客运专线56m预应力混凝土双线简支箱梁设计.pdf

桥 梁 客 运 专 线56nl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) 摘要：哈大客运专线普兰店跨海特大桥采用56m 预应力混凝土简支箱梁，采用预制节段法施工，运用有限元程 序对56111大跨简支葙粱进行设计分析，得出箱粱在各个施工阶段及运营阶段的挠度变化值及控制截面的理论应 力，确保施工过程和成桥结构安全、可靠，满足无砟轨道的铺设条件要求。 关键词：客运专线；简支箱粱；预制节段法；设计 中图分类号：U 238；U 44821+3文献标识码：A文章编号：10042954( 2012)02003403 D esi gn f or56mSim ply Support ed Prest ress edConcr et eBox B eamw i t hD oubl eTracksi n Passenger- D edi cat ed Li ne ZhangJinzhi (TheThi rdR ai l w aySur veyandD esi gnIns t i t ut eG r oupCor por at i onTianj in300142。C hi na) A bst r act ：A cr oss t he ocean，Pul andi anB r i dge inHar bi n- D ali an Passenger -Dedicat ed Li neare const ruct ed byprecastsegm entm et hod，and56msi m pl ysupport edpres t ressed concr et eboxbeami sused fori t A var i ety oft heor et i cal defl ect i onval uesands tres sval ues oft hecontr olsecti onsofthisboxbeam ineachconst r uct i on st ages and operat i onst ages w er eobt ai ned by m eansof des i gn and analysi s w i t ht he fi nit eelem ent sof t w are，t o ensur et he saf ety and rel iabi lit y oft hest ruct ureunderi t sstat usofbot h const r uct i ng andcom pleting。asw el last om eett he requi rem ent s ofbal last l esst rack laying K eyw ords：passenger dedicat edl i ne；si mpl ysupport ed box beam ；pr ecastsegm ent m et hod；desi gn 1 概述 隔板。箱梁截面详见图1。 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56m 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56m 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 21 箱梁构造 56m 简支箱梁为单箱单室截面，总长度571 m ， 粱高采用53m ，箱梁在梁端支点处设置20m 厚的端 收稿日期：201I IO 一30 作者简介：张金芝(1969一)女高缀T程师1991年毕业于北京交通 大学t民建专业。工学学士E-m ai l：zhan画i nzhi t sdigC OS。 宴 一 1 ， ? 一一禹 吐Ilb20005dl伽伽2100【l250【112501 21005O C【05l80 善 ；营 寸 l吕 、娶 也二 一J o l善 L n6700 L 半跨中截面半支点截面 圈1箱梁截面( 单位：m m ) 箱梁分为11个预制梁段，两端梁段长26m ，中 间梁段长51m ，湿接缝10道、缝宽06m 。中间标准 梁段重l 63l kN ，标准湿接缝重192kN ，箱梁总 重21901kN 。 22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 应力钢柬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 铁道标准设计R A LW A YSTA N D A RDD E SI G N2012( 2) 张金芝一客运专线56m 预应力混凝土双线简支箱梁设计 块，简化了施工T艺，便于保证梁体施丁质量。预应力 钢束布置详见图2。 需必圈 廿陬俨 半跨中截面半支点截面 田2钢束布置(单位：m mJ 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7, 5m m 高强度、低松弛预应力钢绞 线，标准强度为厶=1 860M Pa。 3施工过程结构分析计算 由于56111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、粱段尺寸、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口自，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。 31 有限元模型的建立 采用有限元程序M i dasci vi l 对56m 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。造桥机的导粱与主 桁采用刚性连接，横联端部与主桁为铰接。I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 节段箱粱由提粱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。 全部模型共有1001个节点2038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 妇3空间计算整体横型示意 桥粱 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箱粱模型示意 32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 施工阶段施工工况 施工阶段I 施工阶段2 施T阶段3一施丁阶段8 施工阶段9一施工阶段13 施工阶段14 施工阶段15 施工阶段16 施工阶段17 施工阶段18 施工阶殴19 施工阶段20 施工阶段2I 施工阶段22 施丁阶段23 施工阶段24 施工阶段25 施工阶段26 造桥机就位 挂全部托梁 吊装粱块I一粱块6 吊装粱块5一粱块1 浇筑湿接缝 张拉钢束N 3，N 9(4束) 张拉钢束N 4N 10(8束) 张拉钢束N 5N 11(12束) 张拉钢柬N 6N 12(16柬) 造桥机卸千斤顶 张拉钢柬N 7N 13(20柬) 张拉钢束N 8N 14(24柬) 张拉钢束N I( 30束) 张拉钢束N 2( 35柬) 张拉钢束结束后半年 加二期恒载 计3年收缩徐变 33造桥机卸千斤顶时机的选择 如前所述除l 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 主桁及下托粱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粱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，会导致箱粱底板没有足够的 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 度为一57i rl m 。跨中截面顶板应力为一374M Pa(压应 力) ，底板应力为一013M Pa(压应力)。 35 栎集 张金芝一客运专线56i n预应力混凝土双线简支箱粱设计 张拉完N 6，N 12( 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008m m ，14截面处挠度最大为13lm m 。跨 中截面顶板应力为一345M Pa(压应力)，底板应力为一 248M Pa(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。 畹硼_I一：jIi 囤5张拉12束后箱粱变形值 11、=1|1I 瞄b矗也6束后衽棠立彤篮 34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。 器，、 一张拉16束 i肇茎辩鬻霎 测点至粱端距离，m 图7箱梁各主要施工阶段变形值 35施工阶段应力计算 各主要施工阶段箱梁跨中截面的应力对照如图 8所示。 施工阶段 0123456789101l12 l一 盖 匪 需 鼍 荨 三 l： ”15k墨 箍 宝 一 萄一一腹板应力、r一 _一20L一底板应力 圈8箱粱跨中截面各施工阶殷应力对照 施工过程中箱梁承受压应力，箱梁顶板最大压应 力为351M Pa，箱粱底板最大压应力为1775M Pa，符 合混凝土的抗压强度要求。 4运营阶段结构分析计算 41 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 36 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143kN m 。 42主要计算结果 421强度计算结果(表3) 表3强度计算结果 422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56m 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20000kN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。 参考文献： 1孙树札高速铁路桥梁设计与实践M 北京：中国铁道出版 杜2011 2邓运清客运专线苘支箱粱综述J 铁道工程学报，2005(I) ： I -一12 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)：9一10 4杜橙M Z3200型造柝机仿真分析和施工控制研究D北京：北 京变通大学土木建筑工程学院2008 5杜国华桥蘩结构分析M 上海：同济大学出版社1994 6 TB1062120呻，J9712009高速铁路设计规范(试行) S 7 TB10002225铁路桥梁钢结构设计规范S 8TB1000232005铁路桥梁钢筋混凝土和预应力混凝土结构设 计规范!S 铁道标准设计R A ILW A YSTA N D A RDD E SI G N2012( 2) I、靼恻 嚣