客貨共線鐵路簡支箱梁設計研究

侯建軍,徐升橋,鄧運清

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

我國既有時速200 km及以下客貨共線鐵路橋梁梁型選取T梁，主要考慮到以前鐵路建設過程中橋梁的制、運架模式，制造廠集中制造、鐵路平板車運輸架設[1]。為保證橋梁運輸限界和質量滿足運輸要求，我國客貨共線鐵路長期采用了多片式組合T梁結構。隨著我國客貨共線鐵路設計理念的更新和施工技術的進步，橋梁比例逐漸增大，原有組合T梁外加人行道角鋼支架設計將必然導致人行道角鋼支架維護工作量的增加。同時隨著鐵路建設對環境保護要求的日益提高，使得橋上設置聲屏障數量日益增加。從安全、美觀等方面考慮，原有角鋼支架上設置聲屏障的結構形式存在很多不利因素。

隨著我國鐵路建設快速發展，橋梁施工技術的不斷成熟，現場制梁技術已普遍推廣使用，運架工藝有了飛躍發展，橋梁的運輸已不再是橋梁設計的瓶頸[2]。箱梁結構具有受力明確、形式簡潔、外形美觀、抗扭剛度大，建成后的橋梁養護工作量小，以及噪聲小等優點，同時整體橋面結構為設置聲屏障提供了良好的基礎條件，也保證了橋面擋砟墻防沖撞受力性能，因此箱梁結構在我國鐵路工程建設中得到廣泛的應用[3-6]。

2 主要技術標準

2.1 設計速度

旅客列車設計最高速度160、200 km/h；貨物列車設計速度120 km/h。

2.2 線路情況

新建客貨共線鐵路，單線及雙線鐵路，時速200 km客貨共線鐵路最小曲線半徑為2 800 m；時速160 km客貨共線鐵路最小曲線半徑為1 200 m[7]。

2.3 跨度系列[8-12]

分為4個跨度系列，分別為31.5、23.5 m(高高度)、23.5 m(普高度)、19.5 m；

2.4 施工方法

梁場集中預制，架橋機架設施工。

2.5 設計荷載

(1)二期恒載：包括道砟、線路設備及橋面附屬設備等重力。其中軌底枕下道砟厚度：時速160 km線路取300 mm；時速200 km線路取350 mm。

(2)活載：中-活載。

(3)列車脫軌荷載：豎向荷載根據《鐵路橋涵設計基本規范》[8]辦理；橫向荷載根據相關科研研究成果，設計按200 kN/m考慮。

(4)風荷載

一般地區風壓強度：有車時W=1 250 Pa，無車時W=1.3×1.13×1 400 Pa=2 056.6 Pa計算；

臺風地區按無車情況下風速不大于60 m/s進行檢算，基本風壓W0=2 250 Pa，風壓強度按照W=K1×K2×K3×W0計算，其中K1=1.3，K2=1.13，K3=1.0。

其中聲屏障高度按2.15 m和3.15 m分別進行計算；臺風地區聲屏障高度不高于2.15 m。

(5)列車氣動力采用0.35 kPa，動力放大系數按2.5計算。

3 結構梁型

3.1 單線箱梁

客貨共線鐵路中單線橋梁占據比例較大，特別是樞紐范圍內聯絡線橋梁，其既有設置聲屏障的需要，同時對景觀設計也尤為重要，單線箱梁結構在客貨共線箱梁將占很大比例。

3.2 雙線并置箱梁

客貨共線鐵路雙線橋梁曲線地段線間距頻繁變化，且變化幅度較大，雙線鐵路采用雙線并置箱梁可以更好適應這一特點，通過調整兩榀箱梁間距來適應線間距變化要求，而且還可以和單線橋梁實現平順過渡，在設計過程中還可以兼顧單線箱梁外形模板的匹配。

3.3 雙線整孔箱梁

在我國客運專線建設中雙線整孔箱梁得到了大量的應用，其制、運架梁技術相對成熟，充分考慮箱梁運架設備的兼容性，客貨共線雙線橋梁亦采用整孔箱梁形式。

客貨共線鐵路簡支箱梁設計分別采用雙線整孔箱梁、雙線并置箱梁、單線箱梁3種結構形式[4]。

4 橋面布置

客貨共線鐵路橋面寬度應滿足橋面附屬設施構造布置需要，橋面寬度主要取決于線路線間距和曲線半徑、大機養護限寬、建筑限界、作業維修通道、電纜槽寬度等因素。為進一步優化橋面寬度，橋面附屬構造進行優化設計。

(1)雙線箱梁將橋面電力電纜槽移至箱內，通過腹板內側設置托架固定，需要引出上下橋時，預留專門通道和爬架。

(2)客貨共線鐵路接觸網立柱及基礎受力較客運專線要小，優化接觸網立柱及其基礎尺寸，接觸網H型鋼柱厚度采用280 mm。

(3)單線箱梁考慮電力、通信信號電纜槽分側設置，兩側翼緣板采用對稱結構。

綜合各因素，客貨共線鐵路橋面寬度：時速200 km雙線整孔箱梁橋面寬度為11.6 m；單線箱梁橋面寬度為7.1 m；時速160 km雙線整孔箱梁橋面寬度為11.4 m；單線箱梁橋面寬度為7.1 m；雙線并置箱梁橋面寬度依據線間距加寬值Δ確定。各種箱梁橋面布置示意見圖1～圖6。

圖1 200 km/h鐵路雙線整孔箱梁橋面布置(單位：mm)

圖2 200 km/h鐵路單線箱梁橋面布置(單位：mm)

圖3 200 km/h鐵路雙線并置箱梁橋面布置(單位：mm)

圖4 160 km/h鐵路雙線整孔箱梁橋面布置(單位：mm)

圖5 160 km/h鐵路單線箱梁橋面布置(單位：mm)

圖6 160 km/h鐵路雙線并置箱梁橋面布置(單位：mm)

5 主要截面尺寸及工程數量

客貨共線箱梁在滿足各項功能及安全的前提下，其經濟性要求更高，盡量優化箱梁尺寸構造，減少箱梁造價。

5.1 主要截面尺寸

(1)底板厚度：考慮預應力管道布置構造需要，同時兼顧縱橫向鋼筋布置的空間影響，單線箱梁、雙線并置箱梁底板厚度取250 mm；雙線整孔箱梁還應考慮單線荷載作用下底板受力需要，底板厚度取280 mm。

(2)腹板厚度：滿足箱梁結構受力的同時，應滿足預應力管道布置構造需要，采用單排管道布置時：單線箱梁、雙線并置箱梁采用小噸位錨具，腹板厚度取240 mm；雙線整孔箱梁采用大噸位錨具，腹板厚度取360 mm。

(3)頂板厚度：根據箱梁寬度結合橋面板承載需要確定，雙線整孔箱梁頂板厚取250 mm；單線箱梁、雙線并置箱梁頂板厚度取220 mm。

(4)梁高：設計選用梁高與既有客貨共線鐵路T梁梁高一致，時速200 km跨度32 m箱梁梁高2.7 m；跨度24 m普通高度梁高2.2 m；時速160 km跨度32 m箱梁梁高2.5 m；跨度24 m普通高度梁高2.1 m。

(5)景觀設計：雙線整孔箱梁腹板斜度為1∶5，倒角圓弧統一采用R=300 mm；單線箱梁、雙線組合箱梁采用直腹板形式，倒角圓弧統一采用R=200 mm。

客貨共線鐵路箱梁截面尺寸見圖7～圖9。

圖7 200 km/h(160 km/h)鐵路雙線整孔箱梁截面

圖8 200 km/h(160 km/h)鐵路單線箱梁截面(單位： mm)

圖9 200 km/h(160 km/h)鐵路雙線并置箱梁截面(單位：mm)

5.2 主要工程數量

對比分析時速200、160 km客貨共線鐵路角鋼支架組合T梁、整體橋面組合T梁、簡支箱梁主要工程數量，以常用跨度31.5 m為例，各類型梁體主要工程數量見表1、表2。

表1 時速200 km客貨共線鐵路跨度31.5 m梁工程數量

注：斜線上方為不設聲屏障梁數量；斜線下方為設置聲屏障梁數量。

表2 時速160 km客貨共線鐵路跨度31.5 m梁工程數量

注：斜線上方為不設聲屏障梁數量；斜線下方為設置聲屏障梁數量。

綜上比較，簡支箱梁預應力鋼絞線數量比組合T梁均有所降低，混凝土和鋼筋數量比角鋼支架組合T梁數量增加，但比整體橋面組合T梁數量要減少。在橋梁比例較大的鐵路中，簡支箱梁將有一定經濟性。

6 主要設計特點

6.1 大噸位錨具體系

客貨雙線鐵路整孔箱梁腹板采用單排管道、大噸位錨具設計，有效減少腹板厚度，降低造價，同時由于預應力鋼束減少，有效簡化了現場張拉施工工藝[12-15]。

(1)錨下局部應力分析是大噸位錨具使用過程中重要一環，在開展大噸位錨具錨下局部應力分析基礎上，聯合柳州OVM錨具廠進行局部實體模型模擬試驗，為大噸位錨具在鐵路簡支箱梁中的使用奠定基礎。

(2)《鐵路工程預應力用夾片錨具、夾具和連接器技術條件》修編補充完善了大噸位錨具相關技術標準，為27孔以下大噸位錨具推廣使用提供技術支持。

(3)大噸位錨具(27孔)已在長吉客專長春永寧特大橋等建設中成功應用。

綜合上述理論分析和實踐經驗，大噸位錨具體系已成為鐵路簡支箱梁發展趨勢。但大噸位錨具張拉過程中梁端局部應力較為復雜，特別在腹板與頂、底板交角位置，由于張拉變形影響產生較大主拉應力。通過建立空間實體模型分析模擬張拉過程，優化預應力鋼束布置及張拉順序，保證張拉過程中安全性。見圖10。

6.2 封錨構造

為加強封錨混凝土耐久性，設計增加了錨穴內凹槽構造，通過端模錨穴模板固定橡膠套，拆模完成后抽出內橡膠套形成凹槽，保證封錨混凝土與梁體混凝土更好的連接。見圖11。

圖10 大噸位錨具張拉過程模擬分析

圖11 錨穴內凹槽實景

6.3 鋼筋配置

普通鋼筋設計采用HPB300鋼筋及HRB400(HRB500)鋼筋，在充分發揮高強鋼筋作用的同時，進一步優化鋼筋布置，梁體跨中部分橫向鋼筋間距設置調整為125 mm，更加有利于混凝土灌筑需要。同時為更加規范現場梁體鋼筋綁扎，設計中對箱梁預留孔位置鋼筋采用截斷，并采取構造措施保證其受力需要，便于施工現場控制。

6.4 支座布置

設計箱梁橫向支座中心距離最大為4 m，支座布置采用橫向雙固定和雙縱向活動支座設置，在滿足支座橫向伸縮需要的同時，更加有利于支座抗震設計[13]。

6.5 擋砟墻設計

擋砟墻作為高阻擋構造物，設計荷載考慮了橫向脫軌力200 kN/m影響，擋砟墻高度應不低于軌頂高程，根部厚度為250 mm，墻體采用C40混凝土，配置HRB500高強鋼筋，具體鋼筋布置見圖12。

圖12 擋砟墻豎向鋼筋配筋圖示(單位：mm)

擋砟墻構造上沿墻縱向設置斷縫，斷縫間距由常規2 m調整為4 m間距設置，為保證墻體橫向剪力傳遞，斷縫處設置3肢φ20 mm的抗剪鋼筋，抗剪鋼筋與擋砟墻以套筒絕緣，避免擋砟墻參與梁體縱向受力。擋砟墻斷縫抗剪配筋布置見圖13。

圖13 擋砟墻斷縫抗剪配筋圖示(單位：mm)

6.6 箱內電纜槽設置

為減小橋面寬度，單線箱梁電力電纜槽和通信信號電纜槽分側設置；雙線箱梁通信信號電纜槽設置于橋面人行道板下方，電力電纜槽設置于箱梁內腔中，通過箱梁腹板預埋套筒，固定電纜槽托架支撐電纜槽。當電力電纜有上下橋需要時，箱梁預制過程中，在電纜上下橋位置梁端底板設置直徑為200 mm的預留孔，以便電纜上下橋用，具體見圖14。

圖14 箱內電纜槽設置示意

6.7 避車臺及檢查梯設置(圖15)

對于時速200 km客貨共線鐵路箱梁，根據《鐵路營業線施工安全管理辦法》(鐵運[2012]280號)的規定，新建時速200 km鐵路的上線檢修工作必須在天窗時間內進行，天窗時間外不得進入橋面。本次設計將作業通道欄桿內側至線路中心的凈距限值由3.75 m改為3.25 m，并不設置避車臺。

對于時速160 km客貨共線鐵路箱梁，考慮車輛通行期間檢修作業需要設置避車臺，避車臺沿橋梁全長每隔30 m左右設置1處，對于常用跨度標準簡支梁，避車臺設置于梁端處。通過欄桿或聲屏障遮板設置預埋T鋼，T鋼連接角鋼支架方式設置避車臺。

圖15 避車臺示意(單位：mm)

當需要設置避車臺至橋墩檢查梯時，梁體預制時，應在梁端位置預埋相應預埋件，通過預埋件和避車臺懸掛檢車梯，檢查梯示意見圖16。

圖16 檢查梯布置

6.8 防落梁措施

為保證梁部結構在地震力作用下的安全性能，在設防烈度為7度或8度地震區的梁與墩之間設置防落梁設施。在地震動峰值Ag≤0.15g地區，梁部結構僅考慮橫向限位；在地震動峰值0.15g

圖17 地震動峰值Ag≤0.15g地區梁部防落梁構造平面(單位：mm)

圖18 地震動峰值0.15g

6.9 小曲線半徑梁端處理

箱梁位于小曲線半徑區段時，外側梁縫寬度隨著曲線半徑減小逐漸增加，考慮到梁端梁縫受力需要，應結合曲線半徑、梁型、跨度等因素分級確定箱梁梁端加寬值，梁端加寬t值見表3，梁體制造過程中采取在梁端頂板增加懸臂構造處理，見圖19。

表3 小曲線半徑區段箱梁梁端加寬t值 mm

圖19 小曲線半徑區段箱梁梁端處理示意

6.10 過隧運輸

對于時速200 km客貨共線箱梁，為保證運梁凈空要求，當隧道的隧底填充按二次鋪砌施工時，按照鐵路箱梁運架一體機低位進行過隧運梁，單線、雙線箱梁可以通過隧道。

對于時速160 km客貨共線箱梁，隧道內襯間最大寬度小于箱梁橋面寬度，整孔運輸過隧困難。雙線箱梁可考慮采用并置箱梁方式。

6.11 線間距變化調整

客貨共線鐵路箱梁設計，線間距及曲線加寬值均按照規范要求最小值執行，當設計線間距大于最小值時，對于雙線整孔箱梁應根據加寬值適當調整橋面寬度，滿足橋面附屬構造布置需要；對于雙線并置箱梁應核實兩榀箱梁間距，保證鐵蓋板受力，必要時要加大單榀箱梁內側懸臂長度，以減小兩榀箱梁橫向縫隙寬度。

7 結語

在我國客貨共線鐵路建設中，簡支箱梁采用集中預制，架橋機架設，不僅能夠縮短橋梁施工工期，而且易于控制施工質量，是對客貨共線鐵路建設中組合T梁結構形式的必要補充。通過借鑒既有整孔箱梁設計經驗，以及大噸位錨具等一系列新技術、新工藝的采用，客貨共線鐵路箱梁的自重大幅減小，如32 m雙線整孔箱梁質量僅為643.5 t，使整孔箱梁具有較好的適應性，建議在客貨共線鐵路設計中結合具體線路實際情況，進行綜合經濟比選，確定合理橋梁結構形式。