重載鐵路橋梁設(shè)計的幾點思考

許三平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢　430063)

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重載鐵路橋梁設(shè)計的幾點思考

許三平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢430063)

摘要：簡要介紹重載鐵路特點及煤運通道蒙華鐵路三荊段自然環(huán)境、橋涵分布情況；結(jié)合煤運通道重載鐵路橋梁設(shè)計，從活載標(biāo)準(zhǔn)的選擇、橋式、橋型方案的確定、常用跨度簡支梁的選型、特殊跨度橋梁設(shè)計、橋墩設(shè)計等方面闡述重載鐵路橋梁設(shè)計思路。結(jié)合煤運通道城煙特大橋?qū)Ω邩驑蛐瓦x擇進行綜合分析，橋墩設(shè)計應(yīng)結(jié)合合理剛度選擇、施工、景觀等因素綜合確定。最后對煤運通道三荊段橋梁設(shè)計進行反思和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；橋梁設(shè)計；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；活載標(biāo)準(zhǔn)；橋式；橋型

1概述

重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低等優(yōu)點已成為許多國家鐵路貨運發(fā)展的方向。隨著煤運通道等貨運專線的建設(shè)，鐵路重載貨車的研制成功，為緩解鐵路運力緊張局面，起到了至關(guān)重要的作用。

重載鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有以下主要特點[1]：①重載列車牽引質(zhì)量至少8 000 t；②軸重到達或超過27 t；③在長度至少為150 km的線路區(qū)段上運量至少達到4 000萬t。由于列車軸重的提高，相應(yīng)加大了作用在軌道、橋梁及路基等結(jié)構(gòu)上的荷載，橋梁承載能力等需要根據(jù)重載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

煤運通道三門峽至荊門段，正線長度464.366 km，沿線跨越黃河流域洛河水系，漢江流域漢江干流、丹江、唐白河、浰河水系，表現(xiàn)為“北高南低、北山南原”的地貌特征，橋梁長度主要為跨谷、通航、排洪、道路立交控制。全線正線共設(shè)大中橋219座，橋梁長共計80 619.94延米，橋梁長度占線路長度的17.4%

2活載標(biāo)準(zhǔn)研究

2.1活載標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

鐵路活載標(biāo)準(zhǔn)是鐵路技術(shù)政策的體現(xiàn)，不僅關(guān)系到橋梁和線路的技術(shù)發(fā)展，還影響到機車車輛指標(biāo)、列車質(zhì)量、密度和速度等運輸因素，目前國外鐵路活載標(biāo)準(zhǔn)均較高，軸重一般在30～35 t，部分軸重達到40 t。國內(nèi)大秦鐵路開行25 t軸重列車，山西中南部鐵路則采用30 t軸重[2]。

2006年鐵道部科技司印發(fā)了“鐵路橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)研究科研成果中-活載(2005)設(shè)計活載圖式，明確貨運專線采用ZH活載。2010年，原鐵道部針對車輛發(fā)展趨勢，結(jié)合重載鐵路運輸實踐，開展研究工作。研究認(rèn)為(2005)ZH活載存在中小跨度橋涵儲備偏低的現(xiàn)象，建議將特種活載25 t集中力修訂為28 t，稱為(2010)ZH活載。

2.2煤運通道運輸特點

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道具有煤炭產(chǎn)地多、消費地分散，銜接的集疏運線路較多，且通道上煤炭消費地少、消耗小等特點，不同于大秦鐵路等“點到點”運輸性質(zhì)的重載鐵路，其軸重標(biāo)準(zhǔn)的選擇與集疏運線路的相關(guān)性較強，活載圖式的選擇宜考慮相關(guān)既有線的實際情況。煤運通道煤炭主要通過多條既有鐵路疏運，約占疏運總量的55%。結(jié)合既有疏運線路情況，煤運通道三門峽至荊門段相關(guān)的既有線主要有漢丹線、襄渝線、焦柳線、武九線、京九線、石長線、雅宜線等。

相關(guān)既有鐵路橋梁在2001年前一般較多地采用的是“專橋2059”標(biāo)準(zhǔn)梁圖，2001年結(jié)合99新規(guī)范編制了“專橋(01)2051；期間2004年為適用于下部結(jié)構(gòu)已施工的遂渝、膠濟、武九、浙贛、隴海等線，編制了“專橋9753”；2005年結(jié)合05新規(guī)范編制了“通橋(2005)2101”。為了評估既有鐵路開行25t軸重列車做出比較準(zhǔn)確的評價，對既有線梁部進行了檢算。檢算表明，當(dāng)采用C80車輛荷載時，“專橋2059”及以后生產(chǎn)的梁各項技術(shù)指標(biāo)能滿足規(guī)范要求，但鋼筋保護層、道砟厚度等耐久性指標(biāo)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，存在一定的風(fēng)險和隱患。

2.3煤運通道活載選擇

以煤運通道三荊段為例，采用(2005)ZH活載(Z=1.1、1.2)時，煤運通道三荊段相比采用(2005)ZH活載(Z=1.0)橋涵本章概算分別增加投資約占橋涵本章費用的1.23%、2.93%，并不明顯。

根據(jù)《鐵路主要技術(shù)政策》，我國新建重載鐵路設(shè)計軸重不低于30 t，結(jié)合我國既有鐵路將以開行C80貨車為發(fā)展方向?qū)嶋H，橋梁設(shè)計應(yīng)具備相當(dāng)?shù)陌l(fā)展儲備系數(shù)和影響效應(yīng)安全儲備，設(shè)計活載采用1.2倍的(2005)ZH活載(圖1)，列車下行至既有線時，可采取重新編組、加固、改造既有線橋涵來處理。

圖1　活載圖式(單位：m)

3梁型選擇

3.1常用跨度梁

重載鐵路橋梁主要以簡支梁為主，而40 m以下跨度的常用跨度橋梁占橋梁的比例一般都很高。煤運通道鐵路三荊段共設(shè)簡支梁4 508孔，約占橋梁長度的95.6%。合理地選擇常用跨度橋梁的結(jié)構(gòu)形式、跨度，對橋梁景觀、工程投資均有很大影響。

結(jié)合本線煤炭運輸為主、兼顧客運的運輸模式，橋梁荷載大、動力性能要求不高的特點，其橋面布置形式和其他Ⅰ級鐵路的橋面布置形式保持一致。這樣在梁部施工中可方便運輸、吊裝以及架設(shè)，并且相關(guān)的機械設(shè)備和施工工藝也相對成熟。結(jié)合經(jīng)濟、戰(zhàn)備、施工方便等因素，雙線有砟軌道簡支梁梁型選用4片簡支T梁。

根據(jù)速度目標(biāo)值及設(shè)計活載，目前編制了鐵路簡支T梁通橋2101、2201、晉中南橋2103，但均需優(yōu)化。本線設(shè)計活載與晉中南橋一致，通橋2201由于適用于客貨共線鐵路，梁部剛度較大，也能滿足設(shè)計要求。綜合比較，通橋2201由于梁高較高，橋面板較厚，混凝土數(shù)量雖大于晉中南橋2103，但混凝土強度等級比晉中南橋2103低，且鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線數(shù)量均較小，綜合造價優(yōu)于晉中南橋2103，因此本線決定在通橋2201基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。橋跨考慮經(jīng)濟、施工及景觀因素，橋梁孔跨布置一般以32 m簡支梁等跨布置，24 m簡支梁僅用于調(diào)跨的原則。

3.2特殊跨度橋梁

當(dāng)采用常規(guī)跨度簡支梁受線路高程控制或斜交跨越一般道路、溝渠且不宜改移時，考慮采用小跨度連續(xù)剛構(gòu)、框架等結(jié)構(gòu)形式。

跨越鐵路、高等級公路等特殊工點的橋跨結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合工點的實際情況，一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁、連續(xù)梁、T構(gòu)，鋼桁梁、拱橋、斜拉橋等結(jié)構(gòu)形式。考慮重載鐵路荷載大、運輸密度高，特殊結(jié)構(gòu)需加強強度及疲勞等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的檢算，并采用切實可行的施工方法。

重載鐵路由于其自身選線特點，高墩、大跨是重載鐵路不可避免的橋梁結(jié)構(gòu)形式，如何確定山區(qū)高橋的結(jié)構(gòu)類型及跨度是重載鐵路的一個重要課題，有必要作歸納和總結(jié)，以期對日后重載鐵路橋梁工程建設(shè)有所借鑒。有研究表明，一般簡支梁(主跨32 m)，當(dāng)墩高達到70 m以上，由于高墩的費用急劇增加，且高墩施工難度大，工程投資較大跨度連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)高。結(jié)合高墩施工難度大、建設(shè)工期長，對防洪、環(huán)保影響大等因素，一般墩高達到70 m以上，優(yōu)先選擇大跨橋梁結(jié)構(gòu)。

當(dāng)橋高在40～70 m時，需結(jié)合地質(zhì)資料、橋梁結(jié)構(gòu)形式、施工方法、技術(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)確定。結(jié)合蒙西華中地區(qū)鐵路三荊段城煙特大橋，對32 m簡支T梁、48、56、64 m大跨度簡支箱梁橋式方案作以下分析。

本線在靈寶市，線路橫跨低山溝谷及鄉(xiāng)村。并跨越灞底河、三淅高速、G209國道。全橋位于“S”曲線上，橋全長1 313.24 m。由于跨越溝谷，全橋橋高在50～60 m。

由于跨越灞底河、三淅高速、G209國道，根據(jù)立交協(xié)議及防洪要求需采用連續(xù)梁外，余孔跨均無要求。采用32 m簡支T梁，48、56、64 m大跨度簡支箱梁方案，結(jié)合蒙西華中鐵路初步設(shè)計概算定額標(biāo)準(zhǔn)，本橋4種橋式方案投資估算見表1。

表1　城煙特大橋綜合概算匯總

從以上投資概算來看，32 m簡支T梁最經(jīng)濟，其次是64 m簡支箱梁，但考慮施工組織等因素，相差并不大。考慮景觀效果、綠色環(huán)保施工、有無聲屏障簡支T梁間的銜接、技術(shù)創(chuàng)新及施工周期等因素，推薦采用64 m為主簡支箱梁方案，節(jié)段拼裝施工技術(shù)的使用不僅能夠保證節(jié)段混凝土的澆筑質(zhì)量，同時可大大提高橋梁的施工速度，保證工期，施工對周邊環(huán)境影響小，因此該技術(shù)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代橋梁施工發(fā)展的一個方向。簡支箱梁采用節(jié)段預(yù)制造橋機拼裝，避免了整孔箱梁預(yù)制需要的較大的預(yù)制場地，同時防止采用小跨度簡支梁出現(xiàn)的高墩林立的現(xiàn)象。節(jié)段拼裝可使梁部施工與墩臺施工同步進行，最快施工速度達到了9 d完成一孔梁，加快了橋梁建設(shè)周期。

4橋墩設(shè)計

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道涉及的既有疏運線路，其橋墩一般采用實體橋墩，部分較早修建的橋墩還采用了輕型橋墩。分析表明，既有線橋墩存在剛度不足、鋼筋保護層厚度不足、偏心超限、樁基承載力超限等問題。隨著列車軸重增加、編組加大和運營密度提高，列車?yán)塾嬓?yīng)明顯增大，橋梁病害逐漸增多且存在加速發(fā)展的趨勢，列車運營存在安全隱患。

結(jié)合煤運通道特點，雙線橋梁擬采用雙線圓端形實體橋墩和雙線圓端形空心橋墩(墩高較高時)，對這2種橋墩的剛度限值進行研究，提出可參考的橋墩尺寸，同時，還將對曲線上橋墩的橫向預(yù)偏心進行計算分析，提出合理的橫向預(yù)偏心值。

研究表明：當(dāng)實體橋墩高度H≤14 m且墩身設(shè)計為直坡時，墩身偏心控制設(shè)計，墩身剛度不控制設(shè)計。當(dāng)橋墩高度H>14 m時，墩身設(shè)計為變坡，同時，由于橋墩設(shè)計高度較高，墩頂位移可能控制設(shè)計。結(jié)合煤運通道各測段地質(zhì)資料，通過對各分級控制墩高橋墩的位移、剛度、墩身強度、偏心及樁基礎(chǔ)計算分析，當(dāng)橋墩橫橋向尺寸滿足構(gòu)造要求時，橋墩橫向水平線剛度不控制設(shè)計。圓端形空心橋墩設(shè)計時，由于橋墩設(shè)計高度較高，墩頂位移可能控制設(shè)計。結(jié)合煤運通道三荊段各測段地質(zhì)資料，對各分級控制墩高橋墩的位移、剛度、自振周期、墩身強度、偏心及樁基礎(chǔ)計算分析，當(dāng)橋墩高度為30 m≤H<60 m時，橋墩縱向水平線剛度限值仍采用規(guī)范限值，當(dāng)橋墩高度為60 m≤H≤70 m時，橋墩縱向水平線剛度應(yīng)適當(dāng)加強，建議橋墩縱向水平線剛度不小于1.15倍規(guī)范限值。為了滿足橋墩橫橋向位移要求，橋墩橫向水平線剛度也應(yīng)滿足一定限值要求。當(dāng)橋墩高度為30 m≤H<50 m時，建議橋墩橫向水平線剛度不小于755 kN/cm，當(dāng)橋墩高度為50 m≤H≤70 m時，建議橋墩橫向水平線剛度不小于730 kN/cm?？紤]橋墩多位剛度控制及全線橋墩設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，避免不必要的混淆，建議雙線橋墩不設(shè)置墩頂橫向預(yù)偏心。

重載鐵路目前仍采用無縫線路規(guī)范，新修編的基本規(guī)范對重載鐵路的線剛度限制適當(dāng)進行了提高，當(dāng)墩高較高時，設(shè)計一般為剛度控制設(shè)計，因此景觀效果也差，這顯然是不合適的。規(guī)范規(guī)定的橋墩線剛度，應(yīng)是滿足鋼軌強度檢算、無縫線路穩(wěn)定性檢算可滿足要求的最不利橋墩剛度。煤運通道設(shè)計時，結(jié)合部分高橋工點進行了合理剛度計算分析，分析表明一般為橋臺前的一個橋墩剛度控制設(shè)計，其他橋墩的剛度并不

控制，而高橋高墩一般集中在橋梁中部，橋臺附近的橋墩一般不高，剛度不控制設(shè)計。因此高墩的設(shè)計宜結(jié)合剛度、無縫線路檢算、施工、景觀等因素綜合確定。

5結(jié)語

我國重載貨運專線鐵路發(fā)展實踐僅有10余年歷史，到現(xiàn)在尚無重載鐵路設(shè)計規(guī)范頒布，也只有一條按重載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的山西中南部鐵路開通運營，結(jié)合煤運通道三荊段設(shè)計，提出以下幾點建議。

(1)活載標(biāo)準(zhǔn)選用宜結(jié)合疏運特點，并考慮發(fā)展儲備系數(shù)和影響效應(yīng)安全儲備。

(2)線路選線避免穿越地形變化劇烈的山區(qū)，確無法避免時，宜采用大跨結(jié)構(gòu)跨越，施工采用懸灌、頂推等施工方法施工，避免高支架現(xiàn)澆施工，梁部及軌道設(shè)計時考慮相鄰橋墩溫度效應(yīng)對不同高度橋墩高程變化的影響。

(3)并行既有建筑物跨越通航河流時，線間距除滿足防洪及通航安全論證要求外，尚應(yīng)滿足相關(guān)行業(yè)安全條例要求。

(4)因功能需要需采用大跨結(jié)構(gòu)時，應(yīng)優(yōu)先選擇抗疲勞性強、耐久性好的上承式混凝土結(jié)構(gòu)。

(5)橋墩設(shè)計時，橋墩尺寸宜結(jié)合經(jīng)濟、施工條件、地質(zhì)資料、景觀效果及基礎(chǔ)剛度綜合確定。

本線聲屏障梁采用橋面兩側(cè)現(xiàn)澆混凝土橫梁，橫梁外側(cè)設(shè)置聲屏障立柱基礎(chǔ)T梁方案，后期增設(shè)聲屏障時，梁部改造困難，結(jié)合有聲屏障T梁經(jīng)濟性不佳等特點，有聲屏障簡支梁梁型有待進一步研究。

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收稿日期：2015-11-24； 修回日期：2015-12-01

作者簡介：許三平(1970—)，男，教授級高級工程師，1994年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土建結(jié)構(gòu)專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

文章編號：1004-2954(2016)07-0077-03

中圖分類號：U442.5

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.018

Study on the Design of Heavy Haul Railway Bridges

XU San-ping

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：This paper briefly introduces the features of the heavy haul railway and the natural environment the distribution of bridges and culverts on Sanmenxia-Jingmen coal corridor. This paper addresses the design concepts for heavy haul railway bridges in terms of live load standard selection， bridge type and bridge scheme determination， selection of common span simply supported beam， design of special span bridge and bridge piers. With reference to Yancheng bridge on coal corridor， the selection of Takahashi bridge type is analyzed. The bridge design should address such factors as the selection of reasonable stiffness， construction and landscape and other factor. Finally the design of bridges on Sanmenxia-Jingmen section is reviewed and summarized．

Key words：Heavy haul railway; Bridge design; Technical standards; Live load standard; Bridge form; Bridge type