客运专线简支箱梁四支点平整度分析及施工控制

侯建军

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

整孔箱梁具有受力简单、明确，形式简洁，外形美观，抗扭刚度大，建成后的桥梁养护工作量小以及噪声小等优点，在我国客运专线建设中大量采用。整孔箱梁与我国既有铁路T梁相比，梁体横向宽度大，支座设置需要四点支承。箱梁采用的四支点支承受力模式，理论上应处于同一平面的支承状态，但实际工程中势必出现四支点不处于同一平面的状态，即箱梁的“三条腿”现象，简支箱梁四支点平整度对结构受力的影响以及如何控制是箱梁设计和施工的关键。

1 箱梁四支点平整度对结构影响

1.1 箱梁横向抗扭影响

箱梁横截面抗扭计算是设计的一个重要环节，结构扭矩产生主要由自重和二期恒载偏载、单线活载和风荷载、列车离心力等横向作用力引起，参照《公路桥涵设计规范》(JTG D60—2010)及英国铁路设计规范(BS5400)中相关规定，进行横截面抗扭箍筋及抗扭纵向钢筋的配置。如果箱梁产生四支点不平整，也将引起箱梁截面附加扭矩产生，增大箱梁横截面扭矩作用力及箱梁端部的横向拉应力;但由于客运专线整孔箱梁具有较大抗扭刚度，箱梁支点不平整对箱梁跨中截面横向抗扭影响较小，对跨中纵、横向应力影响不大，不作为本文分析重点。

1.2 梁端局部应力影响

箱梁“三条腿”现象将会引起箱梁梁端截面局部应力，由于支座沉降，梁端截面箱梁内侧四个角点应力将发生变化，支座下沉端底腹板倒角和其斜对角顶腹板倒角处受压状态，非下沉端支座底腹板倒角和其斜对角顶腹板倒角处于受拉状态，见图1。梁端应力随着支座不平整度增加而增大，当倒角范围处引以的拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，将会产生沿梁端45°方向的斜向裂缝，并沿倒角向梁内延伸，所以应严格控制简支箱梁四支点平整度。

图1 支座不平整状态下梁端截面应力

1.3 支座承载能力影响

简支箱梁四支点不处于同一平面状态时，箱梁4个支点反力大小将发生变化，脱空支点及其对角线支点支座反力减小，对应其他两支座反力增加，最大与最小两者支座反力差将随着支座不平整度和箱梁负载变化而不同。支座不平整度越大，其支反力差值越大，在支座完全脱空状态，箱梁荷载仅为两支座承担，其支座承载增加1倍;当支座平整度控制在固定范围，其两者支座差值也在不同荷载阶段发生变化。以客运专线32 m跨度箱梁为例，在四支点不平整度为2 mm状态下，引起最大支反力变化幅值见表1。

表1 客运专线32 m跨度双线整孔箱梁支点平整度2 mm时支反力变化

2 客运专线整孔箱梁四支点平整度空间分析

在箱梁制造、存放、运输和架设阶段，支点平整度对箱梁梁端应力的影响较大，通过研究支点在不同平整度状态下梁端应力状况，确定合理的支点不平整度限值，可以更好地进行箱梁各阶段控制，保证结构安全性和耐久性。

对我国客运专线铁路常用的3个系列32 m跨度整孔双线箱梁，采用MADISFEA进行空间模拟分析计算，分析其不同支座平整度情况下梁端受力状态。

2.1 时速350 km客运专线无砟轨道整孔双线箱梁

时速350 km客运专线无砟轨道整孔双线箱梁是我国客运专线用量最大的系列梁型，已在京津、郑西、武广、石武、京石、沪杭、宁杭、杭甬、合蚌等客运专线上使用，其梁端截面形式见图2，箱梁在不同支点平整度状态下梁端应力见表2。时速350 km客运专线无砟轨道双线整孔箱梁支点不平整分析见图3～图6。

图2 时速350 km客运专线无砟轨道整孔双线箱梁梁端截面[1］(单位:mm)

图3 支座沉降2 mm模型

图4 支座沉降2 mm主拉应力云图(单位:MPa)

图5 支座脱空(6.6 mm)模型

图6 支座脱空(6.6 mm)主拉应力云图(单位:MPa)

表2 时速350 km客运专线无砟轨道双线整孔箱梁不同支点平整度梁端应力

2.2 时速250 km客货共线有砟轨道整孔双线箱梁

时速250 km客货共线有砟轨道箱梁已经成功用于我国多条客运专线建设中，如合宁、合武、甬台温、石太、福厦、厦深、南广等客运专线，其梁端截面形式见图7，箱梁在不同支点平整度状态下梁端应力见表3。

图7 时速250 km客货共线有砟轨道整孔双线箱梁梁端截面[2］(单位:mm)

时速250 km客货共线有砟轨道双线整孔箱梁支点不平整分析见图8～图11。

图8 支座沉降2 mm模型

图9 支座沉降2 mm主拉应力云图(单位:MPa)

图10 支座脱空(7.34 mm)模型

图11 支座脱空(7.3 mm)主拉应力云图(单位:MPa)

表3 时速250 km客货共线有砟轨道双线整孔箱梁不同支点平整度梁端应力

2.3 时速250 km客运专线有(无)砟轨道整孔双线箱梁(单箱单室)

时速250 km客运专线有(无)砟轨道整孔单箱单室双线箱梁受力简单、明确，其斜腹板、大圆弧的流线形外形更加融合了城际铁路对景观设计的需求，已经在柳南、云桂、郑焦、青容、哈齐等多条城际铁路中投入使用，其梁端截面形式见图12，箱梁在不同支点平整度状态下梁端应力见表4。

图12 250 km客运专线有(无)砟轨道整孔单箱单室双线箱梁梁端截面[3］(单位:mm)

250 km客运专线有(无)砟轨道双线整孔箱梁支点不平整分析见图13～图16。

图13 支座沉降2 mm模型

图14 支座沉降2 mm主拉应力云图(单位:MPa)

图15 支座脱空(8.08 mm)模型

图16 支座脱空(8.1 mm)主拉应力云图(单位:MPa)

综合表2～表4分析可知，我国客运专线常用的3种系列整孔箱梁由于其横向抗扭刚度有差别，箱梁支点完全脱空量有所不同，箱梁抗扭刚度越大，其支座脱空量将越小。为保证各箱梁在制造、存放、运输、架设及运营维护阶段梁端角点主拉应力不超过混凝土极限抗拉强度，避免出现斜向裂缝，应尽可能控制其梁体四支点位于同一平面，各种荷载状态下箱梁四支点不平整误差不应大于2 mm。

表4 250 km客运专线有(无)砟轨道双线整孔箱梁不同支点平整度梁端应力

3 客运专线整孔箱梁支座施工控制

为保证箱梁在制造、存放、运输、架设及运营维护阶段四支点不平整度不超出容许范围，以保证箱梁结构安全性和耐久性，施工过程中应从多个方面严格控制。

3.1 底模设置

箱梁底模设置在保证箱梁成桥线形的同时，对于梁端部底模支撑及其基础应充分考虑沉降的影响，当箱梁在初张拉完毕后，箱梁重量全部由梁端部位承受，为保证箱梁在制梁台位上不发生四支点不均匀沉降，梁端底模基础除满足承载力要求外，还应进行基础沉降检算。

3.2 钢筋设置

当箱梁四支点不处在同一平面时，箱梁梁端倒角将有拉应力产生，为避免斜裂缝出现，箱梁设计时在梁端倒角布置有与可能出现裂缝相垂直的斜向钢筋，施工过程中应严格控制其位置准确，避免出现混凝土保护层厚度过大情况。

3.3 箱梁吊装

箱梁吊装采用桥面预留的8个吊孔起吊，吊装过程中，箱梁吊点作为整孔箱梁的支撑，为避免出现箱梁“三条腿”现象，吊装设备应具备“三点吊梁”功能，即一侧2个吊点串联工作，并且起吊过程应缓慢、间段进行，保证串联轮组能够充分平衡调整。

3.4 存梁台位设置

存梁台座是箱梁长期存放的场地，除承载力应满足要求外，4个支墩的平整度及其负载状态下的不均匀沉降控制至关重要，箱梁存放前应对支墩进行操平处理，并在支墩顶设置厚度不小于50 mm的橡胶垫板，箱梁存放过程中应对存梁台位进行定期测量，加强沉降监控。

3.5 桥梁架设

箱梁在架设过程中，采用了千斤顶落梁和重力灌浆的工艺，落梁过程中在保证梁面高程满足设计要求的基础上，保证箱梁四支点平整度度至关重要，因为此时产生四支点不平整后期将不可再调整，所以应尽可能减少四支点不平整量，应从严控制，设计要求落梁时反力间误差范围应小于5%。

3.6 墩台设计

客运专线桥墩多采用圆端或矩形桥墩，箱梁支撑垫石高程容易控制。但对于整孔箱梁与框架桥墩配合使用的情况，由于框架墩横梁不同负载作用下变形的影响，将导致箱梁四支点沉降不一致，引起箱梁“三条腿”现象，所以框架墩设计时应充分考虑箱梁四支点平整度影响，必要时需要采用调高支座以满足四支点平整度的要求。

3.7 支座更换工况，顶梁控制

箱梁支座更换是客运专线后期养护维修的需要，顶梁过程中，由于桥面二期恒载的存在，同等支点不平整度情况下，梁端应力较施工架设过程要增大，所以顶梁过程应更加严格控制各支反力间误差。

4 结束语

客运专线整孔箱梁“三条腿”现象施工中较容易出现，箱梁设计过程中通过分析计算，充分考虑其对结构的影响，确定支点不平整容许限值，在箱梁制造、吊装、存放、架设、运营等阶段多方面加强支点不平整度测量和监控，将支点不平整控制在容许范围内，可以有效地保证箱梁受力及耐久性要求。

[1]铁道部经济规划研究院.时速350公里客运专线铁路无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁通用参考图[Z］－北京:铁道部经济规划研究院，2008

[2]铁道部经济规划研究院.时速250公里客运专线铁路有砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁通用参考图[Z］－北京:铁道部经济规划研究院，2008

[3]铁道部经济规划研究院.时速250公里客运专线(城际铁路)有/无砟轨道后张法预应力混凝土简支整孔箱梁通用参考图[Z］－北京:铁道部经济规划研究院，2009

[4]中华人民共和国铁道部.TB10002.1～TB10002.5—2005 铁路桥涵设计规范[S］.北京:中国铁道出版社，2005

[5]中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S］.北京:中国铁道出版社，2009

[6]中华人民共和国铁道部.TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范[S］.北京:中国铁道出版社，2010

[7]中华人民共和国建设部.GB 50010－2002 混凝土结构设计规范[S］.北京:中国建筑工业出版社，2002

[8]邓运清，盛黎明.秦沈客运专线后张法预应力混凝土简支箱梁设计[J］.铁道标准设计，2000(1):3-6

[9]邓运清.秦沈客运专线整孔箱梁的质量控制因素[J］.铁道标准设计，2001(9):23-25

[10］邓运清.客运专线简支箱梁综述[J］.铁道工程学报，2005(1):65-71