城際鐵路無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)研究

張曉江

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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城際鐵路無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)研究

張曉江

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

隨著我國(guó)城市圈建設(shè)步伐的加快，城際鐵路的建設(shè)日益加快，國(guó)家鐵路局于2015年頒布了城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，其標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)研究也正開展。在此背景下，基于更好體現(xiàn)城際鐵路建設(shè)經(jīng)濟(jì)性要求、充分利用T梁造價(jià)低與施工便捷等優(yōu)點(diǎn)的目的，在借鑒珠三角、武漢城市圈城際等項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究時(shí)速200 km無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁的構(gòu)造，并通過采用桿系有限元分析方法建立相應(yīng)計(jì)算模型，對(duì)其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行驗(yàn)算，同時(shí)采用實(shí)體有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁可以滿足強(qiáng)度、剛度等相關(guān)規(guī)范要求，且能有效降低工程造價(jià)，可在城際鐵路建設(shè)中推廣。

鐵路橋梁；簡(jiǎn)支T梁；無(wú)砟軌道；剛度；城際鐵路

1　概況

城際鐵路是指專門服務(wù)于相鄰城市間或城市群，旅客列車設(shè)計(jì)速度200 km/h及以下的快速、便捷、高密度客運(yùn)專線鐵路[1]。標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁可采用箱梁、T梁兩種結(jié)構(gòu)形式。為充分體現(xiàn)城際鐵路的功能需求和技術(shù)特點(diǎn)，文獻(xiàn)[2]通過對(duì)一個(gè)模擬項(xiàng)目進(jìn)行概算分析，方案按100 km線路長(zhǎng)，50%橋梁均勻分布考慮。分別按32、24、20、16 m跨度量估算，研究結(jié)果表明：城際鐵路簡(jiǎn)支梁綜合工程造價(jià)由低到高排列順序?yàn)門梁、箱梁，以32 m箱梁方案為基準(zhǔn)，T梁方案可節(jié)省工程造價(jià)17%左右。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣均認(rèn)為T梁的剛度較小，變形不易控制[2]，其結(jié)構(gòu)特性無(wú)法滿足無(wú)砟軌道鋪設(shè)及變形要求，而整孔簡(jiǎn)支箱梁具有整體性好、抗扭剛度大的優(yōu)點(diǎn)[3-5]，故既有設(shè)計(jì)T梁均全部采用有砟軌道。對(duì)于城際鐵路，其設(shè)計(jì)時(shí)速居中，設(shè)計(jì)活載為高速鐵路活載的75%。由于標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁占全部橋梁比重極高[6]，若采用無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁，不但可以大大節(jié)省工程投資，同時(shí)可以充分發(fā)揮無(wú)砟軌道少維護(hù)、平順性好，穩(wěn)定性高，維修工作少的優(yōu)點(diǎn)[7-9]，故本文對(duì)城際鐵路標(biāo)準(zhǔn)32 m跨度、設(shè)計(jì)時(shí)速200 km無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁的設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行研究。

對(duì)于無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁的設(shè)計(jì)，除滿足結(jié)構(gòu)受力要求外，如何更好地控制梁體變形成了無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容[10]，根據(jù)規(guī)范規(guī)定需滿足以下剛度要求[1]。

(1)在列車豎向靜活載作用下，梁體的豎向撓度不應(yīng)大于表1規(guī)定的限值。

表1　梁體的豎向撓度限值

(2)設(shè)計(jì)速度200 km/h時(shí)無(wú)砟橋面預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在軌道鋪設(shè)完成后豎向殘余徐變變形應(yīng)符合豎向變形不應(yīng)大于10 mm。

(3)梁體橫向變形的限值應(yīng)符合在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體的水平撓度不應(yīng)大于梁體計(jì)算跨度的1/4 000。

(4)列車豎向靜活載作用下梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順限值，在3 m長(zhǎng)的線路范圍一線兩根鋼軌相對(duì)變形量限值應(yīng)符合當(dāng)設(shè)計(jì)速度200 km/h時(shí)，豎向相對(duì)變形量不應(yīng)大于3.0 mm要求。

(5)設(shè)計(jì)速度200 km/h，簡(jiǎn)支梁豎向基頻不應(yīng)低于23.58L-0.592。

(6)在列車豎向靜活載作用下，橋梁梁端豎向轉(zhuǎn)角限值為2.0‰。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1總體布置

簡(jiǎn)支T梁一般為分片式組裝，分片數(shù)可靈活采用，雙線簡(jiǎn)支T梁可由4片、5片或者6片梁組成，本次設(shè)計(jì)結(jié)合文獻(xiàn)[8]的研究，同時(shí)與既有通用參考圖保持一致按4片式T梁進(jìn)行研究。

時(shí)速200 km城際鐵路線間距為4.2 m，線路中心線至防護(hù)墻距離為1.9 m，線路中心線離欄桿內(nèi)側(cè)距離為3.25 m，維修通道寬度為0.85 m，故采用橋面總寬為10.1 m，如圖1所示。

圖1　時(shí)速200 km無(wú)砟軌道雙線簡(jiǎn)支T梁橋面布置(單位：mm)

2.2尺寸設(shè)計(jì)

T形截面主要由頂板、腹板兩部分組成，細(xì)部尺寸的擬定既要滿足T梁縱、橫向受力的要求，又要滿足無(wú)砟軌道連接結(jié)構(gòu)構(gòu)造及施工上的需要。研究基于有限元分析，獲得不同參數(shù)下的結(jié)構(gòu)靜力性能，綜合受力、施工等提出適用于無(wú)砟軌道要求的參數(shù)尺寸[11-12]。

(1)頂板寬度

根據(jù)橋面布置需要，同時(shí)考慮頂板受力情況，無(wú)砟梁中梁頂板寬度均按1.7 m考慮，邊梁頂板寬度為1.95 m。同時(shí)考慮到裝吊時(shí)穿鋼絲繩的需要，兩片梁之間的縫隙大于0.06 m。

(2)頂板厚度

頂板厚度要滿足最小厚度0.12 m的要求，橋面板橫向彎矩受力需要和普通鋼筋構(gòu)造要求，橋面板與梁腹板相交處的厚度，不應(yīng)小于梁高的1/10，根據(jù)橫框計(jì)算，靠近腹板根部頂板厚度采用0.32 m，端部頂板厚采用0.2 m。同時(shí)對(duì)于邊梁，應(yīng)滿足吊裝時(shí)橫向穩(wěn)定性的要求，同時(shí)為消除預(yù)應(yīng)力橫向偏心產(chǎn)生的不利影響，確定橋面板各部分厚度時(shí)，盡量使梁截面重心位于腹板中線上。

(3)腹板厚度

腹板的主要功能是承受結(jié)構(gòu)的彎曲剪應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力所引起的主拉應(yīng)力，腹板的最小厚度主要根據(jù)鋼筋布置要求和混凝土容許主拉應(yīng)力來(lái)確定，同時(shí)要考慮到澆筑混凝土?xí)r通路問題和主鋼筋布置問題，同時(shí)，腹板厚度要滿足預(yù)應(yīng)力鋼束布置的構(gòu)造要求。根據(jù)計(jì)算，腹板最小厚度為0.21 m。根據(jù)橫向計(jì)算及縱向計(jì)算確定腹板跨中截面處取為0.21 m，支點(diǎn)截面處取為0.44 m。

(4)下翼緣尺寸

下翼緣尺寸應(yīng)根據(jù)預(yù)應(yīng)力束的布置和主梁本身的穩(wěn)定性來(lái)確定，對(duì)于同一截面類型，寬度要盡量一致，以利制梁臺(tái)座底板的通用。根據(jù)計(jì)算，縱向預(yù)應(yīng)力束在跨中腹板底部需布置7根11-φj15.2 mm鋼絞線，管道內(nèi)徑為90 mm，考慮預(yù)應(yīng)力管道之間凈距、與底面及側(cè)面距離要求確定其尺寸。

圖2　時(shí)速200 km雙線無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁橋結(jié)構(gòu)布置(單位：mm)

(5)橫隔板

兩主梁之間橫向應(yīng)根據(jù)梁腹板的高度和厚度，在支點(diǎn)上、跨中、其他位置相隔一定距離設(shè)置隔板。

(6)梁高

在確定梁的高度時(shí)，主要考慮以下因素：滿足規(guī)范所規(guī)定的剛度要求及橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果；滿足運(yùn)輸和架設(shè)的要求；考慮各種跨度的梁的高度變化規(guī)律，應(yīng)盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化，以利模板的互用；工程投資經(jīng)濟(jì)性[13-15]。

分析以時(shí)速200 km、32 m雙線無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象，參考部頒標(biāo)準(zhǔn)T梁參考圖(通橋2012)的設(shè)計(jì)參數(shù)，梁高從2.4～2.0 m，進(jìn)行了比選，比選結(jié)果如表2所示。

表2　T梁梁高對(duì)比分析

從表2可知，2.3 m梁高受力性能不僅滿足規(guī)范要求，而且工程造價(jià)最省，2.4 m梁高受力性能較2.3 m梁高好，但吊重及造價(jià)增加較多，2 m梁高雖然吊重較小，但受力性能最差，可見2.3 m均是合理的梁高。綜合考慮，時(shí)速200 km無(wú)砟軌道雙線簡(jiǎn)支T梁梁高推薦采用2.3 m。綜合以上尺寸比選，其設(shè)計(jì)截面尺寸如圖2所示，設(shè)計(jì)T梁的三維構(gòu)造如圖3所示。

圖3　T梁三維構(gòu)造

3　計(jì)算結(jié)果

利用鐵路橋梁計(jì)算程序BASAS對(duì)主梁縱向進(jìn)行驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

表3　32 m跨度簡(jiǎn)支T梁主要計(jì)算成果

由表3可知，主梁的各項(xiàng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，同時(shí)滿足概述第1、2、3、6條剛度的要求。

橫向計(jì)算按鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，采用C55混凝土，縱向取1 m，所有外力縱向均按1 m來(lái)計(jì)算。將橫向框架離散為有限單元模型，單元?jiǎng)澐謺r(shí)，根據(jù)梁部截面變化特點(diǎn)及各受力控制點(diǎn)，其計(jì)算結(jié)果如表4所示，其橫向受力滿足規(guī)范要求。

表4　T梁跨中橫框主要計(jì)算成果

通過建立空間實(shí)體有限元模型模擬梁體混凝土，對(duì)自振頻率及空間變形效應(yīng)進(jìn)行分析，其計(jì)算模型如圖4所示。

圖4　T梁空間實(shí)體模型

梁體基頻為設(shè)計(jì)參數(shù)的控制因素，受混凝土彈性模量、二期恒載、軌道結(jié)構(gòu)參與受力、支座摩阻等因素的影響[4]，實(shí)體模型可很好進(jìn)行準(zhǔn)確求解。其自振頻率計(jì)算結(jié)果如圖5所示，一階頻率為3.335 Hz>23.58L-0.592=3.148 Hz，滿足概述中第5條剛度要求。

圖5　T梁變形云圖

同時(shí)提取實(shí)體模型在靜活載作用下相對(duì)位移結(jié)果，雙線靜活載作用下，最大豎向位移差為1 mm，橫向兩點(diǎn)距離為4.3 m，橫向傾角為0.233‰，3 m范圍內(nèi)一線兩根鋼軌相對(duì)位移差為0.7 mm，均滿足第4條剛度要求。

4　結(jié)論及建議

(1)根據(jù)文獻(xiàn)[1]要求，對(duì)無(wú)砟軌道T梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，確定了適用于城際鐵路無(wú)砟軌道T梁的截面形式及尺寸，根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，其受力均滿足各項(xiàng)規(guī)范指標(biāo)要求；

(2)平面及空間程序計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)砟軌道T梁剛度滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求，T梁采用無(wú)砟軌道是可行的；

(3)由于T梁經(jīng)濟(jì)性好于箱梁，且現(xiàn)場(chǎng)制梁場(chǎng)的規(guī)模小、施工便捷[5]，在T梁上采用無(wú)砟軌道，可大幅降低無(wú)砟軌道線路造價(jià)，充分發(fā)揮無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，在城際鐵路的建設(shè)中可逐步加以推廣應(yīng)用。

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Design Study on Simply-Supported T Beam of Ballastless Track of Intercity Railway

ZHANG Xiao-jiang

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

Along with China’s rapid development of urban circle and intercity railway，the National Railway Administration issued Intercity Railway Design Standard in 2015 and corresponding researches on standard simply-supported beam design have been carried out.In this case，to better reflect the applicability and economy of intercity railway and to make full use of the advantages of low cost，convenient construction of T beam，researches on 200 km/h ballastless track simply-supported T beam are conducted with reference to the projects in Pearl River Delta and Wuhan City Circle.On the basis of practical experiences in Delta Zhu River，and Wuhan City Circle，studies on ballastless track simply-supported T beam are dedicated.Finite element analysis of simply-supported T beam model is conducted to calculate the strength and stiffness，and spatial physical model is used for verification.Analysis results show that simply-supported T beam of ballastless track meets the requirements for standard strength and stiffness，effectively reduces the cost，thus can be extensively used in intercity railway.

Bridge engineering; Simply-supported T beam; Ballastless track; Stiffness; Intercity railway

2016-03-21；

2016-04-15

張曉江(1978—)，男，高級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：23771719@qq.com。

1004-2954(2016)10-0058-04

U448.21

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.014