城市軌道交通橋梁與鐵路客運專線橋梁剛度設(shè)計標準的比較分析

秦清華 邱 凌

(重慶市軌道交通(集團)有限公司，401120，重慶//第一作者，高級工程師)

為建立與城市軌道交通發(fā)展相配套的完備的生產(chǎn)、設(shè)計、科研能力和體系，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2017年發(fā)布了GB/T 51234—2017《城市軌道交通橋梁設(shè)計規(guī)范》(以下簡為“城軌規(guī)范”)，原鐵道部于2005年8月10日發(fā)布了《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(以下簡為“客專規(guī)定”)，國家鐵路局于2014年12月1日發(fā)布了TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》。上述規(guī)范對不同運營速度的線路、路基、軌道、橋涵、隧道和站場的設(shè)計技術(shù)標準作了規(guī)定。

其中，城軌規(guī)范和客專規(guī)定中橋梁的設(shè)計往往由剛度進行控制，但兩部規(guī)范對于具體的剛度標準存在一定差異。本文將城軌規(guī)范與客專規(guī)定中關(guān)于橋梁的剛度設(shè)計標準作簡要介紹與對比分析。

1 城軌規(guī)范和客專規(guī)定適用范圍

城軌規(guī)范適用于鋼輪鋼軌制式和跨坐式單軌制式，最高運行速度不超過120 km/h，且梁式橋跨度不大于150 m、斜拉橋和拱橋跨度不大于400 m、結(jié)合梁跨度不大于80 m，橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100 a。

盡管城規(guī)規(guī)范未對軌道結(jié)構(gòu)形式提出明確建議，但在工程實踐中，城市軌道交通橋梁多出于養(yǎng)護維修工作量的考慮而采用無砟軌道。

客專規(guī)定適用于鋼輪鋼軌制式，且各項規(guī)定均適用于有砟軌道。該規(guī)范要求本線旅客列車運行速度為200～250 km/h，跨線旅客列車運行速度不小于160 km/h，僅適用于跨度小于96 m的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁主要承重結(jié)構(gòu)使用年限為100 a。

目前，城市軌道交通高架橋主要采用箱形截面梁，近期亦開始采用U形截面梁；高架橋跨度通常采用25 m、35 m、40 m，其中以30 m居多，高架橋結(jié)構(gòu)形式采用簡支結(jié)構(gòu)和連續(xù)結(jié)構(gòu)，其中以簡支結(jié)構(gòu)為主。客運專線鐵路與此類似，僅在進行橋梁搶修及戰(zhàn)備時采用軍用梁進行代替，鐵路簡支梁常用跨度為24 m和32 m，且多選用雙線整孔箱形截面梁或兩個并置的單線箱形截面梁。

2 橋梁荷載

城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁在設(shè)計中均需考慮主力、附加力和特殊荷載，且荷載分類大體相同。表1列出了這兩類橋梁設(shè)計荷載中的共性項，表2則列出了這兩類橋梁設(shè)計荷載中的差異項。

表1 城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁設(shè)計荷載中的共性項

表2 城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁設(shè)計荷載中的差異項

剛度標準決定橋梁主要設(shè)計參數(shù)的選取。兩部規(guī)范中由剛度要求對應(yīng)的荷載組合相同，其中列車豎向靜活載是多項取值的基準，因此有必要對兩部規(guī)范中的靜活載取值加以對比。在城軌規(guī)范中，列車豎向靜活載圖式按本線列車的最大軸重、軸距及初期、近期和遠期中最長的列車編組確定，并按實際列車編組進行加載。常見的城市軌道交通A、B、C型車活載圖式見城軌規(guī)范[2]。

在客專規(guī)定中，列車豎向活載采用ZK(中國客運)活載[3]，其標準圖式見客專規(guī)定。將其與城軌荷載對比可知，以城市軌道交通常見的6輛編組、A型車為例，在對應(yīng)于列車長度的136.8 m范圍內(nèi)，城市軌道交通橋梁的活載總重為3 840 kN，而客運專線橋梁的活載總重為9 145.6 kN。如按常見的32 m簡支梁考慮，則城市軌道交通橋梁的活載總重為1 120 kN，客運專線橋梁的活載總重為2 438.4 kN。由此可見，兩種情況下客運專線橋梁活載均為城市軌道交通橋梁活載的2倍以上。

3 橋梁剛度要求

3.1 豎向撓度

根據(jù)城軌規(guī)范，由列車豎向靜活載引起的豎向撓度需要滿足表3中規(guī)定的限值要求。

表3 列車靜活載作用下的城市軌道交通橋梁豎向撓度限值

根據(jù)客專規(guī)定，在ZK活載靜力作用下，橋梁梁體的豎向撓度限值如表4所示。此外，計算拱橋和剛架橋的豎向撓度時，除考慮ZK活載外，尚應(yīng)計入溫度變形的影響，此時需按下列情況之不利者取值：①ZK靜活載撓度與0.5倍溫度變形引起的撓度值之和；② 0.63倍靜活載撓度與全部溫度變形引起的撓度值之和。同時豎向撓度需滿足表4所列限值的要求。

表4 ZK活載靜力作用下的客運專線橋梁梁體豎向撓度限值

對比兩規(guī)范的規(guī)定可知，客運專線對梁式橋分別規(guī)定了單跨布置和多跨布置條件下的撓度限值，且對溫度較為敏感的拱橋和剛架橋，還考慮了溫度的不利影響。城市軌道交通橋梁未將溫度變形納入考量，但對拱橋和斜拉橋?qū)ｉT作了撓度限值方面的規(guī)定，這樣降低了豎向撓度要求，也便于與梁式橋進行區(qū)分。以長度為32 m的簡支梁為例，客運專線規(guī)定ZK靜活載作用下?lián)峡绫认拗禐長/1 500，城市軌道交通橋梁規(guī)定在實際列車作用下?lián)峡绫认拗狄酁長/1 500，但由于活載取值的差異性，使得客運專線橋梁的實際豎向剛度要求明顯高于城市軌道交通橋梁。

3.2 豎向梁端轉(zhuǎn)角

城軌規(guī)范規(guī)定，在列車靜活載作用下，有砟軌道橋梁梁體單端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于5‰，無砟軌道橋梁梁體單端轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于3‰；當無砟軌道橋梁梁體單端豎向轉(zhuǎn)角大于2‰ 時，應(yīng)檢算梁端處軌道扣件的上拔力?？蛯Ｒ?guī)定則要求在ZK靜活載作用下，有砟軌道梁端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于2‰，無砟軌道梁端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于1‰。

為分析豎向梁端轉(zhuǎn)角對列車行車性能的影響，采用地鐵B型車進行了豎向線動力分析，其中輪軌采用赫茲非線性彈性接觸理論，并允許跳軌。車輛模型共10個自由度，且包涵車體和前后轉(zhuǎn)向架的沉浮和點頭以及輪對的沉浮等車輛振動型式。為避免實際橋梁剛度與規(guī)范限值的差異，采用連續(xù)布置的正弦波作為不平順輸入以表征橋梁變形的影響，波長范圍為30～40 m，幅值按照表3確定。當車速為120 km/h，得到車輛響應(yīng)結(jié)果列于表5。

表5 連續(xù)布置的正弦波不平順對應(yīng)的地鐵列車動力響應(yīng)

由表5可知，最不利波長為36 m。在此不平順的基礎(chǔ)上，通過疊加豎向梁端轉(zhuǎn)角引起的附加不平順，來考察由基礎(chǔ)沉降和跨中下?lián)?、梁端上翹引起的轉(zhuǎn)角不平順。豎向梁端轉(zhuǎn)角范圍為3‰～9‰。計算得到的地鐵列車動力響應(yīng)如表6所示。

由表6可知，豎向梁端轉(zhuǎn)角主要影響輪重減載率，對車體加速度影響不大。如以車體加速度達到的1.5 m/s2為舒適度限值，則梁端轉(zhuǎn)角允許達到6‰；如以輪重減載率0.60作為安全性標準，則梁端轉(zhuǎn)角允許達到7.5‰。另一個影響梁端轉(zhuǎn)角限值的因素是梁端區(qū)域的無砟軌道扣件上拔力。根據(jù)北京地鐵現(xiàn)場防爬試驗和多年列車運營經(jīng)驗可知，當一組扣件的扣壓力大于12 kN時方能防止鋼軌爬行。對采用WJ-7型扣件的無砟軌道，當扣件間距為0.629 m、轉(zhuǎn)角為1‰時，得到扣件上拔力為3.49 kN、下壓力為9.86 kN[4]，因此要求無砟軌道梁端轉(zhuǎn)角不超過3‰，且在超過2‰后就應(yīng)檢算扣件上拔力。有砟軌道雖未對扣件上拔力設(shè)限，但從保證梁縫處道床的穩(wěn)定性和滿足乘坐舒適度要求的角度而言，要求梁端轉(zhuǎn)角不超過5‰。

表6 正弦波不平順疊加梁端轉(zhuǎn)角對應(yīng)的地鐵列車動力響應(yīng)

與城市軌道交通相比，客運專線橋梁對梁端轉(zhuǎn)角的限值顯得更為嚴格。其中，有砟軌道梁端轉(zhuǎn)角限值主要參考德國DIN-101標準中的相關(guān)規(guī)定，并綜合考慮設(shè)計活載、動力系數(shù)和溫差影響等方面的差異，最終規(guī)定ZK靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于2‰。無砟軌道梁端轉(zhuǎn)角限值參考DS 804.5401《橋上無砟軌道的基本原則和一般要求》中“伸縮縫兩側(cè)鋼軌支點的豎向錯位不應(yīng)超過1 mm”的規(guī)定以及扣件上拔力的限制。經(jīng)計算，最不利情況下由錯臺1 mm引起的梁端轉(zhuǎn)角為1.6‰；ZK靜活載作用下梁端豎向轉(zhuǎn)角不大于1‰且梁端懸出長度不大于0.75 m時，梁端鋼軌支點可滿足扣壓力為12 kN的小阻力扣件受力要求?？紤]一定安全余量后，以1.0‰ 作為無砟軌道梁端豎向折角的限值。

3.3 梁體扭轉(zhuǎn)

城軌規(guī)范規(guī)定，在計入動力系數(shù)的列車活載作用下，由橋跨結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的梁體同一橫斷面上兩根鋼軌的豎向變形差不應(yīng)大于6 mm；在列車靜活載作用下，由沿梁縱向3 m長范圍內(nèi)局部翹曲變形引起的兩根鋼軌的豎向相對變形量不應(yīng)大于4.5 mm?？蛯Ｒ?guī)定則要求在ZK活載作用下，3 m長線路基準范圍內(nèi)兩根鋼軌的豎向相對變形量不應(yīng)大于1.5 mm。盡管兩部規(guī)范在梁體扭轉(zhuǎn)限值上存在差異，但由于客專規(guī)定僅適用于雙線且跨度不大于96 m的橋式結(jié)構(gòu)，因此梁體扭轉(zhuǎn)限值通常不控制客運專線橋梁設(shè)計；另一方面，部分抗扭剛度較小的大跨度城市軌道交通橋梁，如拱橋、斜拉橋和懸索橋，在風場作用下可能會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)超限的情況，因此需進行相應(yīng)檢算。

3.4 橫向水平撓度

城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁均要求在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度力作用下，橋跨結(jié)構(gòu)梁體的橫向水平撓度不宜大于計算跨度的1/4 000。其中，城軌規(guī)范規(guī)定，列車橫向搖擺力按相鄰兩節(jié)車4個軸軸重的15%計，若按地鐵A型車計算，列車橫向搖擺力為96 kN；客專規(guī)定中，列車橫向搖擺力為100 kN。由此可知，兩部規(guī)范中列車橫向搖擺力相差很小，因此針對橫向水平撓度，兩部規(guī)范要求基本一致。

3.5 墩臺橫向剛度

3.6 車橋耦合振動分析

城軌規(guī)范規(guī)定，針對L大于100 m的橋梁，應(yīng)按照實際運營列車進行車-橋或風-車-橋耦合振動分析，客專規(guī)定則要求對設(shè)計橋梁均按實際運營列車進行車-橋耦合動力響應(yīng)分析。兩部規(guī)范對列車走行安全性和乘坐舒適性的要求基本相同，在實際計算過程中，對橋面振動加速度的限值亦相同。

3.7 徐變上拱

城軌規(guī)范規(guī)定，L不大于50 m、鋪設(shè)無砟軌道的預應(yīng)力混凝土梁后期徐變變形量不大于10 mm，當L大于50 m時，則后期徐變變形量不大于L/5 000。客專規(guī)定要求常用跨度的簡支梁鋪軌后徐變上拱值不大于20 mm(有砟軌道)或10 mm(無砟軌道)。兩部規(guī)范針對混凝土梁徐變變形的限值相當，目的都是為了保證軌面的平順性。

3.8 自振頻率

城軌規(guī)范未對橋梁結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率加以限制，而客專規(guī)定為避免橋梁激烈振動，以及保證高速行車安全，對豎向自振頻率規(guī)定了限值。

4 結(jié)論

(1) 城軌規(guī)范和客專規(guī)定在車輛活載、動力響應(yīng)以及乘客乘坐舒適度等方面的差異是造成兩部規(guī)范對橋梁剛度要求不同的主要原因。

(2) 城軌規(guī)范適用于跨度不大于400 m的梁式橋、拱橋和斜拉橋，并分別針對這3種橋式規(guī)定了靜活載作用下的豎向撓度限值?？蛯Ｒ?guī)定適用于跨度不大于96 m的梁式橋，在規(guī)定豎向撓度限值時，除靜活載外還考慮了溫度變形的影響。兩部規(guī)范在車輛活載、動力響應(yīng)以及乘客乘坐舒適度等方面存在的差異，使得客運專線橋梁的實際豎向剛度要求明顯高于城市軌道交通橋梁。

(3) 城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁均需滿足豎向梁端轉(zhuǎn)角限值要求。對有砟軌道梁端轉(zhuǎn)角加以限制的目的是保證梁縫處道床的穩(wěn)定性和滿足乘坐舒適度要求，對無砟軌道梁端轉(zhuǎn)角加以限制的目的是保證扣件上拔力。其中針對客運專線橋梁的要求相對更為嚴格。

(4) 城軌規(guī)范和客專規(guī)定均對梁體扭轉(zhuǎn)進行了限制，且兩部規(guī)范的具體限值不同。但客運專線梁體扭轉(zhuǎn)往往不控制設(shè)計，而城市軌道交通則在部分大跨度橋梁上需據(jù)此確定抗扭剛度。

(5) 結(jié)構(gòu)橫向剛度的限值均需考慮梁體水平撓度、墩頂水平位移等因素，且兩部規(guī)范對該限值的要求基本相當。

(6) 兩部規(guī)范對墩頂水平撓度、徐變上拱等剛度指標限值的要求基本一致。

(7) 總體而言，鐵路運輸因其高密度、大運量、全天候運營的要求，對運行計劃和運輸秩序要求極高，且隨著客運專線里程的迅猛增長，少維修乃至免維修正日益成為鐵路養(yǎng)護維修部門的迫切需要，因此鐵路橋梁的設(shè)計長期以來采取了相對較高的標準。通過與城市軌道交通橋梁設(shè)計標準進行對比，并結(jié)合橋梁長期使用性能的監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鐵路橋梁部分剛度控制標準仍存在優(yōu)化空間，今后應(yīng)加強這一方面的研究。