珠三角城际轨道交通简支箱梁优化设计研究

邓运清,陈海涛,薄 利,粟明丰,时 代

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055； 2.广东珠三角城际轨道交通有限公司,广州 510320)

1 概述

我国城际铁路及高速铁路建设中，多采用“以桥代路”策略，桥梁比例高、数量大，并以常用跨度标准梁桥为主，占桥梁总长度的80%以上。我国高速铁路常用跨度桥梁技术体系[1-2]以预制架设的24，32 m预应力混凝土简支梁桥为主。采用整孔预制、整孔架设箱梁技术可以使梁部施工在预制场进行，一方面有利于保证质量，另一方面，在桥墩施工的同时可同时进行梁部施工，有利于缩短施工周期。简支箱梁以其受力简单、明确、形式简洁、外形美观、抗扭刚度大、施工速度快、基础适应性强、建成后的桥梁养护工作量小以及噪声小等特点，在我国铁路建设中得到广泛应用，并在保证城际铁路及高速铁路桥梁高标准、高质量、高速度建设中发挥了重要作用[3-5]。

自2014年珠三角城际轨道交通简支箱梁标准图颁布以来，已经成功应用于广清城际广州北至清远段、新白广城际、广佛环佛山西至广州南城际等工程建设项目中，并发挥了显著作用。近年来，随着铁路建设的发展，桥梁设计的标准规范也发生了较大变化，《铁路桥涵设计规范》《高速铁路设计规范》《城际铁路设计规范》历经修订和完善[6-9]，在箱梁构造要求等方面有新的规定，同时新材料、新工艺也为珠三角城际箱梁提供了优化空间[10-11]。

2 桥面布置优化研究

桥面布置作为桥梁结构设计的重要组成部分，直接影响桥梁梁部结构、墩台及基础的设计，与桥跨结构的总体投资及后期使用的耐久性、养护维修工作有着密切关系。

箱梁桥面宽度及布置方式主要取决于建筑限界、线路线间距、电缆槽宽度、接触网支柱位置、检查养修方式等因素，有砟轨道还需满足大机养护的要求。目前我国已建和在建高速铁路常用跨度桥梁均采用整体桥面布置方式，接触网立柱设置于桥面上；客货共线铁路、城际铁路简支箱梁则有部分电力电缆设置于箱内。

电力电缆设置在桥面和箱内各有优缺点，设在桥面便于电缆铺设和检查维修，但桥面宽度需要相应增加400～600 mm，结构工程量略有增加；而电力电缆设置于箱内时，可有效减小桥面宽度，减少结构混凝土用量，但在箱内需专门设置电缆槽，并在制梁时预埋电缆支架安装螺栓套筒，检修需从桥下进入箱内，当桥梁较为分散时则电缆需要反复上下，路径较为繁琐。既有珠三角城际简支箱梁通用图的桥面布置见图1，其电缆槽均布设于桥面之上，无砟轨道双线梁桥面宽度采用11.6 m，双线梁线间距仅适用于线间距4.4～4.6 m[12]，线间距适用范围较小。

图1 2014年版无砟轨道梁桥面布置(双线)(单位：mm)

根据珠三角城际轨道交通建设经验，因地形限制及进出站、站场设置的影响，其桥上线间距变化范围较大，最大可达到5.0 m，因此，原通用图桥面宽度及桥面布置不能满足实际使用的要求，需对其线间距的适用范围进行扩展。

在保证电缆槽构造、接触网支柱限界要求前提下，考虑线间距变化及四电设备使用、维护方便，确定桥面布置基本原则为通过调整桥面板翼缘宽度实现线间距不同时桥面宽度的变化，其桥面布置见图2。其中无砟双线梁桥面宽度调整为11.2～12.0 m，在满足使用功能需要的同时，兼顾考虑线间距4.2～5.0 m变化需求，扩大了珠三角城际铁路简支箱梁的适用范围，同时，后期的养护维修和管理等方面可保持与既有运营珠三角城际铁路相统一。

对于个别选用小半径曲线地段，可以结合线间距以及具体曲线半径，通过计算确定选用合适的桥面宽度，对于曲线半径外侧梁缝过大的问题，可通过旋转端板的构造处理措施进行处理。

图2 优化后无砟轨道梁桥面布置(双线)(单位：mm)

3 结构尺寸优化

3.1 梁高及支座布置

2014年版双线无砟轨道箱梁截面尺寸见图3。由于2014年版珠三角城际铁路简支箱梁已在多条线路上广泛应用，动力性能良好[13-14]，目前与箱梁相应的配套模板已经成型，设计优化时充分考虑了最小限度影响既有模板，在确保结构受力性能的前提下，对箱梁截面的主要构造尺寸进行优化。梁高保持不变，支座布置方式保持一致，横向中心距由4.2 m调整为4.0 m。

图3 2014版双线无砟箱梁截面尺寸(双线、无砟轨道)(单位：mm)

3.2 顶板厚度

优化设计双线梁兼顾线间距4.2～5.0 m使用，桥面宽度分别为11 200/11 600/12 000 mm(无砟轨道)和11 900/12 300/12 700 mm(有砟轨道)，通过调整箱梁翼缘板宽度实现。

对比线间距变化时梁体钢筋受力情况，见表1。采用4.9 m的箱宽可适应线间距4.2～5.0 m范围受力需要，采用同一箱宽优化后双线无砟轨道箱梁截面顶板厚度可采用280 mm，与2014版箱梁顶板厚度保持一致。

表1 不同线间距箱梁钢筋应力 MPa

3.3 底板厚度

考虑预应力管道布置构造需要，兼顾纵横向钢筋布置的空间影响，同时考虑单线荷载作用下底板受力需要，双线梁底板厚度优化至260 mm。

3.4 腹板斜率

珠三角城际简支箱梁考虑了景观设计，采用的斜腹板方案外形美观且脱模方便，2014版箱梁的腹板斜率为1∶3.5，为保持外模板不变及景观效果，腹板斜率保持与2014版箱梁一致。

3.5 腹板厚度

箱梁腹板厚度不仅要保证梁体的抗弯、抗剪强度满足规范要求，同时又要提供足够的抗扭刚度；在受力满足设计要求时，又需保证预应力管道的混凝土保护层厚度不小于1倍管道直径，以避免管道的纵向裂缝，同时尽可能考虑方便施工。

根据近年来对高速铁路、客货共线铁路及城际铁路常用跨度简支箱梁的设计和试验研究成果及前期腹板厚度优化的工程实践，设计中通过调整钢束布置、采用高强钢绞线和大吨位锚具等方法，优化了腹板厚度，减轻了结构自重[15-20]。

2014版双线简支箱梁的腹板厚度采用400 mm，优化设计中按照360 mm和330 mm两种腹板厚度进行了计算比选，腹板尺寸调整见图4。

采用平面杆系有限元法，建立模型进行环框分析，对梁体的普通钢筋进行计算对比，计算结果见表2。

图4 箱梁腹板厚度优化比选(单位：mm)

表2 双线无砟箱梁跨中截面钢筋应力及裂缝宽度对比

从横向计算结果对比可以看出： ①两种腹板厚度的桥面板钢筋布置及受力状态差别不大；② 腹板厚度由360 mm减小到330 mm时，腹板配筋由φ16 mm需加大至φ18 mm，一孔跨度32 m箱梁需增加普通钢筋1.0 t，混凝土仅减少2.5 m3。

采用360 mm厚度的腹板更加便于钢筋绑扎，利于梁体混凝土的灌筑及振捣，可减小施工难度、提高施工质量，同时腹板厚度360 mm时箱梁的安全储备、受力性能等均优于腹板330 mm方案。因此，腹板厚度360 mm的方案更具优势，优化后的双线箱梁跨中截面尺寸见图5。优化设计箱梁纵向计算主要指标及与既有2014版箱梁主要计算指标对比见表3。

图5 优化设计后的双线箱梁跨中截面(无砟轨道)(单位：mm)

表3 珠三角城际轨道交通32 m简支箱梁主要计算指标(无砟轨道、双线)

4 施工阶段控制工况分析

为了更准确地了解梁优化后端截面的受力特性，优化梁端钢筋配置，保证结构的安全性，在对箱梁进行平面杆系单元计算的同时，对顶梁、吊梁及架梁工况采用空间有限元进行受力分析。吊梁工况应力云图见图6，吊梁工况最大竖向应力为4.36 MPa，顶梁工况应力云图见图7，顶梁工况最大拉应力为腹板外侧，其值为1.68 MPa，底板上缘横向拉应力为1.44 MPa。

图6 吊梁工况竖向应力云图(单位：MPa)

图7 顶梁工况横向应力云图(单位：MPa)

5 经济性分析

对于一孔无砟轨道32 m双线预制简支箱梁，在标准线间距4.2 m时，优化设计后梁体混凝土、普通钢筋和钢绞线数量的对比见表4。

表4 无砟轨道32 m双线预制箱梁优化前后材料数量对比

按照原材料价格计算，即混凝土850元/m3、普通钢筋3 950元/t、预应力筋4 710元/t，优化后标准线间距下，一孔双线无砟32 m预制简支箱梁可节省投资约3.9万元。

以100孔双线32 m简支箱梁桥的桥墩、基础、梁部工程为基础，对优化前后的简支箱梁桥进行技术经济分析比较，不同墩高和桩周极限摩阻力f情况下的造价见图8，降造比例见图9。

图8 优化前后双线梁造价对比

图9 优化后100孔双线梁桥造价优化比例

6 结语

本课题结合珠三角城际铁路特点，通过桥面布置的优化，在满足使用功能需要的同时，兼顾线间距4.2～5.0 m变化需求，采用通用模板减少施工设备投入，拓宽了珠三角城际铁路简支箱梁的适用范围，后期的养护维修和管理等方面可保持与目前运营的珠三角城际铁路协调统一。通过优化箱支梁的结构尺寸、采用1 960 MPa级钢绞线及大吨位锚具等措施，减少了材料用量和梁体质量，降低了简支箱梁桥建设成本，具有较好的经济性和实用性。