既有250 km/h高速鐵路32 m簡支箱梁提速至300 km/h適應性分析

趙健業 胡所亭 王巍

1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

隨著高速鐵路建設持續快速推進，我國高速鐵路運營里程突破4 萬km，已建成世界上最發達的高速鐵路網［1］。在已開通運營的高速鐵路線路中，250 km/h的線路運營里程約為1.5 萬km，占比超過40%，是我國高速鐵路網的重要組成部分。250 km/h 高速鐵路的提速，可有效提升其運行品質和效率效益，充分挖掘龐大的高速鐵路固定資產潛力，最大限度地增加客運供給，進一步優化完善高速鐵路路網布局，實現全路效益最大化。提速后有利于科學合理地布局全國交通運輸版圖，對實現我國各區域優勢互補，助力欠發達地區解決發展不平衡不充分問題，推動交通強國戰略實施具有重要意義。為保證線路的可靠性和旅客乘坐舒適性，同時達到節約土地、保護環境等目的，我國高速鐵路優先采用以橋代路形式［2］，且大量采用等跨布置的32 m 簡支箱梁。本文以32 m 簡支箱梁為例，研究其對250 km/h 提速至300 km/h 的適應性，采用標準對比、現場調研、試驗分析的方法研究簡支箱梁設計標準、養護維修情況、關鍵參數對提速的影響。

1 32 m簡支箱梁設計情況

2016 年之前編制的通用參考圖橋梁的設計依據為TB 10621—2009《高速鐵路設計規范（試行）》［3］，2016 年編制的通用參考圖橋梁的設計依據為現行的TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［4］，后者橋梁部分沿用了前者的相關規定。

統計梁高和軌道結構可知，250 km/h 高速鐵路有砟軌道32 m 簡支箱梁梁高主要分為2.5、2.8 m，無砟軌道32 m簡支箱梁梁高為2.5 m。

2 250 km/h達速前后橋梁情況對比

2.1 達速前后橋梁傷損情況對比

高速鐵路混凝土橋梁病害主要為附屬設施的耐久性病害，包括：①混凝土橋面欄桿風化、欄片松動缺失；②梁端止水帶淤積、掉落；③橋面泄水孔堵塞；④支座鋼制部分銹蝕，鋼構件開裂等。這些病害主要由施工質量缺陷引起，屬于橋梁耐久性病害。此外，部分路局管段存在橋梁徐變上拱、路橋過渡段沉降等，路橋過渡段沉降主要原因是施工質量缺陷。

這些病害與速度相關性不強，多由施工質量引起。根據達速試驗前后現場橋梁情況調研對比發現，速度的提升并未顯著加速病害的發展，試驗前后設備傷損情況基本相當。

2.2 達速前后橋梁養護維修情況對比

我國高速鐵路大量采用工廠預制的標準跨度梁，運營多年后橋梁主體結構質量完好，病害多為附屬設施的耐久性病害或初始施工質量引起的病害，速度的提升并未顯著加速病害的發展。250 km/h高速鐵路達速試驗前后，橋梁養護維修工作量變化不大。

3 關鍵參數適應性分析

TB 10621—2014 給出了32 m 簡支箱梁的橋梁梁部及墩臺剛度的限值，除梁體豎向撓度限值、不需動力檢算的豎向自振頻率限值與設計速度相關外，列車荷載圖式及動力系數、豎向殘余徐變變形、梁體橫向變形限值、橋面板振動加速度限值、梁端轉角限值、墩臺縱向和橫向水平線剛度限值、墩臺基礎工后沉降限值對于設計250、300 km/h 的規定完全一致。因此，既有250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁適應性分析與速度相關參數包括：梁體豎向自振頻率、梁體豎向剛度（撓跨比和梁端豎向轉角）、梁體豎向振動加速度。

4 與速度相關參數分析

對貴陽—廣州鐵路32 m 簡支箱梁進行提速適應性試驗，對與速度有關的關鍵性參數進行分析。

4.1 梁體豎向自振頻率

32 m 簡支箱梁實測梁體豎向自振頻率見表1。可見，不同梁高梁體豎向自振頻率實測值大于設計值，且滿足TB 10621—2014 規定的設計速度300 km/h 不需動力檢算限值的要求，表明既有250 km/h 高速鐵路32 m簡支箱梁豎向自振頻率能夠滿足提速至300 km/h的要求。32 m 簡支箱梁梁體豎向自振頻率實測值高于設計值的主要影響因素有混凝土實際彈性模量、二期恒載、梁軌相互作用、活動支座摩阻等［5］。對于同類型梁，因混凝土實際彈性模量不同，且受活動支座摩阻、梁體相互作用等因素影響，造成實測值有差異。

表1 32 m簡支箱梁梁體豎向自振頻率

列車對橋梁的豎向強振頻率主要取決于動車組列車速度v和車輛長度d。由車輛長度引起的豎向強振頻率為v/（3.6d）［6］。由于軸距、定距、兩車相鄰轉向架的中心距造成的重復加載作用不連續，引起的強振頻率處于次要地位。我國動車組列車車長一般為25 m，理論強振頻率為0.011v。當動車組列車以300 km/h及以下速度通過橋梁時，列車引起的豎向強振頻率小于3.5 Hz，小于32 m 簡支箱梁實測豎向自振頻率，梁體不會產生豎向共振現象。

4.2 梁體豎向剛度

國內外規范均以靜活載作用下的撓跨比和梁端轉角作為梁體豎向剛度控制指標，不同梁高的32 m 簡支箱梁實測梁體豎向撓跨比和梁端豎向轉角（換算至ZK 活載）分別見表2、表3。可知，32 m 簡支箱梁撓跨比和梁端豎向轉角設計值高于TB 10621—2014 規定的相關限值要求，而實測值均小于設計值。這表明既有250 km/h 高速鐵路32m 簡支箱梁梁體豎向剛度能夠滿足提速至300 km/h的要求。

表2 32 m簡支箱梁梁體豎向撓跨比（換算至ZK活載）

表3 32 m簡支箱梁梁端豎向轉角（換算至ZK活載）

4.3 梁體豎向加速度

250 km/h 高速鐵路聯調聯試最高試驗速度為275 km/h［7］。隨機選取試驗數據研究跨中豎向振動加速度與行車速度的關系，見圖1。可知，梁體跨中豎向振動加速度隨行車速度提高而增大，未發生振動過大和共振現象。

圖1 簡支箱梁跨中豎向振動加速度與行車速度的關系

動車組列車以275 km/h 及以下速度通過時，實測32 m 簡支箱梁跨中豎向振動加速度最大值見表4。可知，不同軌道結構類型、梁高的32 m 簡支箱梁跨中豎向振動加速度最大值均小于TB 10621—2014限值。

結合圖1和表4可以推測，動車組列車以300 km/h及以下速度通過既有250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁時，梁體跨中豎向振動加速度均小于TB 10621—2014的限值，既有250 km/h高速鐵路32 m簡支箱梁梁體豎向振動加速度能夠滿足提速至300 km/h的要求。

表4 32 m簡支箱梁跨中豎向振動加速度最大值

5 結論

1）TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》給出了32 m 簡支箱梁的梁部及墩臺剛度的限值，設計250、300 km/h的高速鐵路橋梁大部分參數限值完全一致。

2）TB 10621—2014 規定既有250 km/h 高速鐵路車橋耦合動力響應分析的檢算速度為300 km/h。既有250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁車橋耦合動力響應滿足提速至300 km/h的要求。

3）設計速度250 km/h 的32 m 簡支箱梁實測梁體豎向自振頻率小于設計值，且滿足TB 10621—2014 中設計速度300 km/h不需動力檢算限值的要求。

4）設計速度250 km/h 的32 m 簡支箱梁梁體豎向撓跨比和豎向轉角實測值均小于TB 10621—2014 規定的設計速度300 km/h簡支箱梁豎向剛度限值。

5）動車組列車以300 km/h 及以下速度通過250 km/h 高速鐵路32 m 簡支箱梁時，梁體跨中豎向振動加速度均小于TB 10621—2014的限值。