鐵路200 m以上跨度混凝土橋梁設計參數取值探討

陳良江 閻武通

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司橋隧咨詢部 北京 100038；2.中國國家鐵路集團工程設計鑒定中心 北京 100844)

1 引言

隨著我國鐵路建設的不斷發展，大跨度橋梁建造需求愈發突出。混凝土橋梁以其結構剛度大、建造維護成本低、適宜鋪設無砟軌道等突出優點，是大跨度鐵路橋梁建造的首選考慮橋型。

近年來，我國對大跨度鐵路混凝土橋的設計建造開展了較多的實踐研究[1－2]，目前在建及已建200 m以上跨度混凝土鐵路橋梁已有77座。預應力混凝土連續梁(剛構)橋最大跨度已達216 m(南三龍鐵路閩江特大橋)，連續(剛構)梁－拱組合橋最大跨度已達300 m(漢十鐵路崔家營漢江特大橋)，部分斜拉橋最大跨度達到288 m(福平鐵路烏江特大橋)，混凝土拱橋最大跨度已達445 m(滬昆高鐵北盤江特大橋)。

我國對大跨度鐵路混凝土橋已積累了一定的建造經驗和技術成果[3－4]，但總體而言研究尚不夠系統。未來鐵路建設中，大跨度混凝土橋建造需求仍十分迫切[5]，尚需對我國大跨度鐵路混凝土橋設計參數和適用范圍進行系統梳理研究。同時，現行設計規范中的橋上軌道長波不平順限值[6]和徐變變形控制值等主要針對中小跨度橋梁制定[7－9]，已無法滿足大跨度橋梁建造需求，已成為制約橋梁設計的關鍵因素[10]。在我國鐵路大跨度鐵路混凝土橋工程實踐的基礎上，對各類橋式的設計參數合理取值進行分析總結，研究提出適用于大跨度鐵路混凝土橋的橋上軌道長波不平順和徐變變形限值設計技術標準，對我國未來大跨度鐵路混凝土橋梁建設十分必要。

2 鐵路200 m以上跨度混凝土橋梁應用情況

目前，我國大跨度鐵路混凝土橋梁主要采用預應力混凝土連續剛構(梁)橋、連續剛構(梁)－拱組合橋、部分斜拉橋和混凝土拱橋四種橋式結構。表1所示為我國目前已建及在建的200 m以上跨度鐵路混凝土橋的統計情況，共統計到77座，其中已建橋梁38座，在建橋梁39座。

表1 我國200 m以上跨度鐵路混凝土橋數量統計

混凝土連續梁(剛構)橋是我國鐵路橋梁常用的橋型之一，但跨度多在200 m以內。目前已建成200 m以上跨度橋梁3座，南三龍鐵路及南三龍合福聯絡線上的閩江特大橋和玉磨鐵路阿墨江特大橋主跨均為216 m，為目前我國此類橋型的最大跨度。橋梁收縮、徐變變形控制是混凝土連續梁(剛構)橋跨度進一步突破需解決的關鍵問題。

連續(剛構)梁－拱組合橋是我國自主研究開發的橋式，采用拱結構加勁方式提高了連續(剛構)梁的結構剛度，降低了橋梁長期變形。目前該橋型已經在我國鐵路橋梁建設中得到了較為廣泛的應用；其中主跨200 m以上已建橋梁19座，在建橋梁8座。主跨300 m的漢十鐵路崔家營漢江特大橋為我國目前該橋型最大跨度橋梁。

部分斜拉橋是采用斜拉索對連續(剛構)梁結構進行加勁的一種橋式，拉索拉力既可平衡施工期間主梁內力，又能為成橋后的主梁提供彈性約束來減小梁體變形。近年來部分斜拉橋在國內鐵路建設中的應用逐漸增多，已統計到跨度200 m以上橋梁37座，其中已建橋梁10座，在建橋梁27座。福平鐵路烏江特大橋(主跨288 m)為我國目前此類橋型的最大跨度橋梁；擬建的珠肇高鐵荷麻溪特大橋主跨將達290 m。

混凝土拱橋充分利用混凝土拱肋的承壓能力，跨越能力強又可充分適應山區地形特點，是山區鐵路建設中的適宜橋型。目前我國已建及在建200 m以上跨度混凝土拱橋共計10座，其中滬昆高鐵北盤江特大橋(主跨達到445 m)為此類橋型的最大跨度記錄。

總體來說，我國在大跨度鐵路混凝土橋的建造技術方面已取得豐富成果，各類橋式的最大建造跨度已與理論極限跨徑[11－12]相當，如圖1所示。從跨越能力上來看，混凝土連續梁(剛構)橋主要應用于200 m以內跨度橋梁，連續(剛構)梁－拱組合橋和部分斜拉橋的適用最大跨徑在300 m左右，混凝土拱橋的最大跨度在450 m左右。

圖1 鐵路混凝土橋不同橋式適用跨度范圍

3 鐵路200 m以上跨度混凝土橋梁設計參數取值

對我國大跨度鐵路混凝土橋幾何參數、力學性能參數和經濟性參數進行了調研統計[13]，總結了各類橋式的參數取值范圍。

3.1 預應力混凝土連續剛構(梁)橋

預應力混凝土連續剛構(梁)橋關鍵技術參數及其取值范圍如表2所示。

表2 預應力混凝土連續剛構(梁)橋設計參數取值統計

(1)幾何參數。支點截面梁高約為L/13～L/14.5(L為主跨跨度)；跨中截面梁高約為支點截面的0.45～0.53倍；邊中跨跨度比取值范圍在0.52～0.60之間。

(2)力學性能參數。雙線橋活載作用下主梁的撓跨比通常值在1/3 000～1/5 000之間；主梁橫向撓跨比(風力＋搖擺力＋離心力＋溫度)通常值為1/10 000～1/20 000；活載梁端轉角多集中在0.25‰～0.5‰ rad；恒載作用下梁截面上、下緣應力差一般小于4 MPa。

(3)經濟性參數。跨度為L的雙線鐵路連續剛構(梁)橋梁部每延米混凝土用量約為0.21L－8.3 m3；單線橋約為0.20L－7.7 m3；梁部預應力鋼束用量集中在60 kg/m3左右。

3.2 連續剛構(梁)－拱組合橋

混凝土連續剛構(梁)－拱組合橋關鍵技術參數及其取值范圍如表3所示。

表3 混凝土連續剛構(梁)－拱組合橋設計參數取值統計

(1)幾何參數。邊、中跨跨度比取值范圍在0.45～0.5之間；主梁支點梁高通常為L/18～L/20；跨中梁高約為支點梁高的0.33～0.50倍；拱肋基本采用鋼管混凝土截面形式，矢跨比取值在1/5～1/6之間；拱肋截面高度通常在L/55～L/65之間。

(2)力學性能參數。活載作用下的豎向撓跨比通常值為1/4 000～1/5 500；活載梁端轉角多集中在0.6‰～1.0‰ rad；恒載下作用下梁截面上、下緣應力差在5.0 MPa以內。

(3)經濟性參數。在200～300 m跨度范圍內，雙線鐵路梁－拱組合橋的梁部每延米混凝土用量在30～42 m3之間；梁部每立方混凝土鋼絞線用量在55～75 kg之間；拱肋用鋼量為1 800～3 000 kg/m；每延米橋跨拱肋混凝土用量范圍在1.5～3 m3之間。

3.3 混凝土部分斜拉橋

混凝土部分斜拉橋關鍵技術參數及其取值范圍如表4所示。

表4 大跨度混凝土部分斜拉橋設計參數取值統計

(1)幾何參數。大跨度鐵路混凝土部分斜拉橋邊、中跨跨度比大多數為0.52～0.60；主梁支點處梁高約為L/18～L/20，跨中梁高約為支點梁高的0.45～0.60之間；主梁的寬跨比通常為1/20～1/30；無索區長度約為主跨跨徑的0.14～0.20倍；橋面以上塔高約為主跨跨度的1/7～1/12。

(2)力學性能參數。活載作用下豎向撓跨比基本在1/1 300～1/1 600之間，梁端轉角多集中在0.7‰ ～1.5‰rad；斜拉索承擔的豎向荷載的比例約為30%；拉索的疲勞應力幅一般在50～75 MPa以內；斜拉索安全系數多在2.0～2.2之間。

(3)經濟性指標。在主跨200～290 m范圍內，每延米混凝土用量在30.3～37.0 m3之間，每立方混凝土預應力用量約48 kg，每立方混凝土斜拉索用量約21 kg；每延米橋跨橋塔混凝土用量在1.7～4.5 m3之間。

3.4 混凝土拱橋

混凝土拱橋關鍵技術參數及其取值范圍如表5所示。

表5 大跨度混凝土拱橋設計參數取值統計

(1)幾何參數。鐵路混凝土拱橋的矢跨比多在1/5～1/4之間，拱軸系數多在1.6～3.2之間；拱圈平均寬跨比在1/23左右；肋拱平均高跨比在1/40左右，拱腳和拱頂截面高度比約在1.6～1.8之間。

(2)力學性能參數。主力作用下拱腳截面最大應力與容許應力的比值在0.7～0.9之間；活載作用下拱頂撓跨比主要在1/11 700～1/15 400之間；1/4截面處活載正、負撓度絕對值之和與跨度之比主要集中在1/4 000～1/5 500之間；上承式拱橋對溫度變化較為敏感，升、降溫15℃引起的拱頂變形值大致在L/5 000左右。

(3)經濟性參數。在跨度340～445 m范圍內，拱圈每延米混凝土用量在54～62 m3之間；主拱每立方混凝土勁性鋼骨架的用量約為190 kg；每延米橋跨拱上立柱混凝土用量范圍在10.6～15.3 m3之間。

4 大跨度鐵路混凝土橋規范指標修訂建議

橋上軌道靜態長波不平順和徐變限值是大跨度鐵路混凝土橋設計的關鍵技術指標。隨著橋梁跨度的不斷增加，現有設計規范《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)[14]中針對中小跨度橋梁制定的技術標準已無法適應大跨度鐵路橋梁的建設需求，亟需對兩項技術指標的限值合理取值進行研究。

4.1 橋上軌道靜態長波不平順限值

現行規范對軌道高低不平順采用300 m基線150 m矢距差不超過10 mm作為限值要求。這一限值標準主要針對路基段軌道驗收提出；對于大跨度橋梁來說，溫度、混凝土收縮、徐變變形等作用在橋梁內形成了初始長波不平順，且這一變形值隨溫度和時間不斷變化，較難滿足現行規范的限值要求，已成為制約鐵路混凝土橋向更大跨度發展的控制性因素。

現有實踐表明，部分已建成大跨度鐵路橋梁雖豎向剛度指標不滿足現行規范對中小跨度橋梁不平順限值的要求，但實際運營情況良好。軌道長波不平順限值主要是為了控制列車運行的舒適度。我國高速鐵路橋梁動態驗收中對于時速250 km的線路需要管理到70 m波長，時速300、350 km線路需要管理到120 m波長；為保證線路達到動態驗收要求，采用的弦長必須涵蓋120 m波長范圍。60 m弦測法的有效測量波長范圍在40～120 m之間，輸出的不平順與車體加速度之間相關性最好，用于長波不平順管理最合適[15]。根據綜合檢測車實測車體垂向加速度和60 m弦測不平順之間的相關性，以1.0 m/s2作為車體垂向加速度限值標準，提出時速250、300、350 km條件下，60 m弦測不平順限值分別取10 mm、8 mm和7 mm作為大跨度鐵路橋梁橋上軌道靜態長波不平順控制標準。圖2所示為我國時速250 km以上大跨度橋梁60 m弦高低不平順值的統計情況，滿足該限值指標要求。

圖2 時速250 km以上大跨度橋梁60 m弦高低不平順值統計

4.2 徐變變形限值

現行規范針對跨度超過50 m的無砟軌道橋梁提出豎向殘余徐變變形限值規定，要求最大豎向變形不超過跨度的1/5 000且不應超過20 mm。這一標準對于大跨度橋梁是過于嚴格的。

從行車舒適性角度，現行規范提出線路豎曲線半徑容許值以控制列車豎向加速度，時速350 km鐵路的豎曲線半徑容許值為25 000 m。對于主跨100 m的橋梁，若豎向殘余徐變變形為L/5 000，軌面變形曲線的換算半徑將達到62 500 m，遠大于時速350 km鐵路的豎曲線半徑限值，完全滿足高速鐵路運行的要求。當跨度進一步加大，工后徐變仍采用20 mm控制大跨度橋梁設計是過于嚴格的。

基于大跨度混凝土橋梁徐變變形限值的調研情況，基于綜合剛度控制標準，建議大跨度鐵路混凝土橋梁徐變變形限值可取為L/5 000。

5 結論

本文對我國當前200 m以上跨度鐵路混凝土橋應用概況、設計參數取值和設計技術標準進行了系統分析研究，主要研究結論如下:

(1)預應力混凝土連續剛構(梁)橋、連續剛構(梁)－拱組合橋、部分斜拉橋和混凝土拱橋是我國大跨度鐵路混凝土橋主要采用的橋式。混凝土連續梁(剛構)橋主要應用于200 m以內跨度橋梁，連續(剛構)梁－拱組合橋和部分斜拉橋的適用最大跨徑在300 m左右，混凝土拱橋最大跨度在450 m左右。

(2)現行規范中的軌道長波不平順和徐變變形限值指標無法適用于大跨度鐵路混凝土橋結構設計；建議采用60 m弦中點弦測法作為橋上軌道靜態長波不平順檢測標準，對時速250 km、300 km及350 km等級線路橋梁，分別取10 mm、8 mm和7 mm作為不平順指標限值；大跨度鐵路混凝土橋梁徐變變形限值指標建議取為L/5 000。