客貨共線鐵路簡支箱梁優(yōu)化設(shè)計研究

蘇永華，班新林，石 龍，尹 京，楊心怡，李承君，袁 磊

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

自20世紀50年代以來，中國既有客貨共線鐵路橋梁大量采用分片式T梁結(jié)構(gòu)，T梁外側(cè)設(shè)置人行道角鋼支架，橋上設(shè)置護軌。60年來的建設(shè)和運營維護經(jīng)驗表明，T梁的一次性建設(shè)成本雖然較箱梁低，但由于角鋼支架和護軌的養(yǎng)護需求，其全壽命周期成本較高。目前，中國高速鐵路橋梁大量采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)，在箱梁設(shè)計、施工、運維等方面積累了大量經(jīng)驗[1]。2014年，原鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院發(fā)布了時速160km、時速200km客貨共線鐵路簡支箱梁圖紙[2-3]，在滬通鐵路、青連鐵路上取得了一定的應(yīng)用經(jīng)驗[4]。隨著TB/T3466—2016《鐵路列車荷載圖式》，TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》，TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》等新規(guī)范的頒布，以及ZKH荷載的應(yīng)用和新的構(gòu)造要求，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所牽頭開展了時速160km、時速200km客貨共線鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁通用參考圖的設(shè)計修訂工作，對箱梁梁高、橋面電纜槽布置、遮板等進行了優(yōu)化。本文主要以時速200km客貨共線鐵路箱梁為例，對其設(shè)計修訂情況進行介紹，并給出具體優(yōu)化建議。

1 箱梁設(shè)計

時速160 km、時速200 km客貨共線鐵路簡支箱梁系列圖紙設(shè)計，包含跨度32 m梁、跨度24 m高梁、跨度24 m矮梁、跨度20 m矮梁4種跨度系列，每種跨度分為雙線整孔、單線、雙線并置箱梁3種，總計24套設(shè)計圖紙[5]。以時速200 km 32 m雙線整孔簡支箱梁為例，其全長32.6 m，計算跨度31.5 m，梁高2.6 m，梁寬11.6 m，腹板傾斜度為1∶5，跨中腹板厚360 mm，梁端腹板厚900 mm，截面尺寸見圖1。32 m雙線整孔箱梁修訂前后參數(shù)對比見表1。

圖1 時速200 km 32 m雙線整孔簡支箱梁截面尺寸(單位：mm)

1.1 梁高比選

時速160 km、時速200 km客貨共線鐵路32 m簡支箱梁梁高在2.5，2.6，2.7 m之間比選。以時速200 km 客貨共線鐵路箱梁為例，對單線、雙線32 m簡支箱梁按照3種梁高展開試設(shè)計，并計算了主要設(shè)計指標，不同梁高32 m單線、雙線箱梁主要材料用量(曲線線路有聲屏障)分別見表2和表3[6-7]?？芍涸诹焊?.5，2.6，2.7 m情況下，單線、雙線箱梁的各項受力及變形指標均滿足規(guī)范限值要求；梁高由2.5 m增加至2.7 m時，混凝土方量與普通鋼筋用量增加1.84%～2.50%，鋼絞線用量減少8.35%～8.41%，考慮混凝土、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼材單價，其總材料價格相當。

表1 32 m雙線整孔箱梁修訂前后參數(shù)對比

表2 不同梁高32 m單線箱梁主要材料用量

表3 不同梁高32 m雙線箱梁主要材料用量

在考慮客貨共線鐵路有砟軌道不平順譜、徐變變形、墩臺不均勻沉降共同影響的情況下，分析CRH2列車以最高速度240 km/h作用于單線、雙線不同梁高32 m簡支箱梁，分析梁高對橋梁動力響應(yīng)和動車組動力響應(yīng)的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明：當CRH2動車組以速度不大于240 km/h通過橋梁時，不同梁高的單線、雙線32 m簡支箱梁的動力響應(yīng)均在容許值之內(nèi)，列車行車安全性滿足要求，列車乘坐舒適度均合格；相同梁高的單線、雙線32 m簡支箱梁的車橋動力響應(yīng)差別不大。

原參考圖中客貨共線鐵路32 m簡支箱梁與相同時速的簡支T梁梁高一致，時速200 km時梁高 2.7 m，時速 160 km 時梁高2.5 m；2種時速的24，20 m簡支箱梁梁高均為2.2 m。本次修訂時速200 km 32 m 簡支箱梁梁高宜為2.6 m以節(jié)省工程量，并有利于運梁車通過隧道。為了體現(xiàn)不同線路等級的差別，時速160 km 32 m簡支箱梁梁高為2.5 m。

1.2 橋面布置

2014版客貨共線鐵路箱梁參考圖中，為了保證雙線箱梁滿足運梁過隧的要求，電纜槽采用箱內(nèi)布置，時速200 km 箱梁橋面寬11.6 m，時速160 km箱梁橋面寬11.4 m，時速200 km直線雙線整孔箱梁橋面布置見圖2。

圖2 時速200 km直線雙線整孔箱梁橋面布置(單位：mm)

使用客貨共線鐵路簡支箱梁的滬通鐵路目前正在準備四電施工，調(diào)研情況如下：①電纜槽在箱內(nèi)布置沒有照明，連續(xù)梁箱內(nèi)布置需要繞過支點處隔板并適應(yīng)梁高變化；②鋼電纜槽每延米203元，彎折點增多，電纜及電纜槽長度增加10%左右，需要特制符合電纜彎曲半徑的異形槽道；③電纜只能在橋頭放線，全部人工敷設(shè)，施工效率低，施工措施費增加；④為了保證施工安全，進人孔位置需要布置鋼板；⑤箱梁與路基連接處、箱梁與鋼桁梁連接處構(gòu)造較難處理；⑥運營過程中的檢查、維修等不便捷；⑦由于站內(nèi)正線間距為5 m，設(shè)計了大量梁寬12.1 m的雙線整孔箱梁。

圖3 接觸網(wǎng)立柱位置橋面布置(單位：mm)

本次修訂為了保證雙線箱梁可以滿足運梁過隧的要求，橋面寬度與原設(shè)計保持一致，而電纜槽采用橋面布置。接觸網(wǎng)立柱位置橋面布置見圖3。一般區(qū)段，人行道空間可以滿足電力電纜槽和通信信號槽的并列布置。接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)所在斷面電力電纜槽寬120 mm，通信信號槽寬210 mm，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研并與電化專業(yè)人員溝通，該空間可滿足電纜布置要求。中間用倒T形RPC(Reactive Powder Concrete)預(yù)制構(gòu)件隔開，隔板厚2 cm，實現(xiàn)電力電纜與通信信號電纜分槽敷設(shè)。

2 設(shè)計創(chuàng)新

2.1 取消遮板設(shè)計

德國、法國、西班牙及葡萄牙高速鐵路橋梁的橋面較寬，寬度基本在13 m以上，為了保護橋面板橫向預(yù)應(yīng)力封錨區(qū)域，避免橋面橫向排水侵蝕梁體，翼緣板端部設(shè)置遮板，并作為欄桿的安裝基礎(chǔ)。日本、韓國及中國臺灣高速鐵路的橋面寬度相對較小，橋面板一般不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力體系，多采用翼緣板端部設(shè)置混凝土邊墻來代替欄桿。中國高速鐵路箱梁的欄桿和聲屏障均安裝在混凝土遮板上，遮板為混凝土預(yù)制構(gòu)件，在橋位處吊裝至橋面，通過預(yù)留鋼筋和橋面豎墻現(xiàn)澆在一起。預(yù)制遮板技術(shù)為高速鐵路箱梁提供了整齊的外觀，拓寬了橋面建筑寬度，提供了聲屏障立柱安裝空間。但建設(shè)經(jīng)驗表明，橋面豎墻的現(xiàn)澆工作量大，遮板較笨重，不宜精確安裝，導(dǎo)致聲屏障立柱很難精確定位，同時遮板通過與豎墻連接傳遞荷載，結(jié)構(gòu)受力效率低。

本次設(shè)計修訂提出客貨共線鐵路簡支箱梁取代遮板的方案：在橋面翼緣設(shè)置混凝土邊墻，安裝欄桿和聲屏障。在不需要運梁過隧路段，邊墻在梁場澆注。在需要運梁過隧路段，當欠填等措施無法滿足運梁過隧要求時，邊墻在橋位處現(xiàn)澆，通過橋面預(yù)留鋼筋連接。邊墻每隔8 m設(shè)置斷縫。取消遮板橋面邊墻設(shè)計見圖4。

圖4 取消遮板橋面邊墻設(shè)計(單位:mm)

時速200 km 32 m簡支箱梁混凝土用量修訂前后對比見表4。可知：有聲屏障區(qū)段，1孔32 m簡支箱梁使用邊墻方案節(jié)省混凝土16.26 m3，低于有聲屏障雙線T梁；欄桿區(qū)段，1孔32 m簡支箱梁使用邊墻方案節(jié)省混凝土12.29 m3。修訂后箱梁節(jié)省了箱內(nèi)電纜槽及支架的費用。

表4 時速200 km 32 m簡支箱梁混凝土用量修訂前后對比 m3

2.2 取消箱梁橋面護軌

關(guān)于客貨共線鐵路箱梁橋設(shè)置護軌的相關(guān)研究情況如下：

1)世界各國研究提出的橋上列車運營安全措施主要包括橋上增設(shè)護軌、橋上增設(shè)限位阻擋設(shè)施、車底增設(shè)限位導(dǎo)向裝置。日本在列車底部設(shè)置脫軌限位裝置，在明橋面設(shè)置護軌；法國、加拿大、俄羅斯在有砟軌道設(shè)置護軌；德國和中國高速鐵路設(shè)置防護墻，不設(shè)置護軌。

2)中國客貨共線鐵路多采用簡支T梁，擋砟墻不具備防止脫軌的功能，當橋長大于50 m時，有砟橋面均設(shè)置護軌。當機車車輛在橋頭或橋上脫軌時，脫軌車輪將被限制于護軌與基本軌之間的輪緣槽內(nèi)，防止機車車輛脫軌后撞擊橋梁或墜落。護軌與主軌間距初期為220 mm，大型振搗機械作業(yè)時必須拆除護軌，故后期護軌與主軌間距調(diào)整至490 mm。

3)中國TB 10002—2017規(guī)范3.5.2條規(guī)定客貨共線鐵路未設(shè)置考慮脫軌荷載作用的防護墻時，應(yīng)在橋上基本軌內(nèi)側(cè)鋪設(shè)護軌。國際鐵路聯(lián)盟規(guī)范規(guī)定：“在有砟鋼橋面或有砟鋼筋混凝土橋面上鋪設(shè)線路時，為了控制列車在橋上脫軌的后果，可以設(shè)置保護措施；如果擋砟墻比軌枕上緣高且足夠堅固，能起到控制車輪的作用，亦可不另設(shè)防護措施”。

4)中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司在鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題《客貨共線鐵路橋梁不設(shè)護軌的技術(shù)措施研究》(合同編號：2011G020)中提出，為防止列車脫軌后沖出橋面，擋砟墻高度應(yīng)不低于軌頂標高，按直、曲線擋砟墻采用等高設(shè)計，高度取1 050 mm，列車脫軌橫向碰撞力為196 kN/m，作用點位于軌頂位置。

5)客貨共線箱梁橋面擋砟墻根部厚度設(shè)計為250 mm，墻體采用C40混凝土，配置HRB500高強鋼筋設(shè)計，沿擋砟墻縱向設(shè)置斷縫，斷縫間距4 m。為保證墻體橫向剪力傳遞，斷縫處設(shè)置3肢直徑20 mm的抗剪鋼筋，可以抵抗列車脫軌撞擊力。

6)據(jù)測算，單線橋護軌的成本為495元/延米，考慮30年換1次，100年內(nèi)單線橋護軌成本為 1 485 元/延米。對于1孔橋長32.6 m的雙線橋，全壽命周期內(nèi)護軌成本為 96 822 元。

綜上所述，新建客貨共線鐵路簡支箱梁具備不設(shè)置護軌的條件，不僅節(jié)省工程建設(shè)成本，還方便大型振搗機械作業(yè)。

3 結(jié)論

1)通過靜動力分析及材料用量比選，時速200 km 32 m簡支箱梁梁高為2.6 m，時速160 km 32 m簡支箱梁梁高為2.5 m。

2)考慮運梁過隧空間限制，時速200 km箱梁橋面寬11.6 m，時速160 km箱梁橋面寬11.4 m，電力電纜槽與通信信號槽放置于橋面，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研并與電化專業(yè)人員溝通，該空間可滿足電纜布置要求。

3)取消既有箱梁的遮板，并在橋面翼緣設(shè)置混凝土邊墻，安裝欄桿和聲屏障。根據(jù)現(xiàn)場施工情況可隨梁預(yù)制或在橋位現(xiàn)澆。

4)取消客貨共線鐵路箱梁橋面護軌設(shè)置，擋砟墻可兼作防護墻。