高速铁路桥梁新型整体预制拼装桥面系结构设计

2020-02-22于广志陈进杰荣学亮

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2020年4期

杨斌，尹京，于广志，陈进杰，荣学亮

(1.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心, 北京 100844；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所,北京 100081；3.雄安高速铁路有限公司，河北保定 071700；4.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043)

0 引言

预制装配式桥梁是指用事先预制好的构件在工地现场进行拼装而成的桥梁结构，与传统的现场浇筑施工方法相比，装配式桥梁具有加快施工速度、减少现场污染、提高施工质量等优点，符合我国大力发展绿色桥梁的建设理念[1]。预制拼装式桥梁起源于法国，20世纪40年代，工程师弗莱西涅最先在几座预应力混凝土箱梁上部结构的施工中采用了此项技术，此后几十年在欧美等发达国家得到了推广和应用[2-4]。我国预制装配式桥梁的研究和应用起步稍晚，但发展迅速，尤其近十年来，随着国内劳动力成本的上升，现代工业设备水平不断提升，文明施工要求日益提高，预制装配式桥梁的技术优势愈发突出，得到了越来越广泛的推广和应用[5-8]。

上部结构(主梁)的装配式技术起步最早，发展时间最长，目前已经比较成熟，常见的施工方法有悬臂拼装法、逐孔拼装法、整孔架设法等[9-11]。下部结构的装配式技术随着对连接方式、抗震性能等关键问题的系统深入研究，在城市市政桥梁、跨海大桥、城市轨道交通等领域开始大规模采用，设计规范、施工标准和质量验收规程等相关规范体系在不断完善[12]。桥面系的装配式技术仅对防撞护栏的研究较多，目前仅在公路桥梁中得到应用[13]。铁路桥梁的桥面系结构形式复杂，包含了防护墙、电缆槽底板、竖墙、遮板、栏杆和声屏障等构造。从国内既有铁路建设情况来看，未见装配式桥面系的应用。

桥梁上部和下部主体结构实现全预制化生产后，桥面附属设施生产成为制约工程进度和提高生产效率的关键因素。为了满足我国绿色铁路的发展需求，进一步提高铁路建设工业化建造水平，真正实现桥梁上部结构、下部结构和桥面附属设施全预制装配式施工，亟需开展铁路桥梁桥面系装预制拼装技术的系统研究。基于上述背景，结合京雄铁路固霸特大桥建设工程，提出一种适用于高速铁路桥梁的整体装配式桥面系技术，并对这种新型装配式桥面系的结构构造、连接设置和关键部位的受力性能进行了系统的研究。研究成果应用于京雄铁路桥梁建设中，系国内首次采用整体装配式桥面系建造技术，研究成果有助于推动我国高速铁路装配式一体化技术的应用和发展，可供桥梁工程人员参考。

1 结构尺寸拟定

1.1 桥面布置

高速铁路简支箱梁一般采用整体式桥面布置方案，接触网立柱设置在桥面上。桥面布置方式具有以下几项基本特征：

(1)桥面宽度。时速350 km高速铁路有砟、无砟简支箱梁桥面宽12.6 m，线间距5.0 m；时速250 km高速铁路有砟、无砟简支箱梁桥面宽12.2 m，线间距4.6 m。

(2)无砟轨道防护墙内侧距离线路中心线为2.0 m。有砟轨道挡砟墙内侧距离线路中心线为2.2 m。挡砟墙(防护墙)顶面标高与轨顶面等高。

(3)电力电缆槽和通信信号电缆合槽放置在挡砟墙(防护墙)的外侧。

(4)桥面翼缘设置栏杆或声屏障。

1.2 栏杆和声屏障的安装方式设计

我国现行的高速铁路箱梁均使用遮板构造安装栏杆及声屏障，如图1(a)所示。近年来，通过对桥面布置方式的细部设计，提出了采用边墙的结构形式安装栏杆和声屏障，如图1(b)所示，同样以350 km/h高速铁路为例，栏杆边墙的根部宽250 mm，高412 mm，栏杆通过预埋螺栓安装在边墙顶面。声屏障边墙的根部宽250 mm，高550 mm。声屏障立柱位置设置加厚平台，横桥向550 mm，纵桥向500 mm，声屏障通过预埋螺栓安装在加厚平台顶面。

图1 高速铁路桥面栏杆不同安装方式(单位：mm)

采用边墙结构形式安装栏杆和声屏障，可减小桥面宽度，节省钢筋和混凝土用量，表1中给出了高速铁路40 m简支箱梁不同桥面设置的工程量。通过表1可以看出，一孔40 m简支箱梁，采用边墙安装栏杆和声屏障，相对于传统的遮板桥面设置方式，可节省混凝土用量41.9%～58.9%，节省钢筋19.6%～31.3%。

图2 整体装配式桥面附属设施标准块段横断面(单位：mm)

1.3 整体结构设计

由于边墙桥面布置方案能够减小桥面宽度，有效节省混凝土和钢筋用量，2018年新编制的客货共线铁路简支箱梁通用参考图和高速铁路40 m简支箱梁通用参考图，均推荐使用边墙安装栏杆和声屏障的方式。因此，本文针对采用边墙安装栏杆和声屏障的高速铁路整体式桥面附属设施进行装配式设计，如图2所示，整体式设计要包括防护墙、竖墙、边墙和电缆槽底板。

表1 40 m简支箱梁不同桥面设施工程量对比

预制装配构件标准块长1 980 mm，梁端块长2 310 mm，相邻两构件间距为20 mm，预制装配构件标准块构造如图3所示。装配构件在连接之前，根据栏杆或声屏障安装需求适当调整位置，并在构件与桥面之间灌注自充填聚合物砂浆。预制构件在桥位处安装，通过预埋套筒和螺栓与梁体连接。

图3 高速铁路整体式装配桥面附属设施连接布置(单位：mm)

2 结构受力性能分析

2.1 计算荷载

高速铁路装配式桥面系，使用功能总体上应满足以下要求：

①防护墙在列车脱轨荷载碰撞下应起到导向作用，为一次性结构，状态为开裂不破坏，材料强度按标准值计算，不考虑裂缝宽度；②边墙受力为正常使用状态，材料强度按设计值计算；③电力槽和通信、信号槽应满足相关专业对槽体最小截面积的要求，应预留综合接地接口；④构件安装、加工应便捷可靠；⑤构件外观简洁。

基于上述原则和基本要求，确定了装配式桥面系设计时的计算荷载:

①《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)4.3.14条文说明认为水平脱轨荷载的研究尚无明确结论，设计时根据具体情况酌情考虑。《时速350公里高速铁路预制无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁(双线)》(通桥(2016)2322A-Ⅱ-1)、《高速铁路常用跨度梁桥面附属设施》(通桥(2016)8388A)中防护墙水平脱轨荷载按100 kN/m考虑，其作用点位于防护墙顶面。综合以上资料，高速铁路装配式防护墙水平脱轨荷载按100 kN/m考虑，其作用点位于防护墙顶面。②边墙栏杆区段设计荷载为水平推力按0.75 kN/m考虑，作用于立柱顶面，并按1.0 kN检算。③边墙声屏障区段作用于桥面设计荷载见表2。

表2 350 km/h高速铁路声屏障设计荷载

图4 整体装配式桥面系计算简图

2.2 基于现行规范体系的主要构件强度检算

对整体式装配桥面系，按照现行相关规范体系进行结构强度检算，计算简图如图4所示。防护墙包括断面A和断面B 2个控制截面，电缆槽底板包括断面C 1个控制截面，边墙包括断面D 1个控制截面，针对不同构件的控制截面按照设计荷载进行计算。

(1)防护墙水平脱轨荷作用下的检算。对于直线区段，防护墙顶面标高760 mm(防护墙墙体高740 mm)，高速铁路碰撞荷载按100 kN/m考虑，作用于防护墙顶部，不考虑砂浆层粘接力。各控制断面理论计算结果见表3。

表3 高铁整体式装配桥面防护墙与底板断面计算 MPa

(2)边墙检算。高速铁路栏杆荷载水平推力按0.75 kN/m计算，水平推力作用于立柱顶面，立柱顶面至断面D高1.4 m，边墙纵向影响宽度按0.5 m计算。理论计算结果见表4。

(3)连接件检算。对于高速铁路水平脱轨荷载工况，螺栓连接每隔1 m设置1个，采用10.9级M30高强螺栓，内外侧螺栓间距1.26 m，理论计算得到防护墙侧螺栓拉力60.3 kN，剪力为50 kN，不考虑砂浆粘接作用，理论计算结果见表5。

表5 高铁整体式装配桥面连接件计算 MPa

2.3 基于精细化数值模拟的防护墙极限承载力分析

采用ABAQUS通用有限元建立装配式桥面系的数值模型，如图5所示。混凝土和砂浆采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2桁架单元。混凝土材料选用学者Mander et al提出的非约束混凝土单轴受压本构，峰值压应力对应的应变为0.002。受拉混凝土在开裂前处于线弹性阶段，开裂后进入非线性受拉软化阶段。混凝土强度等级为C50，取抗压和抗拉强度标准值33.5 MPa和3.10 MPa，弹性模量35.5 GPa。砂浆抗拉强度取1.5 MPa。钢筋屈服强度400 MPa，弹性模量200 GPa，采用理想弹塑性模型。根据建立的有限元数值模型，模拟脱轨荷载作用下防护墙的受力性能，计算时考虑砂浆层起到完全粘结作用和不考虑粘结作用2种工况进行计算。

图5 有限元数值模型

图6 不同粘结状态下的荷载-位移曲线

结构的荷载-位移曲线如图6所示，极限状态下混凝土的应力分布如图7所示。根据计算结果可以看出，保持粘结时，混凝土受拉开裂和钢筋屈服首先出现在防护墙外侧，最终防护墙发生弯曲破坏，此时结构的极限荷载为218 kN。粘结失效时，混凝土受拉开裂和钢筋屈服均首先出现在电缆槽底板，最终底板发生弯曲破坏，但防护墙也接近弯曲破坏，此时结构的极限荷载为180 kN。通过全程分析结果可知：考虑粘结作用，当荷载值为34 kN时，防护墙下部混凝土受拉区开始出现开裂；当荷载达到200 kN时，钢筋开始出现屈服；当荷载达到218 kN时，右侧防护墙发生弯曲破坏。