京沈客专60 m+4×106 m+60 m预应力混凝土连续梁设计

薛杰

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300142）

京沈客专60 m+4×106 m+60 m预应力混凝土连续梁设计

薛杰

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300142）

京沈客运专线在北京市密云境内跨越潮白河，根据桥址处自然环境，设计采用60 m+4×106 m+60 m预应力混凝土连续梁型式跨越潮白河，梁部采用单箱单室直腹板变截面箱形梁，设置三向预应力体系。简要介绍60 m+4×106 m+60 m预应力混凝土连续梁的结构设计和施工方法，通过结构计算分析表明该桥设计合理，各项设计指标均满足规范要求，可为此类客运专线长联大跨连续梁设计提供参考。

客运专线；预应力混凝土连续梁；结构设计；计算分析

1 工程概况

新建北京至沈阳铁路客运专线，在北京市密云境内跨越潮白河，桥址处潮白河主槽宽约500 m，河道断面近似为梯形横断面，两侧均有防洪大堤，桥址处河道较为顺直。跨潮白河桥址区地处怀柔、密云交界附近，属于山前平原区，为冲洪积平原，地形较平坦，潮白河自桥址区往北逐渐进入山区。

桥址区域地震基本烈度为Ⅷ度，动峰值加速度0.20 g，场地土类别为Ⅱ类，土壤最大冻结深度为0.80 m。根据地质钻孔及勘探资料显示，桥址区地质主要为黏土、粉土、粗圆砾土、卵石土。桥址处潮白河设计流量2 915 m/s，主桥线位位于直线上。为减小铁路桥梁对河道行洪的影响，设计结合线路平纵断面、地形地貌、水文及防洪等多方面条件，采用60 m+4×106 m+60 m预应力混凝土连续梁型式跨越潮白河主槽及边滩，分别采用1联60 m+ 100 m+60 m连续梁跨越潮白河两侧大堤。

60 m+4×106 m+60 m预应力混凝土连续梁，桥梁立面布置见图1。

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

2 主要技术标准及设计荷载

2.1 主要技术标准

（1）设计标准：客运专线；

（2）设计速度目标值：该区段设计速度目标值为300 km/h；

（3）正线数目：双线；

（4）轨道形式：CRTSⅢ型板式无砟轨道；

（5）设计活载：ZK活载。

2.2 设计荷载

（1）恒载

恒载主要包含结构自重、二期恒载、收缩徐变及基础不均匀沉降。其中二期恒载主要包括钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆垫层、混凝土基座等线路设备重以及防水层、保护层、人行道栏杆、防护墙、电缆槽盖板及竖墙等重量。相临墩台不均匀沉降按15 mm考虑，并按照最不利情况进行荷载组合。

（2）活载

活载主要包括列车荷载、横向摇摆力、人行道活载。主梁纵向计算时采用ZK标准活载，横向计算时采用ZK特种活载。

（3）附加力

附加力主要包括风力、温度荷载。其中风力按《铁路桥涵设计基本规范》（TBl0002.1-2005）第4.4.1 条计算。温度荷载按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TBl0002.3-2005）计算，施工合龙温度按照5℃～15℃考虑，梁体按均匀升温25℃、降温25℃计算。非线性温度变化，按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》附录B考虑。

（4）特殊荷载

特殊荷载主要包括地震力荷载及列车脱轨荷载作用。

（5）施工荷载

施工挂篮、机具及人群等按800 kN计算，挂篮前支点距离梁端0.5 m；合龙段悬吊支架及模板重按400 kN考虑。

荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合，并取最不利的组合进行梁部设计，同时考虑对特殊荷载进行检算。

3 结构设计

3.1 主梁构造

本桥为60 m+4×106 m+60 m预应力混凝土连续梁，主梁梁全长545.4 m，中支点处梁高7.85 m，跨中16 m直线段及边跨15.70 m直线段梁高为4.85 m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端为0.85 m。

主梁截面采用单箱单室、变高度、变截面直腹板形式。箱梁顶宽12.6 m，底宽6.7 m。顶板厚度除梁端附近外均为400 mm；腹板厚600～1 000 mm，按折线变化；底板厚由跨中的400 mm线性变化至根部的1 200 mm。全联在端支点、中跨中及中支点处共设置11个横隔板。隔板厚度：边支座处1.45 m，中跨中0.8 m，中支点处2.4 m。横隔板设有孔洞，供检查人员通过。箱梁两侧腹板与顶底板相交处外侧均采用圆弧倒角过渡，在中支点处两侧一定范围内考虑对箱梁底宽每侧加宽80 cm，在边支点处两侧一定范围内考虑对箱梁底宽每侧加宽30 cm，主梁横截面见图2。

图2 主梁半支点、半跨中截面图（单位：cm）

3.2 主梁预应力体系

主梁采用C55混凝土，设置三向预应力体系。

箱梁纵向预应力钢束采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线，管道形成采用金属波纹管成孔，张拉采用与之配套的机具设备。箱梁顶板采用 17-7Φ5钢绞线，箱梁腹板采用17-7Φ5钢绞线，箱梁边跨及中跨底板均采用19-7Φ5钢绞线。

箱梁横向预应力钢束采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线，箱梁顶板采用4-7Φ5钢绞线。管道形成采用扁形金属波纹管，锚固体系采用扁形锚具，在箱梁两侧交替单端张拉。箱梁竖向预应力钢筋采用Φ25 mm预应力混凝土用螺纹钢筋，抗拉强度标准值为830MPa，管道形成采用铁皮管成孔。中支点附近的外侧腹板布置2根竖向预应力筋，其它部位的外侧腹板布置1根竖向预应力筋。

3.3 桥墩及支座

本桥桥墩均采用双线圆端型桥墩，基础采用钻孔灌注桩型式。

本桥位于高烈度震区，且连续梁联长较长，桥墩墩底尤其是固定墩的地震力非常大，为优化下部结构设计，减小地震力荷载效用，因此本桥设计采用了减隔振支座。本桥共设置14个支座，边支点采用8 000 kN的减隔振支座，中支点采用45 000 kN的减隔振支座。支座布置示意见图3。

图3 支座布置示意图（单位：mm）

3.4 梁端大位移伸缩装置

为满足无缝线路轨道铺设条件，需在60 m+ 4×106 m+60 m连续梁梁端设置大位移伸缩装置。大位移梁端伸缩装置由固定钢枕、活动钢枕、固定端支承架、活动端支承架、托梁、枕下垫板、扣件、连杆和防水橡胶条等组成。

4 结构计算分析

4.1 主梁纵向计算

结构纵向静力分析采用平面有限元程序，按照实际的施工顺序，将本梁划分为198个单元，建立平面杆系有限元模型，对结构在施工阶段、运营阶段进行强度、抗裂性计算。

计算时考虑的荷载包括：自重、预应力、收缩徐变、支座不均匀沉降、活载、温度力等，并考虑施工阶段的体系转换、预应力损失的影响。按照主力、主力+附加力进行组合，取最不利荷载组合进行设计。

4.1.1 主梁刚度控制指标

（1）梁体由于列车静活载所引起的竖向挠度，边跨12.8 mm（向下），为计算跨度的1/4 688，中跨55.6 mm（向下），为计算跨度的1/1 906。

（2）ZK活载静力作用下梁端竖向折角为0.795‰，小于1‰。

（3）本设计二期恒载上桥时间按60 d计算，考虑收缩徐变的影响后，理论计算边跨残余徐变拱度值为0.39 mm，次中跨残余徐变拱度值为4.60 mm，中跨残余徐变拱度值为8.90 mm。为保证线路的平顺性，梁部应按照恒载+1/2静活载挠度值反向设置预拱度。施工中反拱的设置根据具体情况，充分考虑收缩徐变的影响以及二期恒载上桥时间确定。

由上述主梁刚度计算结果可知，梁体桥跨结构刚度较大，满足高速铁路对行车安全以及舒适性的要求。主梁徐变上拱值较小，满足高速规范要求。

4.1.2 主梁结构静力计算

主梁的结构静力结果，见表1。

表1 主梁结构静力计算结果

由表1可知，主梁结构静力计算结果，均能满足相关规范要求，且有一定的安全储备。

4.1.3 主梁支座纵向预偏量

支座纵向预偏量指支座上板纵向偏离理论中心线的位置。设Δ1为箱梁在预应力、二期恒载及收缩徐变作用下引起的各支点处的偏移量，Δ2为各支点处梁体由于实际合龙温度与设计合龙温度（5°～15°）之间的温差引起的偏移量，各支座处的纵向预偏量由式Δ=-（Δ1+Δ2）求得，式中负号表示按计算所得的偏移量反方向设置预偏量。施工过程中应根据具体的合龙温度、预应力情况、施工工期等确定合理的支座预偏量。支点位移量表，见表2。

表2 支座位移表

（1）主梁支反力

主梁支点反力表，见表3。

表3 主梁支反力表

4.2 箱梁横向计算

箱梁横向计算，选取具有代表性的墩顶和跨中梁段，按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）第4.3.9条，简化为支承在主梁腹板中心线下缘的箱形框架计算。荷载包括：结构自重、桥面系恒载、横向预应力、列车活载、动力系数、人行道活载、温度荷载等。其中，列车活载按ZK特种活载，考虑纵向、横向分布宽度；温度荷载分日照和寒潮两种情况考虑。

5 施工方法

主梁施工采用挂篮悬臂浇筑施工，按照分阶段合龙的施工方法，先悬臂施工形成多个“T”构，并搭设支架现浇边跨现浇段，最后按照先合龙边跨、中跨，最后合龙次中跨的合龙顺序完成主梁施工，形成整体连续结构。具体施工步骤如下：

步骤Ⅰ：一、1～7号墩身施工完毕至墩顶，在2～6号墩旁施工临时膺架和拼装墩顶托架并预压。安装各中墩 永久支座（但不承受主要荷载），立模浇筑0号块。将各0号块分别与2～6号墩临时固结。二、张拉并锚固本节段纵向预应力束及横向、竖向预应力筋。三、拆除墩旁托架，在各0号块两侧对称安装挂篮，并进行预压。

步骤Ⅱ：以2～6号中墩为中心，对称移动挂篮依次悬臂灌筑1～14、1'～14'节段，并相应张拉并锚固各节段对应的纵向顶板、腹板预应力束及横向、竖向预应力筋。

步骤Ⅲ：在1号墩、7号墩旁搭设边跨现浇支架，支架应有足够的刚度、强度及稳定性，并进行预压。安装边墩永久支座，并施加纵向水平临时约束，浇筑边跨现浇段16。

步骤Ⅳ：一、拆除挂篮，安装边跨及中跨跨中合龙段的临时刚性连接构造，张拉临时边跨以及中跨纵向合龙钢束。拆除边墩水平临时约束，安装悬吊支架现浇边跨合龙段15、中跨跨中合龙段15'。二、拆除2～6号中墩临时固结措施，启动2～6号中墩永久支座，并将2～6号中墩活动支座的纵向约束临时锁定。三、按顺序张拉并锚固边跨、中跨纵向预应力束及横向、竖向预应力。四、拆除1号、7号墩旁支架、边跨及中跨跨中合龙段悬吊支架及临时刚性连接构造。

步骤Ⅴ：一、安装次中跨跨中合龙段临时刚性连接构造，临时张拉纵向合龙钢束。二、安装悬吊支架现浇次中跨跨中合龙段15'。三、解除2～6号中墩活动支座的锁定。四、按顺序张拉并锚固次中跨纵向预应力束及及横向、竖向预应力。五、拆除2～6号中墩旁临时膺架、次中跨跨中合龙段悬吊支架及临时刚性连接构造。

步骤Ⅵ：一、进行桥面铺设等工作。二、整理场地，完成主梁施工。

6 结语

预应力混凝土连续梁桥，具有整体性好、刚度大、强度及抗裂性好等优点，有利于高速行车，作为大跨度桥梁结构的主要桥型之一，在高速铁路中被广泛应用。本桥各项指标均满足设计要求，具有良好的静力、动力性能，为今后高速铁路“大跨、长联”连续梁设计提供了一定的参考借鉴作用。

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U448.21+5

B

1009-7716（2017）04-0063-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.019

2017-02-09

薛杰（1984-），男，河北衡水人，工程师，从事铁路桥梁设计工作。