適用于軸重35 t的單線重載鐵路32 m簡支T梁設計

樊媛媛

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市　200000）

適用于軸重35 t的單線重載鐵路32 m簡支T梁設計

樊媛媛

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市200000）

目前我國鐵路發展方向為重載和高速。結合非洲某國的鐵路重載鐵路工程，提出了軸重35 t列車活載，設計采用了預制后張法預應力混凝土T形梁。軸重35 t的活載對橋梁結構的承載力提出了更高的要求，設計中綜合考慮結構承載力和梁體運輸等各方面要求，計算分析和研究了包括橋面布置形式、梁體結構尺寸、預應力筋布置形式及張拉力的確定等各方面，提出了適用于軸重35 t的簡支T形梁設計方案，對未來的重載鐵路系列化設計提供了一些經驗。

重載鐵路；軸重；簡支T形梁

1　重載鐵路概述［1-11］

1.1重載鐵路運輸概況

20世紀50年代以來，重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國鐵路的廣泛重視，如美國、加拿大、巴西、澳大利亞、南非、瑞典等國家。世界各國鐵路由于運營條件、技術裝備水平不同，采用的重載火車運輸形式和組織方式也各有特點。為了追求鐵路重載運輸運營、維護和技術的最佳，追求卓越化，主張通過重載解決鐵路運輸能力問題，并推進國際鐵路以及其成員之間在重載技術上的合作和交流，1986年在美國成立了包括中國、美國、加拿大、澳大利亞、南非、俄羅斯、巴西、瑞典、印度等在內的國際重載協會（簡稱IHHA）。在第八屆國際重載運輸會議，對重載運輸的定義作了新的修訂：重載列車牽引重量至少達到8 000 t（以前為5 000 t）；軸重（或計劃軸重）為27 t及以上（以前為25 t）；在至少150 km線路區段上年運量超過4 000萬t（以前為2 000萬t）。

1.2國際重載鐵路設計

自上世紀90年代開始，世界各國重載鐵路普遍采用提高軸重來解決運輸問題。美國一級鐵路標準軸重已是30 t；加拿大魁北克省運輸鐵礦的重載鐵路軸重32.5 t；澳大利亞全球第三大鐵礦供應商BHP重載鐵路的軸重已經提高到37.5 t；巴西卡拉亞斯鐵礦重載鐵路軸重30.5 t。重載鐵路正以優異的特性成為各國鐵路發展的方向。

1.3我國重載鐵路橋梁現狀

截止到2013年底為止，我國鐵路的運營里程就已超過10萬km，在客貨共線鐵路橋梁中大部分采用的是預應力混凝土簡支T梁，設計活載為中—活載，最大列車軸重為25 t。而提高軸重是世界各國重載鐵路普遍采用的措施，我國作為貨運大國，鐵路又是貨運主要交通工具，為了滿足鐵路重載需要，先后在大秦線、山西中南部鐵路通道設計了重載鐵路簡支T梁，尤其是后者是為軸重30 t列車活載專門設計的預制梁。

1.4本項目工程背景

該工程位于非洲東部，鐵路運輸的目的是將山區的煤礦運至東部港口，本項目重車方向預測I期上行貨流密度為2 550萬噸、II期上行貨流密度為5 250萬t。煤炭運至港口后，出口至歐洲以及巴西、中國、印度和日本等國。

投資者要求設計采用軸重35 t機車，滿足橋涵100年設計年限的要求，其設計運行速度為80 km/h，同時要求使用美國EMD公司生產的SD70ACE型機車或GE公司的內燃ES44AC型機車。

根據以用戶要求為導向的設計理念，設計為本工程設計了一套簡支T梁以滿足本工程的需要，本文將以直線32 m簡支T梁為例，簡述設計過程。

2　單線簡支T梁受力特點及設計思路

2.1單線簡支T梁特點

一般來說，單線鐵路橋由兩片預制T梁組成，單線T梁架設后通過橋面板和橫隔板濕接縫連接成整體，并在隔板處加設橫向預應力。單片預制T梁體積小、質量小，架設靈活，因此在客貨共線鐵路中被廣泛采用。

與客貨共線鐵路相比，軸重35 t的重載鐵路，列車活載效應相當于其1.4倍左右，因此在梁高及梁重受限的情況下，設計時要綜合考慮結構尺寸、混凝土強度等級及預應力筋布置等多方面考慮，以滿足結構安全、經濟、耐久、美觀的各功能要求。

2.2單線簡支T梁設計思路

重載鐵路T梁設計中主要考慮的方面表現在以下幾點：

（1）結構承載力和橋梁變形滿足功能使用要求；

（2）控制單片預制梁的重量，使其滿足運輸架設的要求；

（3）橋面布置滿足線路機械養護需要；

（4）施工條件差，高強度混凝土配比受限，因此主梁考慮C55高強度混凝土；

（5）工程范圍人煙稀少，控制標高工程較少，因此梁高處于次要因素。

3　設計參數

3.1恒載

（1）梁體混凝土容重以25 kN/m3計。

（2）二期恒載

二期恒載包括現澆橋面板、擋砟塊、人行道及欄桿、線路設備、道砟、電纜槽等。綜上所述，設計采用二期恒載直線為80 kN/m。

3.2活載

（1）列車活載采用中國重載鐵路活載圖示，見圖1。

圖1　列車活載圖示

（2）動力系數，按照《鐵路橋涵設計基本規范》（TB10002.1-2005）4.3.5-3公式計算，為1.194。

（3）人行道荷載豎向靜活載值為距離擋砟墻外側0.5 m以內10.0 kPa，0.5 m以外4.0 kPa，計算主梁時人行道活載不與列車活載同時組合，人行道板按豎向集中荷載1.5 kN計算。

（4）人行橫向搖擺力取140 kN，作為一個集中荷載取最不利為止，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。計算橋面板時，橫向搖擺力作用長度為4 m。

3.3設計標準

（1）設計速度：貨車80 km/h。

（2）擋砟墻內側距線路中心線距離為2.2 m，以滿足大型鐵路養護機械設備作業的要求。

（3）梁式橋梁結構變形

由于列車靜活載所引起的屬相撓度不應超過L/800。

4　結構設計

4.1橋面布置

由于線路大型養護的要求，因此線路中心距擋砟墻距離不小于2.2 m，同時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側距離采用2.25 m。人行道采用角鋼支架形式，寬度0.8 m。電纜槽懸掛于人行動欄桿外側。

本線為單線，采用兩片T梁拼接，兩片梁之間通過橫隔板和橋面板現澆混凝土連成整體，隔板處加設橫向預應力筋，橋面布置見圖2。

圖2　單線橋面布置（單位：mm）

4.2各細部尺寸擬定原則

4.2.1上翼緣尺寸確定

單線橋橋面布置及兩片預制梁間濕接縫的寬度確定了上翼緣的寬度。考慮結構受力要求及橋面濕接縫施工的便利性要求，兩片梁腹板中心距2.2 m，濕接縫寬度采用0.3 m。

4.2.2下翼緣尺寸確定

下翼緣的尺寸確定要考慮到預應力布筋的需要、結構受力、施工便利、運量吊梁的穩定性、墩臺支座布置等綜合因素，再根據以往經驗，本次工程下翼緣寬度為0.88 m。

4.2.3腹板厚度

腹板的厚度主要考慮結構受力及預應力筋和普通鋼筋保護層厚度的要求，跨中截面為0.24 cm，支座截面為0.44 m。

4.2.3簡支T梁梁高

簡支T梁的梁高一方面受線路高程和橋下凈空的限制，同時要滿足結構受力要求及梁體剛度要求。

目前我國普通客貨共線鐵路部頒通用圖中簡支T梁共有兩個系列的參考圖，分別使用于設計時速160 km/h及200 km/h，設計圖號為通橋（2005）2101和通橋（2005）2201，其主梁梁體混凝土均采用為C55。而已設計完成的山西運煤通道重載鐵路簡支T梁設計主梁梁體混凝土采用為C60。本設計梁高通過2.60～2.80 m的比較后，采用2.7 m。

4.332 m簡支T梁結構尺寸

單線由兩片預制邊梁構成，其中跨中斷面見圖3、圖4。梁高2.7 m，頂面寬為2.3 m，外側橋面板厚0.25 m，內側橋面板厚0.30 m，腹板厚0.24 m，擋砟墻高0.45 m。

圖3　跨中截面（單位：mm）

圖4　支座截面（單位：mm）

4.4預應力筋布置

由于重載鐵路橋梁二期恒載和活載相較客貨共線鐵路均很大，預應力筋的布置是極其重要的一個環節。由于預應力筋對梁體變形的影響，同時對各工況要統籌考慮。圖5、圖6為32 m簡支梁的預應力筋布置形式。預應力筋布置于下翼緣和腹板內，采用曲線布置形式，從跨中至兩端分批彎起，起彎點及彎起角度根據結構受力確定。

跨中截面及梁端截面預應力筋布置見圖5、圖6。

圖5　跨中截面預應力布置

圖6　支座截面預應力布置

各束預應力筋設計參數見表1。

表1　預應力筋設計參數

4.5計算結果匯總

（1）主要設計指標見表2。

表2　32 m簡支T梁跨中截面主要技術指標

（2）各截面彎矩匯總見表3。

（3）各截面剪力匯總見表4。

表3　各截面彎矩匯總（單片梁）

表4　各截面剪力匯總（單片梁）

（4）梁體變形

a.預應力混凝土梁在列車豎向靜活載作用下引起的豎向撓度為20.938 mm，為計算跨度的1/1 528，滿足撓度容許值L/800。

b.橋梁橫向自振頻率為5.628 Hz，滿足規范容許值大于55/L0.8。

4.6預制梁間橫向聯結

同一孔兩片預制梁之間通過橋面板及橫隔板濕接縫混凝土連成整體，并在橫隔板處施加橫向預應力，以增強整孔梁橫向剛度，滿足動力特性要求。橫向預應力筋采用公稱16 mm預應力用鋼棒，中間每道隔板設4根預應力鋼棒，上下各2根；梁兩端每道隔板設6根預應力鋼棒，上下各3根。

5　結　語

目前我國重載鐵路還處在相對起步階段，國內重載鐵路也只限于軸重30t。但隨著鐵路技術的不斷完善，技術輸出、規范輸出、標準輸出的鐵路走出去效益將不斷顯現，未來滿足不同地區不同國家的鐵路運輸需要設計的重載鐵路將會逐步予以完善，橋梁設計水平也會不斷得到提高。

［1］TB10002.1-2005，鐵路橋涵設計基本規范［S］.

［2］TB10002.3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.

［3］TB10005-2010，鐵路混凝土結構耐久性設計規范［S］.

［4］劉玉亮.重載鐵路簡支T形梁設計［J］.鐵道標準設計，2011（9）: 43-47.

［5］戴福忠，陳雅蘭.重載鐵路橋梁設計列車標準活載的研究［J］.中國鐵道科學，2004（4）:80-85.

［6］劉翀原，劉智春.我國鐵路重載運輸發展研究［J］.武漢工程大學學報，2013（7）:9-15.

［7］袁志兵.淺析普通鐵路、高速鐵路與重載鐵路的差異［J］.內蒙古科技與經濟，2011（1）:104-105.

［8］何均成.重載鐵路有碴軌道施工技術［J］.鐵道建筑技術，2013（增1）: 183-186.

［9］裴穎，孫中正，陳彥芬.高速、重載鐵路的發展動態［J］.鐵道建筑技術，1994（2）:35-41.

［10］李黎，王強華，郭治勝，等.山西中南部鐵路通道重載鐵路橋梁活載標準研究［J］.鐵道建筑，2014（12）:5-8.

［11］閆曉夏，柯在田，侯慶華.朔黃鐵路32m超低高度預應力混凝土簡直T梁適應30t軸重貨車加固改造分析［J］.鐵道建筑，2014（11）: 1-5.

U443.32

B

1009-7716（2016）07-0119-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.035

2016-04-01

樊媛媛（1983-），女，新疆烏魯木齊人，工程師，從事鐵路橋梁及市政橋梁設計工作。