市域铁路节段预制拼装简支梁设计建造研究

栾紫明

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 引言

预制节段混凝土整体拼装施工方法是将梁体沿纵桥向划分为若干个节段，在工厂预制，再使用架桥机现场拼装，通过施加预应力成为整体桥梁，其优点是节段重量轻，便于运输，同时还可降低对场地规模的要求，但施工工序复杂，施工工艺要求高，影响因素较多，质量控制难度大，所以，要提高技术应用水平，通过优化设计、规范施工实现更好的建造效果。

2 工程简介

本工程为市域（郊）铁路，以服务长三角地区三地市间的通勤、商务等客流为主，兼顾各组团内部日常出行客流的市域（郊）铁路。线路总体由南向北，正线数目为双线，设计时速为160 km/h，线路全长90.34 km，其中，高架段64.64 km，桥梁占比71.6%。

3 市域铁路节段预制拼装简支梁设计建造研究

3.1 结构形式

节段预制拼装箱梁是工业化建设常用的一种施工方法，梁段采用工厂标准化作业，施工质量好，现场工作量小，预制节段的养护时间较长，成桥后梁体的徐变和预应力损失较小。梁部的预制和下部结构的施工可同时开展，节段的预制和安装可以分开进行，互不干扰，施工速度快，工期短。节段梁拼装施工时，对桥下既有交通的影响小，工厂化预制和机械化施工提高了现代化桥梁的建设水平，有利于节能环保。

本项目节段拼装箱梁采用单箱单室方案，3 种跨度节段对1-35 m、1-40 m 和1-45 m 拼装简支梁方案进行设计比选。梁段划分以尽量减少梁段种类为原则，每孔箱梁采用奇数段划分，跨中不设接缝。节段长度主要取决于节段重量以及运输吊装尺寸限制要求，并且最大化地减少节段数量，以节约工期。针对不同跨度，分别考虑2.5 m、2.6 m、2.7 m 三种梁段长度方案[1]。

3.2 结构计算

市域铁路节段拼装梁设计计算基于TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》，抗裂安全系数Kf计算其公式为：

式中，σc为扣除预应力损失后的混凝土预压应力；kct为混凝土抗拉强度修正系数；fct为混凝土抗拉极限强度；σ为计算荷载在截面受拉边缘混凝土中产生的正应力。根据规范要求，限值Kf≥1.2。

根据相关文献资料结果，在自然环境条件下，C50 混凝土胶拼试件拉伸试验结果为环氧树脂胶与混凝土黏合部位轴向抗拉强度在3.2 MPa 以上，人工加速湿热老化条件下，试件胶接缝抗拉强度约2.9 MPa，胶接缝具备一定的抗拉强度。若计算中不考虑胶的抗拉强度，即在接缝处kct=0，预应力含量偏高，设计过于保守。在既有工程案例中，京唐铁路潮白河特大桥节段拼装梁设计计算中kct取0.3，部分公路轨道交通节段拼装梁设计计算中，kct取0.7，甚至1.0 以上。针对市域铁路节段预制胶拼简支梁进行设计计算及方案比选，综合考虑结构安全性、考虑耐久性和施工中不确定性，并满足抗裂安全系数Kf≥1.2，本线节段预制胶拼梁计算中kct=0.5，此时，主力+附加力作用下结构下缘最小压应力均在3 MPa 及以上。对不同跨度节段拼装简支梁，对比计算不同梁高及截面尺寸，并对不同抗拉极限强度的钢绞线进行比选，即对比1×7-15.2-1860-GB/T 5224—2014 和1×7-15.2-2200-R-QCR/R 两种类型钢绞线，各方案计算结果见表1。

在考虑节段胶拼梁刚度0.9 折减系数情况下，梁体跨中静活载挠跨比和最大梁端转角见表2，可见梁体刚度均满足规范要求。

表2 梁体其他参数计算结果表

由以上计算结果可见，1-35 m 节段拼装简支梁推荐采用梁高2.05 m，腹板厚36 cm，梁体混凝土方量244.4 m3，节段长度2.5 m，最大梁段质量49.5 t。采用公称抗拉强度fpk=2 200 MPa的钢绞线，以及fpk=1 860 MPa 钢绞线均可实现腹板钢束单排布置，梁体结构尺寸可保持不变，节约钢绞线13%。1-40 m节段拼装简支梁，推荐采用梁高2.25 m，节段长2.5 m，最大梁段质量51.1 t。采用公称抗拉强度fpk=2 200 MPa 钢绞线可实现腹板钢束单排布置，腹板厚度36 cm，梁体混凝土方量272.2 m3。采用fpk=1 860 MPa 钢绞线需要布置双排腹板钢束，腹板厚度40 cm，梁体混凝土方量279.8 m3。相比fpk=1 860 MPa 常规钢绞线，采用fpk=2 200 MPa 高强钢绞线可以节约钢绞线22%、混凝土3%。1-45 m 节段拼装简支梁，对比分析了2.6 m 和2.8 m两种梁高方案。梁高采用2.6 m 时，需要布置双排腹板钢束，腹板厚度48 cm，混凝土方量为331.4 m3，采用抗拉强度fpk=1 860 MPa 钢绞线时，预应力含量约51.8 kg/m3；梁高采用2.8 m，腹板厚度36 cm，可实现腹板钢束单排布置，混凝土方量为317.6 m3，采用抗拉强度fpk=1 860 MPa 钢绞线时，预应力含量约48.6 kg/m3。推荐采用梁高2.8 m，混凝土方量317.6 m3，节段长2.5 m，最大梁段重量61.6 t；采用公称抗拉强度fpk=2 200 MPa 高强钢绞线和fpk=1 860 MPa 常规钢绞线均可实现腹板钢束单排布置，腹板厚度36 cm，采用fpk=2 200 MPa高强钢绞线可以节约钢绞线14%。

通过以上对比可知，虽然高强钢束的单价稍高，但是高强钢束用量比普通钢束用量小，在钢束总造价基本相当的情况下，高强钢束还具有减小梁部腹板厚度、减少混凝土用量、减少预制节段分段数量、方便施工的优点。因此，高强钢束在节段预制拼装梁中使用中可产生良好的经济价值。

3.3 梁场预制

市域铁路采用节段拼装梁区间梁场规模，推荐采用短线法施工。以约5 km 桥为例，全部按35 m 简支梁计，并考虑部分调孔，大约需要2 000 个梁段计，采用短线法施工，每天计划生产14 个梁段，月生产能力约400 个梁段。梁场主要由制梁区、存梁区、公共占地区和混凝土拌和站等主要几部分构成，根据预制生产需求，合理设置各功能分区位置和规模，保证正常生产秩序[2]。

3.4 构件运输

节段预制胶拼梁可采用平板车运输，市场中平板车运输常规载货尺寸为长13 m×宽2.5 m×高2.4 m，根据客户需求车型可加长至17.5 m×宽3.0 m×高4.5m（极限高度4.5 m）。一般平板车载重400 kN（40 t）以内较为常见，部分情况下载重550 kN（55 t）以上货物时，需要向交通部门报备。推荐采用节段长度2.5 m，以适应常规化且经济性好的运输现状。

3.5 现场架设

市域铁路节段拼装梁采用简支体系，适宜的现场架设方案主要有架桥机逐孔架设、汽车吊和少支架组合架设、墩梁一体机架设等。其中，上行式架桥机逐孔架设是目前铁路及轨道交通节段拼装梁常用的施工方法，但其对小半径曲线梁适应性稍差。采用少支架+汽车吊组合架设方案，需要在桥位处设置少量钢管立柱支架，梁段采用汽车吊吊装就位，可以实现多点作业。一体化架桥机是集预制墩柱、节段梁实现一体化架设功能的架桥机，设备投资大，经济性略差。经过综合考虑，市域铁路节段拼装梁拟采用上行式架桥机架设[3]。

4 结语

综上所述，在进行市域铁路桥梁设计建造时，要经过科学论证分析，通过多方案比选，采用合适的结构体系和梁型，并结合工程实际确定合理的结构尺寸及施工方案，保证施工方案的科学性、合理性、可行性，为具体的施工活动提供指导，减少施工质量隐患，提高铁路交通通行效率。同时，在节段预制拼装梁中使用高强钢束可以产生良好的经济实用价值，具有减小梁部腹板厚度、降低混凝土用量、减少预制节段分段数量、方便施工的优点。