鐵路橋梁施工設計難點與應對策略研究

摘要 該文針對鐵路橋梁施工設計方案進行探討，以具體工程項目為例，歸納總結施工設計階段存在的技術難點，提出相應的設計策略方案，并對方案穩定性進行計算驗證。根據結構設計與列車走行分析，提出連續梁體的設計方案，明確橋梁防滲加固設計措施，以提高案例橋梁的應用質量。

關鍵詞 鐵路橋梁；施工；設計難點；應對策略

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0146-03

0 引言

近年來，我國基建工程數量不斷增加，對于國民的生活出行提供極大便利。各地在高速鐵路網絡建設與完善過程中，面臨的施工設計問題也越來越復雜，例如地質條件復雜，結構安全與穩定性以及環保景觀要求等。尤其是鐵路穿越復雜地區，如山區、河流等地時，橋梁結構的安全性與穩定性是設計環節的核心內容。只有不斷提高鐵路橋梁設計水準，才有助于后續施工的順利開展，有助于提高鐵路橋梁的運營安全性與使用壽命，合理控制施工成本[1]。

1 工程概況

該文以某鐵路橋梁工程為例，該工程位于黃河下游區域，緊鄰濟平干渠，線路位于曲率半徑5.5 km的曲線上，滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）、《鐵路線路設計規范》（TB 10098—2017）的要求。工程線路與黃河大堤的夾角為132°，受綜合環境影響，首先應明確鐵路橋梁施工設計階段的難點問題，隨后設計連續梁體方案，提出相應設計措施。在斜拉橋設計中，根據《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013），擬采用40 m+54 m+220 m+54 m+40 m的施工方案，主跨度為220 m；在連續梁橋設計中，則采用70 m+115 m+115 m+70 m的預應力混凝土連續橋結構。

2 鐵路橋梁施工設計難點

對于現階段的高速鐵路項目來說，在施工設計環節要考慮多方因素影響，才能加強整體結構穩定性，保證工程質量，節省施工成本與資源損耗。通過對案例工程項目展開調研，歸納出具體橋梁設計難點，如圖1所示。

2.1 梁端轉角控制難點

鐵路橋梁的梁端轉角主要受地理環境影響，為適應項目所處區域情況，需將梁端轉角控制在規范限制之內，如采用過渡梁構造措施方案，搭配簡支鋼箱系桿拱橋，針對最大轉角數值與鄰跨過渡梁進行設計。同時當梁端轉角超過規范限制較多時，還應選擇增加輔助跨的方式，以加強橋梁的整體結構穩定性，同時在邊跨設置加勁拱，也可減少梁端轉角[2]。

2.2 連續梁徐變控制難點

對于大跨度連續梁的徐變問題，應在控制截面上予以控制，據相關資料表明，200 m左右跨度的鐵路連續剛構橋，其截面恒載上緣與下緣的應力差值要保證在0～4 MPa之內，并且恒載作用下截面最大應力不應大于12 MPa，混凝土棱柱抗壓強度不應大于0.4 MPa[3]。與此同時，可通過增加跨中梁高的方式來降低徐變數值，或者采用減輕跨中梁體重量，以及縮短等效跨度等方法。在橋梁設計階段要對連續梁與斜拉橋的徐變情況調整設計方案，同時在后期施工環節也要對橋梁應力情況實時監控，將連續梁徐變數值控制在合理范圍。

2.3 橋梁樁基沉降控制難點

結合大量鐵路橋梁實踐情況，可知成橋后半年至一年期間，位于沙土層樁基的沉降可完成70%～80%，同時飽和層沉降完成30%～40%。因此在施工設計階段，應選擇合理地層，采用鉆孔樁施工技術，搭配壓縮性較小的粉砂層，才能有效控制沉降情況。此外在深厚軟弱地質中，樁長通常為40～50 m，壓縮試驗上限為400 kPa，屆時地基自重力會超過700 kPa，還應考慮樁基沉降的深度效應影響，才能保障鐵路橋梁的穩定性。

3 鐵路橋梁施工設計策略方案

3.1 結構設計與列車走行分析

在鐵路橋梁斜拉段的設計中，要充分考慮軌道運行后的外部荷載情況，也就是當列車行駛在軌道上時，列車－軌道－橋梁之間會產生耦合效應，即為列車行駛引發軌道與橋梁振動，橋梁受到外部振動作用時，也會對軌道與列車形成反作用力。尤其是在小半徑曲線路段，鐵路橋梁的跨徑普遍較大，這時軌道與橋梁之間的耦合振動效應更加明顯，因此要根據案例工程情況，針對斜拉橋的整體結構與列車走行方案進行研究分析。

綜合參考國內外相同類型的高速鐵路斜拉橋，確定案例橋梁結構為花瓶形橋塔，主梁橫截面為單箱三室混凝土箱梁，多數梁體屬于半漂浮體系結構，塔梁處布置縱向活動支座并搭配阻尼器，確定橋長為408 m。鑒于案例橋梁行車的最高速度為350 km/h，因此設計環節應滿足《高速鐵路設計規范》（TB10621—2014）中關于橋體強度與剛度的技術要求。與此同時，采用空間梁單元對全橋建模，對案例橋梁整體應力結構進行模擬，計算各振動階數下橋段的振動特點與自振頻率，此類數據信息有助于橋梁結構設計的優化完善，具體如表1所示。

根據鐵路橋梁結構與空間振動響應結果，還應根據橋建完畢后的列車走形情況進行調整。此階段需要用行車的安全性與平穩性，作為評價車－橋系統振動性能的核心指標。同樣是根據車橋耦合計算原理推導有限元模型，按照列車編組與行車速度，計算CRH3高速列車在斜拉橋段的動力響應數值，編組情況如表2所示。

鑒于列車運營過程中的平穩性、安全性以及列車在橋梁上的動力響應，均為評價列車－橋系統振動性能的主要內容[4]。因此當案例橋梁處于表1敘述的自振頻率時，此時CRH3高速列車以250～350 km/h的速度行駛在橋上時，各項結果均滿足預期方案。屆時乘車舒適度數值均不大于2.75 m/s2，符合相關技術要求；此外當CRH3高速列車以375～420 km/h的速度行駛在橋上時，各項結果也滿足預期方案。屆時乘車舒適度數值處于2.75～3.00 m/s2之間，也能達到合格水平[5]。

3.2 連續梁體設計方案

當鐵路列車處于平穩行駛與加速行駛時，橋梁體剛度數值會對乘車舒適程度以及車體加速度構成直接影響，同時為保證鐵路自身運行性能，也應保證高強度的梁體耐久性，根據鐵路運行需求展開連續梁體的設計，才能提高后續施工質量與效率，減少鐵路運營階段的維護保養費用，具體內容如下：

（1）考慮橋梁結構在縱向荷載環境影響下的變化情況；

（2）在預期鐵路列車行駛中，橋梁與軌道的相對位移情況，例如在不同車速狀態下，由于沖擊系數存在差異，因此橋梁跨中段振動位移、跨中段振動加速度以及梁端轉角都會產生相應變化；

（3）在開展連續梁體設計時，要綜合考慮橋梁動力響應結果，具體如表3所示。也就是在橋梁單線與雙線運行背景下，根據不同列車速度造成的沖擊系數，針對主梁跨中造成的振動位移以及振動加速度進行模擬計算，從而得出列車行駛時軌道與橋梁產生的相對位移情況。

當連續梁體的曲線半徑大于3 km時，列車輪重減載率受曲線半徑數值的影響逐漸降低，例如連續梁體位于曲線半徑不小于5.5 km時，橋梁的剛度、強度數值可以滿足列車走形的穩定性與舒適程度。因此，基于案例橋梁的動力性能分析結果，和已建成通車的高速鐵路運營動態報告，借鑒其中橋梁動力性能的分析成果[6]。最終確定為在曲線半徑不小于5.5 km的前提下，連續梁主跨應不小于115 m，這時橋梁與列車動力響應均滿足規范要求。

3.3 防滲加固設計措施

鑒于案例橋梁工程的河段常年處于治理中，現已形成人工控制的彎曲型河段，兩岸之間中河水槽較穩定，因此在鐵路橋梁設計中還應考慮防滲加固措施?？紤]案例橋梁所處地區情況，推導計算橋梁的防洪水位，例如臨黃河側設計防洪水位為39.40 m，背黃河側面設計水位為31.48 m。考慮允許滲透坡降數值，即當橋梁樁基土體發生流土破壞時，其臨界滲透坡計算公式如下：

式中，代表的是土的臨界滲透坡降數值，單位為“無單位”或“1”，（因為其是通過比例關系計算得到）；代表的是土的顆粒比重情況，單位為g/cm3；代表土的孔隙率，單位為%。因此，將安全系數設為，則可以計算出土的允許滲透坡降數值：

根據上述公式推導案例橋梁的相關數值，具體如表4所示。

當允許出逸比降數值為0.4時，原設大堤的出逸比降為0.35，橋梁防滲體系沒有被破壞。而當增設橋堤后，增設橋墩的出逸比降為0.45，導致防滲體系破壞，因此要制定防滲加固設計措施：

（1）鑒于初設方案中墻體有效厚度為0.4 m，距離黃河側堤為2 m，為避免截滲端發生集中破壞情況，截滲墻向河道上下游延伸50 m。采取該項防滲措施后，橋墩整體得到加固，出逸比降數值降低為0.39，滿足相應技術標準，使防滲體系得到恢復。

（2）后續為保證橋墩增設后大堤滲流的穩定性，還應增設深層攪拌樁墻體，保證防滲黏土環厚度為2.0 m，底部低于承臺0.5 m，頂部高出堤身浸潤線0.5 m。

（3）在施工設計階段，深層攪拌樁施工要保證鉆進、提升、兩拌兩噴技術方式的有效結合，針對橋梁樁基的混凝土注漿量進行監控，以保證截滲墻的施工質量，應嚴格控制樁基位置與垂直度。

（4）針對防滲墻進行施工保養，在鐵路橋梁設計方案中明確要求保養期限與具體措施，例如對墻體齒片外徑進行定期測量，如超出設計參數要及時修復，同時要保證防滲墻的均勻度，有效發揮出防滲墻體的應力性能，對高速鐵路橋梁的正常使用提供保障。

3.4 穩定性驗證

明確橋梁加固措施后，還要對橋梁整體的抗滑穩定性進行計算，將斷面數值、計算參數、邊界條件以及滲流數值匯總，根據《堤防工程設計規范》（GB50286—2013）技術標準，設計洪水位驟降期的臨河堤坡，要保證安全系數不小于1.3。穩定性計算采用理正軟件，按網絡布置多個圓弧裂面，用最優原理推算出最小安全系數的臨界弧，結果如表5所示。能夠了解到，在穩定性方面，案例橋梁設計洪水位的臨水面安全系數為2.48，背水面安全系數為2.01；洪水位驟降期臨水面的安全系數為1.37；施工期臨水面的安全系數為2.32，背水面安全系數為2.41，均高于安全系數最低標準1.3。

4 結論

綜上所述，文章首先闡述鐵路橋梁施工設計的作用價值，結合某鐵路橋梁工程，分析施工設計難點與應對策略，了解到梁端轉角控制、連續梁徐變以及橋梁樁基沉降，是影響橋梁穩定性的主要因素?；诖?，研究結合案例情況，展開結構設計與列車走行分析，設計連續梁體施工方案，并且制定防滲加固措施。最后對鐵路橋梁穩定性進行計算，得出案例橋梁設計洪水位的臨水面安全系數為2.48，背水面安全系數為2.01；洪水位驟降期臨水面的安全系數為1.37；施工期臨水面的安全系數為2.32，背水面安全系數為2.41，均高于安全系數最低標準1.3，滿足鐵路橋梁施工設計技術標準。

參考文獻

[1]黎丁實，趙愛軍，黃太平.公路工程橋梁結構BIM應用研究[J].四川建筑，2023（6）：90-91.

[2]杜洪亮.大跨度鋼桁架管橋設計分析與施工方案探討[J].水電站設計，2023（4）：70-73.

[3]周勇政，陳良江，高策.我國高速鐵路橋梁設計技術及探索[J].橋梁建設，2018（5）：11-15.

[4]陳敦，王根會，穆彥虎，等.鐵路大跨度簡支鋼桁梁橋車-橋耦合振動研究[J].地震工程學報，2017（5）：820-828+852.

[5]國家鐵路局.鐵路橋涵設計規范：TB10002—2017[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[6]中國鐵道科學研究院.寧杭客運專線動態檢測報告[R].北京：中國鐵道科學研究院，2013.

收稿日期：2024-02-26

作者簡介：謝宇峰（1992—），男，碩士，助理工程師，主要從事鐵路橋涵設計工作。