高速鐵路簡支梁設計方案對比分析

王麗琴

摘 要：高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區的深基礎橋梁，下部結構造價在橋梁建設費用中的比重較大，大量使用跨度32 m簡支梁時經濟性較差；跨度>32 m時若只能采用原位澆筑的簡支梁橋或者連續梁、連續剛構橋，經濟性也較差，且質量不易控制。該文分析了既有高速鐵路簡支梁設計與使用情況，并根據高速鐵路預制后張法預應力混凝土大跨度簡支梁技術可行性和經濟性對比分析研究結果，給出了分析結論。

關鍵詞：高速鐵路 預應力 混凝土 大跨度 簡支梁

中圖分類號：U24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0072-02

國內外高速鐵路橋梁主要采用簡支梁結構，其中預應力混凝土簡支梁具有受力明確、構造簡單、耐久性好、施工便捷等優點，是高速鐵路橋梁的主要結構形式。

1 高速鐵路橋梁概況

截止2014年底，我國高速鐵路運營里程超過16 000 km，“四縱”干線基本成型，約占世界高速鐵路運營里程的50%，已擁有全世界規模最大、運營速度最高的高速鐵路網。

我國高速鐵路多采取“以橋代路”策略，各條高速鐵路橋梁所占比例均較高，其中以跨度32 m預應力混凝土簡支箱梁橋為主，部分采用跨度24 m簡支箱梁，少量采用跨度40、44、56 m簡支箱梁。跨度32 m及以下箱梁主要采用沿線設制梁場集中預制、架橋機架設的方法施工，跨度32 m以上簡支箱梁主要采用現場澆筑或節段拼裝的方法施工。

我國高速鐵路橋梁里程占線路里程的比例最高達82%，其中常用跨度混凝土簡支箱梁橋占橋梁總里程的比例基本在80%以上，最高達96%。橋梁技術的發展和進步成為我國高速鐵路建設工程中的重大技術突破，并形成了我國自有的技術標準體系。隨著高速鐵路建設的發展，橋梁設計理論和建設技術也在逐步完善和發展，其中基于預制架設施工模式的大跨度預應力混凝土簡支箱梁就是其中重要發展方向之一。

我國高速鐵路建設規模大，橋梁數量多，設計、施工技術成熟，并依托聯調聯試工作積累了豐富的試驗數據，對于高速鐵路橋梁的建設和發展也積累了充足的技術儲備。根據近年來高速鐵路常用跨度預應力混凝土簡支梁的設計和試驗研究成果，我們對簡支梁的設計理論有了更為深刻的認識，為高速鐵路（時速250 km及以上）大跨度預應力混凝土簡支梁的進一步發展打下了基礎。

高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區的深基礎橋梁，下部結構造價在橋梁建設費用中的比重較大，大量使用跨度32 m簡支梁時經濟性較差；跨度>32 m時若只能采用原位澆筑的簡支梁橋或者連續梁、連續剛構橋，經濟性也較差，且質量不易控制。發展跨度40 m及以上預應力混凝土簡支梁，并采用集中預制、運梁車移運、架橋機架設的施工模式，將顯著提高橋梁的經濟性。我國高速鐵路發展跨度40 m及以上、采用預制架設施工模式的預應力混凝土簡支梁技術，不但能夠提高簡支梁橋的跨越能力，還能夠擴大簡支梁橋的適用范圍，并具有一定的技術、經濟優勢。

2 既有高速鐵路簡支梁設計與使用情況

2.1 設計參數及控制指標

對于我國高速鐵路用量最大的跨度32 m預應力混凝土簡支箱梁，高速鐵路運營活載靜態效應（動車組）約為設計活載靜效應的35%～40%，橋梁結構設計控制指標已由強度變為剛度。橋梁結構的變形和變位限值主要是為保證橋上軌道結構受力安全性和穩定性，同時滿足列車高速運行條件下行車安全及乘車舒適的要求。根據現行規范，高速鐵路橋梁剛度設計參數應滿足如下要求。

2.1.1 梁端轉角

對于采用無砟軌道的橋梁，由于梁端豎向轉角使得梁縫兩側的鋼軌支點分別產生鋼軌的上拔和下壓現象。當上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時將導致鋼軌與下墊板脫開，當墊板所受下壓力過大時可能導致墊板產生破壞，對于采用有砟軌道的橋梁，還要保證橋梁接縫部位有砟道床的穩定性。

2.1.2 豎向自振頻率限值

研究表明梁體固有頻率過低將導致高速列車通過時產生較大振動或共振，頻率過高時橋上軌道不平順引起的車輛動力響應明顯增加，因此，對簡支梁豎向自振頻率提出限值。對于運行車長 24～26 m的動車組、L≤32 m混凝土及預應力混凝土雙線簡支箱梁，給出了不需要進行車橋耦合動力響應分析的自振頻率限值。同時，研究發現對于跨度40 m及以上的簡支梁，由于長列荷載的影響，動力荷載產生的突變效應減弱。高速鐵路橋梁設計的控制性參數與橋梁跨度有關。研究發現，選取跨度20、24、32及40 m的簡支箱梁，每種跨度的簡支梁分別選取21種不同尺寸的截面，二期恒載統一按180 kN/m來計算梁體豎向基頻，以此研究分析不同剛度設計參數間的關系。根據不同剛度限值對應函數關系。32 m及以下跨度簡支梁基頻取現行規范中不需要動力檢算的下限值，40 m箱梁基頻取現行規范中公式計算的下限值，梁端懸出長度按預制架設模式統一取0.55 m，梁端轉角限值取1.5×10-3 rad。

綜上分析可以看出：（1）梁體豎向剛度滿足梁端轉角限值或滿足基頻限值的情況下，撓跨比遠小于規范規定的1/1 600，撓跨比不控制梁體設計；（2）跨度32 m及以下的預制簡支梁，基頻為梁體設計控制指標；（3）跨度40 m預制簡支梁，基頻和梁端轉角的對應關系接近，梁體設計控制指標在基頻和梁端轉角方面差別較小，可實現箱梁經濟性設計。

2.2 實梁設計狀況

以我國高速鐵路跨度32、40 m預應力混凝土簡支箱梁為代表，分析了既有簡支梁的設計情況。

2.2.1 跨度32 m簡支箱梁

高速鐵路有砟、無砟橋面雙線箱梁二期恒載設計值分別為 206.5～211.0 kN/m和120.0～180.0 kN/m，受二期恒載影響（不同無砟軌道類型、直曲線及有無聲屏障等），同一圖號的無砟簡支箱梁基頻和殘余徐變拱度略有差異。對于設計時速350 km高速鐵路32 m無砟軌道預應力混凝土雙線簡支箱梁，預制梁的梁端轉角、基頻的設計參數與規范參數比值分別為53%，101%～108%，現澆梁相應的兩者比值分別為70%和106%～114% 。

2.2.2 跨度40 m簡支箱梁

時速350 km高速鐵路無砟軌道后張法預應力混凝土雙線簡支箱梁，計算跨度為39.1 m，施工方法為原位現澆，截面中心梁高為3.75 m，橋面寬度為12.0 m，質量1 130 t。對于設計時速350 km高速鐵路跨度40 m無砟軌道預應力混凝土雙線簡支箱梁，梁端轉角、基頻的設計參數與規范限值的比值分別為62%和139%。

2.2.3 對比分析

（1）高速鐵路各種箱梁的撓跨比設計值遠小于規范規定的限值；（2）跨度32 m箱梁的豎向基頻設計值稍大于規范規定的基頻限值，梁端轉角富余度較高，基頻限值控制箱梁的設計；（3）跨度40 m梁與跨度32 m梁的梁端轉角設計值與規范限值的比值基本相當，40 m梁基頻設計值與規范限值的比值大于32 m梁的相應比值，跨度40 m梁的豎向基頻有較大優化空間。

2.3 實梁測試結果

將高速鐵路常用跨度簡支梁設計情況和實測結果對比可知：（1）撓跨比不是梁體設計控制指標，跨度32 m以下的簡支梁的設計參數由基頻控制，跨度40 m的簡支梁基頻和梁端轉角的影響接近；（2）高速鐵路各種箱梁的撓跨比設計值小于規范規定的限值。跨度32 m箱梁豎向基頻設計值稍大于規范規定的基頻限值，跨度40 m箱梁基頻設計值與規范限值的差別較大，有較大的優化空間；（3）從設計和運營指標測試結果來看，我國高速鐵路發展跨度40 m及以上的預應力混凝土簡支箱梁技術可行（如圖1）。

3 研究結論

根據高速鐵路預制后張法預應力混凝土大跨度簡支梁技術可行性和經濟性對比分析研究結果，得出結論如下：（1）高速鐵路跨度40 m簡支梁的設計控制指標已從跨度32 m簡支梁的剛度（基頻） 控制轉變為強度和剛度（基頻、梁端轉角）共同控制；（2）跨度40 m預制簡支梁的梁高設計可以控制在3.1 m左右，單孔梁質量可以控制在1 000 t以內。該梁高與既有跨度32 m簡支梁的梁高接近，便于橋梁跨度布置及美觀設計；（3）無論是研制新的運架設備還是對既有的運架設備進行改造，均可滿足跨度40 m預制簡支梁的制、運、架施工要求；（4）高速鐵路跨度40 m的預制簡支梁橋，在墩高10 m左右的常規地段綜合造價與跨度32 m簡支梁橋相比具有一定經濟優勢，在高墩、深基礎等下部結構費用較高的地段綜合造價與跨度32 m簡支梁橋相比經濟優勢增加；（5）采用跨度40 m預制簡支梁橋，可提高橋梁的跨越能力、增加橋跨布置的適應性、減少墩臺基礎的數量、擴大簡支梁橋的適用范圍，并可減少施工作業班次、提高生產效率，工程建設實際意義顯著。

參考文獻

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 中華人民共和國國家鐵路局.TB 10621-2014，高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.