工艺等方面因素，双线箱梁外侧倒角圆弧采用R=1 800 mm，单线箱梁和组合箱梁外侧倒角圆弧采用R=750 mm。

4.6 梁高

在满足静力指标、动力指标及相关构造要求的基础上进行梁高选取。通过对不同梁高的对比分析，并类比我国同类型城际铁路箱梁梁高，具体见表1、图6～图7。

表1 城际铁路(0.6UIC活载)双线箱梁梁高对比m

图6 成灌铁路箱梁跨中截面(单位:mm)

图7 广珠城际铁路箱梁跨中截面(单位:mm)

同时梁高选取要考虑到桥梁结构便于检查，施工方便等因素，箱梁内净空高不宜小于1.6 m。综合比选，箱梁设计梁高采用2.2 m，3种类型箱梁采用等高设计。

4.7 截面形式

根据上述设计参数，确定莞惠、穗莞深、佛肇城际轨道交通常用跨度简支箱梁跨中截面见图8、图9。

图8 双线箱梁跨中截面(单位:mm)

图9 单线箱梁跨中截面(单位:mm)

当线间距为4.6～7.6 m变化区段时，采用组合箱梁实现从双线整孔箱梁到分离式单线箱梁的过渡，组合箱梁中每片箱梁的截面形式基本保持与单线箱梁一致，根据线间距不同，进行内侧翼缘板切除，再结合单片箱梁自身偏心及连接后单线荷载对桥面连接板受力分析，组合箱梁分3种截面形式，见图10～图12。

图10 组合箱梁截面(线间距4.6～5.7 m)(单位:mm)

图11 组合箱梁截面(线间距5.7～6.7 m)(单位:mm)

图12 组合箱梁截面(线间距6.7～7.6 m)(单位:mm)

当线间距为4.6～6.7 m时，单片箱梁重心偏移箱梁中心线较大，为保证预施应力阶段箱梁不发生斜弯曲，符合常规平截面假定计算，箱梁外侧翼缘板设置纵向间距2 m的横向断缝，运营阶段2片箱梁通过现浇桥面板湿接缝和端隔墙整体受力;当线间距为6.7～7.6 m时，单片箱梁重心偏移箱梁中心线较小，箱梁外侧翼缘板不再设置横向断缝，通过对运营阶段受力分析，单线荷载作用下采用整体桥面时桥面湿接缝横向受力较不利，故采取分离式单箱梁截面形式，2片箱梁不再进行桥面板和端隔板的连接。

5 主要计算结果

5.1 平面计算分析

城际轨道交通桥梁常用跨径分为30 m和25 m 2种，对于双线整孔箱梁，按照预制架设和现浇施工2种施工方法分别考虑，对于用量较小的组合箱梁和单线箱梁仅按照现浇施工设计，通过平面计算分析，3种形式箱梁各项主要控制指标均满足规范要求，其中标准跨径30 m箱梁计算结果见表2。

表2 标准跨径30 m箱梁计算结果汇总

5.2 空间分析

(1)吊梁工况分析:对于预制架设简支箱梁，箱梁在吊装阶段吊孔附近局部应力较集中，容易在施工荷载作用下产生受力裂纹，为减小吊装过程中顶板与腹板相交范围的应力集中，在构造上箱梁腹板内侧增设500 mm竖段，通过ANSYS建立空间模型分析，吊装工况下腹板内侧竖向最大名义应力为5.3 MPa，见图13。根据分析结果:腹板吊点3.0 m范围内设置双肢φ25 mm螺纹钢筋，控制混凝土裂缝宽度。

图13 吊梁工况腹板竖向应力图示

(2)顶梁工况分析:双线箱梁在进行架设作业和后期支座更换作业时，需要进行顶梁施工，箱梁顶梁位置位于支座内侧，千斤顶横向中心距不小于2.6 m，纵向距梁端距离为0.75 m。为保证过程中梁端底板、腹板受力，进行顶梁工况空间分析。根据分析结果:顶梁工况下梁端截面产生的横向应力较小，最大名义应力出现在顶板下缘跨中，应力值为1.3 MPa，见图14。

图14 顶梁工况横向应力图示

顶梁作业时应在千斤顶上加垫600 mm×600 mm×40 mm钢板，顶梁过程应缓慢进行，防止因千斤顶受力不均造成梁体侧翻或损坏。

6 特殊设计

6.1 小曲线半径区段箱梁设计

城际轨道交通和客运专线相比，桥梁需要适用的平曲线半径更小，线路最小曲线半径为500 m，简支箱梁按照平分中矢原则布置，桥梁外侧梁缝隙增大，一方面伸缩缝难以安装，另一方面将无法满足无砟轨道铺设要求。为满足上述要求，同时考虑景观需要，箱梁制造时采用旋转端模的方式对梁端的长度进行调整，使梁端呈一楔形，以此调整梁缝的宽度，具体见图15。