重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計及經(jīng)濟(jì)性分析

徐 輝,張世基,嚴(yán)章榮,孟慶濤

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計研究院,北京 100055)

重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計及經(jīng)濟(jì)性分析

徐 輝,張世基,嚴(yán)章榮,孟慶濤

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計研究院,北京 100055)

針對國內(nèi)首條重載鐵路山西中南部鐵路通道工程的建設(shè),結(jié)合系列簡支T梁和連續(xù)梁的工程設(shè)計和經(jīng)濟(jì)性分析,得出重載預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的合理設(shè)計,通過中活載與重載兩種荷載模式下常用跨度簡支T梁和系列連續(xù)梁的設(shè)計、研究,對比分析橋梁上部及下部結(jié)構(gòu)的材料用量和延米造價,確定山西中南部鐵路通道工程采用的混凝土梁橋線通圖,主要結(jié)論如下：(1)預(yù)應(yīng)力混凝土梁部設(shè)計在活載采用重載列車時,其材料用量提高值小于其承載能力提高值；(2)活載采用重載列車對下部結(jié)構(gòu)的影響比值較小。

重載鐵路；預(yù)應(yīng)力混凝土；簡支梁；連續(xù)梁； T梁;箱形梁；設(shè)計；經(jīng)濟(jì)性

1 工程概況

重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國的廣泛重視，特別是在一些幅員遼闊、資源豐富、煤炭和礦石等大宗貨物運(yùn)量占有較大比重的國家，如美國、加拿大、巴西、澳大利亞、南非等，發(fā)展尤為迅速。世界鐵路重載運(yùn)輸是從20世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)并發(fā)展起來的，60年代中后期，重載運(yùn)輸開始取得實質(zhì)性進(jìn)展，并逐步形成強(qiáng)大的生產(chǎn)力。在2005年國際重載協(xié)會理事會上，對新申請加入國際重載協(xié)會的重載鐵路，要求滿足以下3條標(biāo)準(zhǔn)中的至少2條：列車牽引質(zhì)量不小于8 000 t、軸重達(dá)270 kN以上、在長度不小于150 km線路上年運(yùn)量不低于4 000萬t[1]。

山西中南部鐵路通道工程在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：列車牽引質(zhì)量10 000 t、軸重達(dá)300 kN、全長1 300 km，年運(yùn)量2億t，完全滿足2005年國際重載協(xié)會所提的3個標(biāo)準(zhǔn)，是國內(nèi)真正意義上的第一條重載鐵路。山西中南部鐵路通道西起山西省呂梁市興縣瓦塘鎮(zhèn)，途經(jīng)河南北部地區(qū)，東至山東省日照市日照港，于2010年開工建設(shè)，2015年全部建成通車，范圍為：正線洪洞北至日照南段(鐵路正線里程DK319+000～DK1 279+700)；聯(lián)絡(luò)線跨太焦、京廣、京九、京滬、兗日等工程，正線長度923.995 km，相關(guān)配套改建工程，共計90.986 km，共有橋梁148座，總長216.2 km，橋梁占線路長度的21.3%。

2 設(shè)計參數(shù)

(1)設(shè)計速度：客車160 km/h，貨車為120 km/h(C96、C80為100 km/h)。

(2)線路情況：雙線，正線直、曲線，最小平面曲線半徑800 m，線間距4.0～5.0 m。

(3)橋面寬度：單線鐵路橋面寬4.9 m，雙線鐵路橋面寬8.9 m(線間距4.0 m時)，橋面兩側(cè)設(shè)人行道，人行道寬度分為0.8、1.05 m二種。

(4)設(shè)計荷載[2-5]

①結(jié)構(gòu)恒載

按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.2.1條進(jìn)行計算，二期恒載含線路設(shè)備、道砟、人行道支架、步板、聲屏障、電纜槽、擋砟塊、現(xiàn)澆橋面板及橫隔板濕接縫的重力。聲屏障自重按4 kN/延米計算，設(shè)計采用的二期恒載值為：單線直線梁84.14 kN/m；單線曲線梁92.49 kN/m；雙線直線梁169.24 kN/m；雙線曲線梁184.33 kN/m。

②活載

列車活載：設(shè)計列車活載采用“中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.2)”，如圖1所示。

動力系數(shù)：動力系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)4.3.5-3公式計算， 即:1+μ=1+12/(30+L)，其中L為梁的計算跨度。

圖1 列車活載圖式

人行道荷載：豎向靜活載值為4.0 kPa，計算主梁時人行道活載不與列車活載同時組合。人行道板按豎向集中荷載1.5 kN計算。

離心力：曲線橋梁上的離心力大小等于列車豎向靜活載乘以離心力率C，水平向外作用于軌頂以上2.2 m處，離心力率C按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.3.6條計算。

橫向搖擺力、附加力、特殊荷載取值按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)計算。

③荷載組合

主力組合、主力+附加力組合，取最不利組合，并對特殊荷載進(jìn)行檢算。

3 常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁設(shè)計及分析[6]

針對本線的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計了常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁線通圖，涉及16、20、24、32 m共4種常用跨度。

橋面布置見圖2，單線橋面寬4.9 m，線間距為4.0 m時，雙線橋面寬8.9 m，調(diào)整2片中梁間濕接縫寬度，線間距變化范圍在4.0～5.0 m。

圖2 雙線梁橋面布置(曲線)(單位：mm)

3.1 重載鐵路簡支T梁整體受力適應(yīng)性研究[7]

(1)設(shè)計原則

我國普通客貨共線鐵路在用的簡支T梁共有2個系列通用參考圖，設(shè)計圖號為通橋(2005)2101和通橋(2005)2201[8-9]，分別適用于設(shè)計時速160 km和200 km客貨共線鐵路。兩個系列通用參考圖主要梁型梁體混凝土強(qiáng)度等級均采用C55，因時速200 km鐵路對橋梁剛度要求較高，通橋(2005)2201各跨度梁高比通橋(2005)2101高0.1～0.2 m。重載鐵路橋梁剛度要求與時速160 km鐵路要求相同，考慮到列車軸重較大，簡支T梁設(shè)計時跨度32 m和24 m梁高在通橋(2005)2101基礎(chǔ)上各增加0.1 m，跨度20 m和16 m梁高與通橋(2005)2101相同，設(shè)計中梁體混凝土強(qiáng)度等級采用C60。

(2)結(jié)構(gòu)尺寸

預(yù)制梁邊梁橋面頂總寬為2.3 m，外側(cè)橋面板厚0.13 m，內(nèi)側(cè)橋面板厚0.24 m，腹板厚0.24 m，擋砟墻高0.45 m；中梁橋面頂總寬為1.7 m，橋面板厚0.24 m，跨度32 m梁腹板厚0.27 m(跨度24 m及以下梁腹板厚0.24 m)。

(3)預(yù)應(yīng)力筋布置

重載鐵路橋梁二期恒載和活載較大，預(yù)制梁需要相對較大的預(yù)應(yīng)力度，增加梁體預(yù)應(yīng)力度同時會引起梁體變形加大，影響存梁、運(yùn)輸時支點(diǎn)的設(shè)置，各設(shè)計指標(biāo)相互影響，因此預(yù)應(yīng)力布置需要統(tǒng)籌兼顧。重載鐵路的特點(diǎn)為年運(yùn)量大、列車編組長，疲勞荷載作用次數(shù)遠(yuǎn)大于普通鐵路，為滿足結(jié)構(gòu)使用年限的要求，設(shè)計中需調(diào)小預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力幅限值，按預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力幅不大于100 MPa進(jìn)行控制(規(guī)范相應(yīng)值為140 MPa)，預(yù)應(yīng)力筋布置于下翼緣和腹板內(nèi)，采用曲線布置形式。

(4)簡支T梁整體受力適應(yīng)性研究結(jié)論

經(jīng)計算強(qiáng)度、剛度、裂縫控制主要計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，承載能力滿足重載鐵路要求。結(jié)構(gòu)在靜活載下的梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比較小，設(shè)計主要由強(qiáng)度和應(yīng)力控制。

3.2 重載鐵路常用跨度簡支T梁經(jīng)濟(jì)性研究

在相同設(shè)計時速、相同跨度的情況下，本線梁與采用中-活載的通橋(2005)2101系列梁的主要指標(biāo)對比分析見表1。

表1 不同列車活載系列簡支T梁對比

注：上述數(shù)值均為每延米梁部材料用量，混凝土單位為m3/m，鋼材均為t/m。

從表1分析可知：梁部混凝土用量提高系數(shù)為1.017～1.044(單線)/1.004～1.046(雙線)；鋼絞線用量提高系數(shù)為1.143～1.193(單線直線)/1.102～1.219(單線曲線)/1.150～1.189(雙線直線)/1.133～1.222(雙線曲線)；普通鋼筋用量提高系數(shù)1.686～1.713(單線)/1.408～1.480(雙線)。普通鋼筋用量異常增大的原因為：通橋(2005)2101梁未考慮聲屏障荷載(非聲屏障梁不能安裝聲屏障)，ZH活載(系數(shù)Z=1.2)常用跨度梁考慮聲屏障荷載(非聲屏障梁可以加裝聲屏障，T梁懸臂板橫向鋼筋加強(qiáng))。

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁梁部設(shè)計在活載采用重載列車時，其材料用量提高值均小于其承載能力提高值。

4 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計及分析

為適應(yīng)跨越鐵路、公路、市政道路、河流，高山深谷區(qū)等復(fù)雜工點(diǎn)，本線設(shè)計系列重載預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。連續(xù)梁采用變高度單箱單室形式，采用懸臂澆筑或支架現(xiàn)澆等方法，具有架設(shè)便捷、跨度大，技術(shù)成熟的特點(diǎn)。本線選用的連續(xù)梁類型及跨度見表2。

表2 連續(xù)梁類型及跨度

4.1 重載列車作用下連續(xù)梁整體受力適應(yīng)性研究[10]

4.1.1 設(shè)計原則

(1)梁體構(gòu)造：采用直、曲線梁合并設(shè)計，雙線梁線間距大于4 m時，保持箱體底寬不變，僅根據(jù)線間距的變化相應(yīng)增加翼緣懸臂板長度。曲線上梁按曲梁曲做原則布置，梁體輪廓、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束及管道等沿徑向依據(jù)曲率進(jìn)行調(diào)整，支座按徑向布置。

(2)預(yù)應(yīng)力筋：梁體不設(shè)橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋，僅設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。適當(dāng)加強(qiáng)腹板束，以提高全梁的承載力。設(shè)計中沒有采用連續(xù)梁常用的三向預(yù)應(yīng)力體系，主要依據(jù)為：參照本線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)梁橋面寬度較窄，且翼緣板懸臂長度較小，箱體橫向結(jié)構(gòu)受力普通鋼筋混凝土滿足規(guī)范要求，橋面不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。國內(nèi)外大量連續(xù)梁的監(jiān)控、調(diào)查發(fā)現(xiàn)箱體豎向預(yù)應(yīng)力的損失很大，所起到的抗剪作用有限，因而連續(xù)梁設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋，僅作為安全儲備，不計入豎向和斜向抗剪計算。

4.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸

梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)，梁底下緣按二次拋物線變化，各跨度連續(xù)梁截面主要尺寸見表3。

表3 各跨度連續(xù)梁截面設(shè)計參數(shù)

4.1.3 連續(xù)梁受力適應(yīng)性研究結(jié)論

各跨度連續(xù)梁(曲線線間距5.0 m)在主力下最小強(qiáng)度安全系數(shù)、最小抗裂安全系數(shù)、主跨跨中下緣混凝土最小壓應(yīng)力、殘余徐變拱度、靜活載下梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比等主要計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，承載力滿足重載鐵路要求。結(jié)構(gòu)在靜活載下的梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比均較小，設(shè)計主要由強(qiáng)度和應(yīng)力控制。

4.2 重載鐵路連續(xù)梁經(jīng)濟(jì)性研究[6]

下面選用幾種常用跨度，在相同設(shè)計時速、相同跨度的情況下，與采用中-活載的連續(xù)梁進(jìn)行對比，主要指標(biāo)對比見表4。

表4 不同列車活載系列連續(xù)梁對比

注：括號內(nèi)數(shù)字為連續(xù)梁跨中梁高。

結(jié)論：在設(shè)計優(yōu)化的情況下，梁高和主要材料用量未現(xiàn)大幅增長。

5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析[11]

橋墩采用鐵路常用鋼筋混凝土圓端形實體與空心橋墩，墩身截面一般采用單一坡比的圓端形，墩身高H從托盤底算起。考慮施工方便及橋梁的景觀功能，各跨度的簡支梁橋墩外形一致，根據(jù)跨度、墩高決定直段長B、圓端直徑D及墩身坡n，墩身縱向最小尺寸不小于2.0 m。為簡化設(shè)計，便于施工，同一跨度的雙線橋墩墩身直曲線合并設(shè)計，單線橋墩尺寸比較小，直曲線墩身分開設(shè)計。當(dāng)墩身高不大于30 m時，采用實體墩，否則采用空心圓端形橋墩。不等跨的簡支梁，墩身采用較大跨度的墩身及托盤，頂帽做成不等高，墊石分開設(shè)置。

雙線橋墩設(shè)計尺寸見表5。

表5 橋墩設(shè)計參數(shù)

墩身混凝土、鋼筋應(yīng)力、墩頂水平線剛度均滿足規(guī)范要求，基礎(chǔ)設(shè)計根據(jù)需要一般采用樁基礎(chǔ)和明挖基礎(chǔ)設(shè)計。橋墩檢算結(jié)果見表6。

表6 橋墩檢算結(jié)果

6 主要結(jié)論與建議

6.1 主要結(jié)論

(1)相對于中-活載(2101梁)，本線ZH活載(系數(shù)Z=1.2)常用跨度梁在梁高指標(biāo)上32 m和24 m梁各增加10 cm，20 m和16 m梁梁高一致，梁體混凝土強(qiáng)度等級由C55提高至C60，混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的用量增加在14%以下，普通鋼筋的用量增加原因為加裝2 m高以下聲屏障引起，ZH活載(系數(shù)Z=1.2)常用跨度梁較大增加運(yùn)能，材料用量增幅相對較小，體現(xiàn)了設(shè)計精細(xì)化、經(jīng)濟(jì)性能高的特點(diǎn)，材料的節(jié)省符合環(huán)保設(shè)計的要求。

(2)在優(yōu)化預(yù)應(yīng)力體系的情況下，重載連續(xù)梁相對于中-活載連續(xù)梁混凝土用量沒有增加，預(yù)應(yīng)力材料用量相對活載提高20%以上的情況下僅增加7%以下，普通鋼筋的用量增加因安裝2 m高以下聲屏障引起，相對于T梁經(jīng)濟(jì)上提高的幅度更小。

(3)重載相對于普通中-活載，橋墩墩身數(shù)量基本無變化，對樁長的影響增加長度在2 m以下。

(4)從橋梁整體來看，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋在本線橋梁中占比在90%以上，在全橋造價增幅小于6%的情況下，承受活載能力大幅提高20%，在大宗散貨運(yùn)輸鐵路線上具有大運(yùn)量兼具經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，是未來的發(fā)展方向。

6.2 建議

目前山西中南部鐵路工程為ZH活載(系數(shù)Z=1.2)，在運(yùn)能大的線路區(qū)間上研究系數(shù)Z>1.2的系列活載模式下的重載梁是必要的，對社會節(jié)能環(huán)保做出合理設(shè)計，保護(hù)日益重要的生態(tài)環(huán)境。

[1] 鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.重載鐵路設(shè)計規(guī)范(送審稿)[S].北京：鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，2010.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB 10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(2009版).北京：中國計劃出版社，2009.

[6] 徐輝.重載鐵路橋梁設(shè)計研究報告[R].北京：中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，2013.

[7] 劉玉亮.重載鐵路簡支T形梁設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(9):43-47.

[8] 鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.時速160 km客貨共線鐵路預(yù)制后張法簡支T梁(角鋼支架方案)[S].北京：中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，2005.

[9] 鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.時速200 km客貨共線鐵路預(yù)制后張法簡支T梁(角鋼支架方案)[S].北京：中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，2005.

[10]胡國華.山西中南部鐵路通道重載連續(xù)梁設(shè)計[J].鐵道勘察，2012(3)：59-63.

[11]中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

Design & Economic Analysis of Heavy Haul Railway Prestressed Concrete Bridge

XU Hui, ZHANG Shi-Ji, YAN Zhang-rong, MENG Qing-tao

(Bridge Design and Research Institute of China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

With respect to the construction of the first heavy haul railway in central and southern part of shanxi, this paper addresses the rational design of prestressed concrete beam bridge on heavy haul railway based on the engineering design and economic analysis of series of simple supported T beam and continuous beam. Comparative analysis is conducted of the beam and the upper and lower structure material dosage and the linear meter cost on the basis of the design and research on the live load and overload in conventional span under two load modes of series of simply supported T beam and continuous beam, and to draw out the map of concrete beam bridge and track. The main conclusions are as follows: (1) when the live load of prestressed concrete beam is calculated in the case of the heavy haul train, its material consumption value is less than its carrying capacity improvement value; (2) when the live load is calculated with the heavy haul train, the impact on the infrastructure is smaller.

Heavy haul railway; Prestressed concrete; Simple supported beam; Continuous beam; T beam; Box beam; Design; Economic

2015-04-10；

2015-04-29

中國中鐵股份有限公司科技研究重點(diǎn)項目(2013-重點(diǎn)-2)

徐 輝(1970—)，男，高級工程師，1992年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系橋梁工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：xuh_hpdi@sina.com。

1004-2954(2015)12-0053-05

U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.013