浩吉鐵路常用跨度簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)及優(yōu)化

朱 超,劉玉亮,徐立松,梁 磊,汪鵬翔

(1.浩吉鐵路股份有限公司,北京 100073； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概況

浩吉鐵路是一條新建雙線電氣化重載鐵路，線間距4 m，軌道類型為有砟軌道。浩吉鐵路北起東烏鐵路的浩勒?qǐng)?bào)吉站，經(jīng)內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西七省(自治區(qū))，終點(diǎn)到達(dá)江西省吉安市，線路全長(zhǎng)1 814.33 km，為世界上一次建成最長(zhǎng)的重載鐵路[1]。

目前，常用跨度簡(jiǎn)支梁是我國(guó)鐵路橋梁的主要形式[2]，簡(jiǎn)支梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化對(duì)工程的質(zhì)量、功能及造價(jià)具有明顯影響。浩吉鐵路全線常用跨度簡(jiǎn)支梁合計(jì)單線為1.79萬(wàn)孔，折合雙線為8 950孔，其中無(wú)聲屏障梁7 958孔，有聲屏障梁992孔。常用跨度簡(jiǎn)支梁數(shù)量在全線的橋梁中占比較大，其結(jié)構(gòu)型式選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)工程外觀、質(zhì)量、建設(shè)工期及造價(jià)均有重要影響。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，常用跨度簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)類型采用有砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁，單線梁采用2片梁，雙線梁采用4片梁，各片梁之間通過(guò)橫隔板和橋面板現(xiàn)澆混凝土連成整體，隔板處加設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋。簡(jiǎn)支T梁按有、無(wú)聲屏障分為兩個(gè)系列，每個(gè)系列包含32、24、20 m和16 m四個(gè)跨度梁型[3]。研究表明，重載鐵路經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)的梁型為跨度32 m簡(jiǎn)支T梁和跨度64 m簡(jiǎn)支箱梁[4]。結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)架梁設(shè)備，潔吉鐵路以采用跨度32 m簡(jiǎn)支T梁為主，跨度24、20 m和16 m梁作為配跨使用。

2 簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[5]

(1) 環(huán)境類別及作用等級(jí)

一般大氣條件下無(wú)防護(hù)措施的地面結(jié)構(gòu)，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用等級(jí)為T1、T2。

(2)設(shè)計(jì)速度

客車160 km/h，重載貨物列車100 km/h(C62、C64為80 km/h)。

(3)線路情況

單、雙線，正線直、曲線，線間距4.0～5.0 m。

(4)適應(yīng)線路最小曲線半徑

線路曲線半徑根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、地形及地物確定，其中一些聯(lián)絡(luò)線上需要設(shè)置更小的曲線半徑。常用跨度簡(jiǎn)支梁工點(diǎn)多，需要適應(yīng)各種不同的曲線半徑，設(shè)計(jì)中采用不同跨度簡(jiǎn)支梁以滿足不同曲線半徑工點(diǎn)橋的需要，詳見(jiàn)表1。

表1 適用最小曲線半徑

跨度32 m梁用于曲線半徑小于1 200 m，跨度24 m用于曲線半徑小于800 m地段，應(yīng)調(diào)整邊梁與邊梁或邊梁與中梁腹板中心距以滿足大機(jī)養(yǎng)護(hù)的要求。

(4)線路設(shè)備軌枕為Ⅲ型枕，軌底枕下道砟厚度最小為350 mm， 軌底至梁頂?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算高度取700 mm。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

2.2.1 恒載

(1)梁體混凝土容重按25 kN/m3計(jì)算。

(2)二期恒載包括線路設(shè)備、道砟、人行道鋼橫梁、人行道板、RPC蓋板、聲屏障及其立柱、橫隔板濕接縫、工地制防水層和保護(hù)層及擋砟塊的重力。設(shè)聲屏障梁聲屏障自重按每側(cè)4 kN/延米進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)采用二期恒載如表2所示。

表2 二期恒載

2.2.2 活載

(1)列車活載：采用中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)，如圖1所示。

圖1 列車活載標(biāo)準(zhǔn)圖式(單位：m)

特載圖式如圖2所示。

圖2 特載圖式(單位：m)

動(dòng)力系數(shù)按TB10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》計(jì)算，即

1+μ=1+12/(30+L)

式中，L為計(jì)算跨度，m。

(2)人行道活載

人行道豎向靜活載值為4.0 kPa，計(jì)算主梁時(shí)人行道活載不與列車活載同時(shí)組合。人行道板按豎向集中荷載1.5 kN計(jì)算。

(3)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TB10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》第4.3.6條計(jì)算。

(4)橫向搖擺力取120 kN，作為一個(gè)集中活載作用于橋梁結(jié)構(gòu)最不利位置，其作用點(diǎn)在垂直線路中心線的鋼軌頂面，對(duì)于雙線橋只取一線上的橫向搖擺力[6]。

2.3 主要材料[7]

(1)混凝土

梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60。

封錨混凝土采用補(bǔ)償收縮細(xì)石混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力封錨混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，橫向預(yù)應(yīng)力封錨混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

現(xiàn)場(chǎng)澆筑橫隔板及橋面板連接濕接縫混凝土采用補(bǔ)償收縮細(xì)石混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C40。

人行道板、L形擋砟塊混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

電纜槽蓋板采用RPC蓋板，內(nèi)設(shè)E5鋼筋網(wǎng)。

(2)預(yù)應(yīng)力筋

縱向預(yù)應(yīng)力筋采用公稱直徑為15.2 mm的鋼絞線，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa。

橫向預(yù)應(yīng)力筋采用公稱直徑16 mm預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒，抗拉強(qiáng)度1 420 MPa，彈性模量為2.0×105MPa，松弛率2%。

(3)鋼筋

研究表明[8]，在客貨共線、重載鐵路簡(jiǎn)支T梁中采用高強(qiáng)度鋼筋經(jīng)濟(jì)性更好。因此。普通鋼筋采用HPB300鋼筋及HRB400鋼筋。

(4)人行道橫梁鋼料、預(yù)埋鋼板采用Q345，預(yù)埋套筒采用45號(hào)鋼調(diào)制。

2.4 橋面布置

鐵路橋梁的橋面布置除滿足行車要求外，還需考慮大機(jī)養(yǎng)護(hù)、檢修通道及電纜鋪設(shè)的要求。根據(jù)線路大機(jī)養(yǎng)護(hù)的要求，線路中心距擋砟墻內(nèi)側(cè)距離不小于2.2 m[9]，同時(shí)考慮曲線上橋梁按平分中矢法布置，橋面中心線至擋砟墻內(nèi)側(cè)距離采用2.25 m。單線(圖3)采用2片邊梁，雙線(圖4)采用2片邊梁和2片中梁。雙線梁按線間距4.0 m設(shè)計(jì)，當(dāng)線間距在4.0～5.0 m時(shí)，調(diào)整中梁間濕接縫寬度，當(dāng)線間距大于5.0 m時(shí)采用雙單線并置布置，同一座橋全橋采用一種布置形式。橋面兩側(cè)設(shè)人行道，無(wú)檢查梯側(cè)人行道寬為0.85 m，設(shè)檢查梯側(cè)人行道寬為1.0 m。人行道采用裝配式結(jié)構(gòu)[10]，鋼橫梁結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)預(yù)制混凝土U形槽+RPC蓋板形式，擋砟墻上預(yù)埋套筒。鋼橫梁與聲屏障基座焊接成整體，采用螺栓與預(yù)埋套筒連接。電纜鋪設(shè)于U形槽內(nèi)，頂部采用RPC混凝土蓋板覆蓋。

圖3 單線梁橋面布置(單位：mm)

圖4 雙線梁橋面布置(單位：mm)

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.5.1 影響結(jié)構(gòu)尺寸因素

重載鐵路橋梁的恒載和活載均大于一般客貨共線鐵路[11]，對(duì)簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。結(jié)構(gòu)尺寸確定不僅要綜合考慮梁體抗彎、抗剪、預(yù)應(yīng)力管道的保護(hù)層厚度[12]，而且還需要考慮梁體剛度和車橋動(dòng)力響應(yīng)效應(yīng)。研究表明[13-14]，橋梁在徐變、溫度、橋墩沉降等作用下會(huì)發(fā)生多種靜態(tài)變位，而且跨度越短、車速越高則對(duì)橋梁靜態(tài)變位的要求越嚴(yán)格。設(shè)計(jì)時(shí)需在預(yù)測(cè)橋梁靜態(tài)變位的基礎(chǔ)上合理選擇橋梁剛度。橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)與重載列車的軸重有較明顯的相關(guān)性，豎向位移和橫向位移均隨著列車軸重的提高而增大[15-16]。預(yù)制梁橋面寬度、腹板厚度及梁體高度綜合考慮以上影響因素和現(xiàn)有運(yùn)架梁設(shè)備確定，跨度32 m梁梁高2.6 m，腹板厚度0.24 m，邊梁橋面寬2.3 m，中梁橋面寬1.7 m。

2.5.2 預(yù)應(yīng)力筋布置

預(yù)應(yīng)力筋布置根據(jù)預(yù)制梁需要的預(yù)應(yīng)力度及梁體允許變形量和存梁、運(yùn)輸時(shí)支點(diǎn)的設(shè)置位置綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧。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，從跨中至梁端分批彎起，起彎點(diǎn)及彎起角度根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算確定。

3 細(xì)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

浩吉鐵路常用跨度簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)總結(jié)了山西中南部鐵路通道簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合客貨共線簡(jiǎn)支T梁使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)養(yǎng)護(hù)維修通道、梁端伸縮裝置等附屬設(shè)施進(jìn)行了較大幅度優(yōu)化改進(jìn)，改善了其使用性能，降低了T梁工程造價(jià)。

3.1 調(diào)整人行道寬度，取消避車臺(tái)設(shè)置

根據(jù)TB/T10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，重載鐵路線路中心至人行道欄桿內(nèi)側(cè)的凈距小于3.25 m時(shí)設(shè)置避車臺(tái)。

客貨共線簡(jiǎn)支T梁人行道寬度有2種，分別為1.05 m和0.8 m，當(dāng)人行道寬度采用0.8 m時(shí)，直線段即可滿足線路中心至人行道欄桿內(nèi)側(cè)的凈距不小于3.25 m，曲線段由于線路中矢的影響，線路中心至人行道欄桿內(nèi)側(cè)的凈距小于3.25 m。

適當(dāng)加寬人行道的寬度，檢查梯設(shè)置于人行道下方。不設(shè)檢查梯側(cè)寬度0.85 m，設(shè)檢查梯側(cè)寬度1 m，從而保證了線路中心至人行道欄桿內(nèi)側(cè)的凈距不小于3.25 m，取消避車臺(tái)設(shè)置。取消避車臺(tái)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了施工難度和工程造價(jià)。

3.2 人行道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.1 鐵路簡(jiǎn)支T梁人行道概況

浩吉鐵路開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)鐵路簡(jiǎn)支T梁通用參考圖分為無(wú)聲屏障和設(shè)聲屏障兩個(gè)系列。

無(wú)聲屏障梁人行道由擋砟墻處預(yù)埋T形鋼、外設(shè)角鋼拼結(jié)三角支架和鋼筋混凝土人行道板組成，角鋼之間采用螺栓連接，其中水平肢角鋼伸出欄桿外側(cè)，以便安裝電纜槽，外掛式電纜槽設(shè)置于欄桿外側(cè)，見(jiàn)圖5。

圖5 無(wú)聲屏障梁人行道結(jié)構(gòu)(單位：mm)

設(shè)聲屏障梁的人行道結(jié)構(gòu)采用整體橋面形式，兩側(cè)現(xiàn)澆橋面板與預(yù)制梁之間采用疊合搭接方案，搭接厚度13 cm?，F(xiàn)澆懸臂板與預(yù)制梁之間設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，橫向預(yù)應(yīng)力筋采用3根一束鋼絞線，順橋向間距1 m，見(jiàn)圖6。

圖6 設(shè)聲屏障梁人行道結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.2.2 存在的主要問(wèn)題

客貨共線簡(jiǎn)支T梁在制造和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題或不便之處，主要有如下3方面。

(1)無(wú)聲屏障梁拼結(jié)的角鋼支架整體性較差，連接螺栓多，加大了后期的養(yǎng)護(hù)工作量。電纜槽放置于欄桿外側(cè)，給施工和檢修帶來(lái)了一定的困難，且外掛式電纜槽造價(jià)較高。

(2)聲屏障梁的人行道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工序繁瑣，質(zhì)量不易保證。

(3)有、無(wú)聲屏障梁的人行道高度和寬度均不同，電纜槽位置在平面和立面上也不在同一位置上，有、無(wú)聲屏障梁相接孔跨人行道和電纜槽均需要采取過(guò)渡措施。

3.2.3 優(yōu)化措施

(1)人行道支架改為組合工字形鋼橫梁，鋼橫梁上鋪設(shè)鋼筋混凝土雙U形槽，每側(cè)提供兩個(gè)電纜槽道，頂部采用RPC混凝土蓋板覆蓋，見(jiàn)圖7。電纜鋪設(shè)于U形槽內(nèi)，鋪設(shè)、檢算方便，且節(jié)省了外持電纜槽費(fèi)用。工字形鋼橫梁在工廠焊接成型，質(zhì)量易于保證。

圖7 浩吉鐵路無(wú)聲屏障梁人行道結(jié)構(gòu)(單位：mm)

(2)整體焊接的工字形鋼橫梁整體性好，剛度大，為設(shè)置聲屏障提供了條件，設(shè)聲屏障采用了與無(wú)聲屏障梁類似的人行道結(jié)構(gòu)，在鋼橫梁的外側(cè)端部焊接聲屏障立柱基礎(chǔ)，聲屏障立柱與基礎(chǔ)間螺栓連接。立柱基礎(chǔ)采用鋼板圍成的盒狀結(jié)構(gòu)，為在人行道內(nèi)檢查聲屏障連接螺栓提供了便利條件，見(jiàn)圖8。

圖8 浩吉鐵路設(shè)聲屏障梁人行道結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.3 梁端防排水設(shè)施

鐵路簡(jiǎn)支T梁一般梁端均設(shè)置防排水設(shè)施，防排水設(shè)施由預(yù)埋角鋼、套筒和橡膠止水帶及鋼壓條組成，其上采用纖維混凝土封閉，鋼蓋板覆蓋，見(jiàn)圖9。原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工序多，造價(jià)高。

圖9 梁端防排水構(gòu)造(單位：mm)

防排水設(shè)施主要防止雨水從梁端直接下排，影響梁端預(yù)應(yīng)力錨具和支座的耐久性。目前在預(yù)制梁生產(chǎn)時(shí)均對(duì)錨具和封錨混凝土進(jìn)行了防水處理，支座距梁端還有一定距離，且端縫處覆蓋有擋砟鋼板，下排的雨水對(duì)錨具和支座的影響較小，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)取消橡膠止水帶及其相應(yīng)預(yù)埋件，僅保留上部擋砟鋼板，如圖10所示。設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)化了施工，降低了造價(jià)。梁端設(shè)置擋水臺(tái)，擋水臺(tái)高出橋面保護(hù)層1～5.2 cm。擋砟鋼蓋板平置。

圖10 優(yōu)化后梁端擋水臺(tái)及擋砟蓋板(單位：mm)

3.4 浩吉鐵路T梁與客貨共線鐵路T梁工程數(shù)量的對(duì)比

浩吉T梁與客貨共線T梁每孔跨度32 m雙線梁的主要工程數(shù)量及造價(jià)見(jiàn)表3，工程數(shù)量及造價(jià)里均僅包含梁部預(yù)制、現(xiàn)澆和橋面系。客貨共線T梁采用通橋(2016)2101系列梁。

表3 浩吉鐵路T梁與客貨共線鐵路T梁工程數(shù)量及造價(jià)對(duì)比

浩吉鐵路為重載鐵路，其設(shè)計(jì)列車活載為客貨共線鐵路設(shè)計(jì)活載的1.2倍。在設(shè)計(jì)列車活載加大的前提下，浩吉鐵路無(wú)聲屏障簡(jiǎn)支T梁與客貨共線簡(jiǎn)支T梁相比造價(jià)基本相當(dāng)，設(shè)聲屏障梁造價(jià)遠(yuǎn)低于客貨共線梁，優(yōu)化效果明顯。

4 試制、試驗(yàn)

浩吉鐵路常用跨度簡(jiǎn)支梁人行道組合結(jié)構(gòu)是一種新型的鐵路簡(jiǎn)支T梁人行道結(jié)構(gòu)，為保證施工工藝的可操作性和結(jié)構(gòu)的可靠性，批量使用前，通過(guò)試驗(yàn)梁的試制試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)內(nèi)容包含一片梁的靜載試驗(yàn)、人行道結(jié)構(gòu)制造和安裝，以及6 m長(zhǎng)的設(shè)置聲屏障人行道結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證浩吉鐵路簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)方案可行，結(jié)構(gòu)安全，其強(qiáng)度和剛度均滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)通過(guò)評(píng)審后，在浩吉鐵路全線推廣使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹浩吉鐵路后張法簡(jiǎn)支T梁的設(shè)計(jì)和一些優(yōu)化措施，浩吉鐵路首次采用一種新型的工字形鋼橫梁和混凝土U形槽及RPC蓋板組成的組合結(jié)構(gòu)，為電纜的鋪設(shè)和檢修及聲屏障的設(shè)置均提供了便利條件，節(jié)省了造價(jià)較高的外掛式電纜槽。有、無(wú)聲屏障梁的橋面寬度和高度完全一致，相接順暢，避免了復(fù)雜的過(guò)渡措施。取消避車臺(tái)和優(yōu)化梁端防排水設(shè)施簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了施工難度。浩吉鐵路簡(jiǎn)支T梁優(yōu)化設(shè)計(jì)后提高了其使用功能，降低了工程造價(jià)，對(duì)重載鐵路和客貨共線鐵路簡(jiǎn)支梁的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。