山西中南部铁路通道重载连续梁设计

胡国华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程简介

重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国的广泛重视，特别是在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等，发展尤为迅速。世界铁路重载运输是从20世纪50年代开始出现并发展起来的，60年代中后期，重载运输开始取得实质性进展，并逐步形成强大的生产力。目前，重载铁路运输在世界范围内迅速发展，重载运输已被国际公认为铁路货运发展的方向，成为世界铁路发展的重要趋势。

世界各国的铁路由于运营条件、技术装备水平不同，采用的重载列车形式和组织方式也各有特点。国际重载协会(IHHA)先后于1986年、1994年和2005年三次修订了重载铁路标准。加快发展重载运输对提高铁路线路运输能力，促进国民经济发展，有着十分重要的作用。最近10年来，我国重载技术得到了迅速发展，重载运输已初具规模。为了适应重载运输需要，我国铁路正在不断提高车辆载重和列车牵引重量。目前，我国的大秦线满足国际重载协会2005年的重载铁路新标准，朔黄、京广、京沪、京哈等干线满足1994年的标准。

新建山西中南部铁路通道是国家规划的大能力运煤通道建设项目，是“十一五”期间国家重点工程，起点为山西省吕梁市，终点为日照港，全长1 260 km。是我国第一条轴重达30 t的双线重载电气化铁路，建成后将成为世界上运量最大的重载铁路之一。

2 设计概述

连续梁结构应用广泛，是桥梁常用结构体系。具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简单、抗震能力强等优点。一般采用悬臂浇筑的施工方法，不需要大量施工支架和临时设备，不影响桥下通航、通车，施工受季节、河道水位的影响小，特别适合于跨越既有道路、河流、山谷，施工期水位变化频繁不宜水上作业的河流以及通航频繁且施工时需留有较大净空的河流，减少对现有道路、水路交通的影响。

新建山西中南部铁路通道采用了大量预应力混凝土连续梁结构。设计考虑全线以重载运煤为主，部分区段开通客车的特点，活载图式采用中－活载(2005)ZH标准(z=1.2)进行设计，以满足重载运输铁路建设的要求。设计从提高结构使用寿命出发，在结构参数的选取、原材料的选择以及施工工艺等方面考虑结构耐久性的要求。本系列常用跨度连续梁分单、双线两种梁型，施工主要按悬臂浇筑设计，部分跨度根据实际需要采用支架现浇，共计11种梁型，类型及跨度见表1。

表1 连续梁类型及跨度

(1)设计速度:客车160 km/h，货车120 km/h。

(2)线路情况:直、曲线，双线时正线线间距4.0～5.0m，最小曲线半径1200m。

(3)轨道标准:铺设无缝线路，Ⅲ型轨枕，正线钢轨60 kg/m。

(4)轨道类型及高度:采用有砟轨道，轨底最小道砟厚度0.35m，轨底至梁顶0.70m。

(5)设计荷载:中 －活载(2005)ZH标准(z=1.2)。

3 设计荷载及参数

(1)恒载

结构自重:容重按26 kN/m3计算。

附属设施重(二期恒载):

包括钢轨、轨枕等线路设备，以及道砟、防水层、保护层、人行道支架及步板、声屏障、挡砟墙、电缆槽等附属设施重量，单侧声屏障自重按4.0 kN/m计算。双线梁二期恒载合计直线梁按140～155 kN/m计算，曲线梁按155～170 kN/m计算。单线梁二期恒载合计直线梁按84.4 kN/m计算，曲线梁按91.5 kN/m计算。

基础不均匀沉降:相邻两支点不均匀沉降值见表2。

表2 基础允许不均匀沉降值

(2)活载

列车活载:采用中—活载(2005)ZH标准(z=1.2)，如图1。动力系数按《铁路桥涵设计基本规范》4.3.5条计算，即

图1 列车活载图式(单位:m)

横向摇摆力取120 kN，作为一个集中荷载取最不利位置作用于桥梁结构，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面，对于双线桥只取一线上的横向摇摆力。

曲线桥列车静活载产生的离心力:曲线桥梁上的离心力大小等于列车竖向静活载乘以离心力率C，水平向外作用于轨顶以上2.2m处，离心力率C按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.3.6条计算。

(3)附加力

风力、列车制动力或牵引力:按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)相应条款计算。

温度荷载:纵向计算设计合龙温度取桥位处最低和最高月平均温度平均值，均匀温差按升降温20℃，日照温差按顶板升温5℃计算。横向按支承在主梁腹板中心线下缘的箱形框架计算，按升温、降温两种情况，计算图式如图2。

图2 横框温度计算图式

(4)特殊荷载

列车脱轨荷载、施工荷载、地震力分别按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)、《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)计算。

4 结构设计

4.1 桥面布置

采用有砟桥面，挡砟墙内侧距线路中心线距离取2.25m，桥面净宽满足大型铁路养护机械设备作业的要求。为方便桥面附属设施布置，连续梁上桥面布置与本线简支T梁相同。

桥面两侧设人行道，人行道采用角钢支架形式，人行道角钢支架与预埋在挡砟墙处T形钢栓接。无声屏障时人行道宽0.8m，有声屏障时人行道宽1.3m。单、双线连续梁桥面布置如图3、图4所示。

图3 单线梁桥面布置(直线有声屏障)(单位:mm)

图4 双线梁桥面布置(曲线无声屏障)(单位:mm)

4.2 截面尺寸

梁体为单箱单室、变高度、变截面结构，梁底下缘按二次抛物线变化。单线箱梁底宽4.0m，顶宽4.9m。双线箱梁底宽6.0m，线间距4.0～5.0m时，顶宽8.9～9.9m。线间距大于4m时，相应增加翼缘悬臂板长度。底板厚度按直线线性变化，腹板厚按折线变化，底板、腹板、顶板局部向内侧加厚。全联在端支点、中跨跨中及中支点处设横隔板，横隔板设有孔洞，供检查人员通过。各跨度连续梁截面主要尺寸见表3。

表3 截面尺寸 cm

4.3 主要设计原则

(1)梁体构造

直、曲线梁合并设计，双线梁线间距大于4m时，保持箱体不变，仅根据线间距的变化相应增加翼缘悬臂板长度。曲线上梁按曲梁曲做布置，梁体轮廓、普通钢筋、预应力钢束及管道等沿径向依据曲率进行相应的调整，支座亦按径向布置。

为满足两端梁端预应力筋张拉操作空间，在梁端预留0.5m深张拉槽。

悬臂施工、支架现浇施工连续梁截面尺寸相同。

支架现浇施工不采用一次现浇施工，按大节段现浇设计，跨中设2m合龙段。一次现浇混凝土量较大，除考虑施工现场混凝土供应能力难以保证外，主要考虑支架所受荷载很大，引起的支架沉降值较大，且支架的不均匀沉降难以控制。采取大节段现浇，不仅可以减少支架的沉降，而且分段处可以作为纵向预应力钢束的锚固面，给设计配束带来很大方便。施工时支架可以倒用，可减少支架用量和施工作业面，方便施工。

(2)预应力筋

采用包络设计，直、曲线梁预应力钢束的截面布置、形状、锚下张拉控制应力相同，仅根据受力需要调整预应力钢束规格，以方便施工。

梁体不设横向、竖向预应力筋，仅设纵向预应力钢束。适当加强腹板束，以提高全梁的承载力。设计中没有采用连续梁惯用的三向预应力体系，主要基于以下方面的考虑:

①本设计连续梁桥面宽度较窄，且翼缘板悬臂长度较小。线路中心线位于腹板附近，活载横向效应小。同时对比、参考同等类型、同样桥面宽度或更宽的简支箱梁，其桥面横向均不设横向预应力钢束。桥面不设横向预应力，仅配普通钢筋，结构受力可完全满足要求。

②国内外很多实例表明，连续梁竖向预应力的损失很大，有的几乎损失殆尽，其所起到的作用十分有限。因而连续梁设置竖向预应力筋，仅作为一种安全储备。实际施工普遍存在工期紧张，孔道压浆不密实。设置竖向预应力筋不仅没有起到安全储备的作用，反而在梁体内留下一个个空洞，对截面削弱相当大。设计中在设置竖向预应力筋处很难做到其孔道与桥面板横向钢筋、腹板箍筋不冲突，施工时势必截断大量梁体普通钢筋，而施工中又难以做到等强度补强。鉴于竖向预应力筋损失大，易失效，施工质量难以保证，本设计取消竖向预应力筋的设置。

③不设横、竖向预应力束，施工时不用预埋相应孔道，省去了张拉和施工后的封锚工作。不仅可简化施工程序，且混凝土一次浇筑成型，能有效保证混凝土密实和施工质量，亦可防止封锚处防水处理不好，对结构耐久性产生不利影响。

(3)普通钢筋

纵向普通钢筋按构造配置，采用φ12@100或φ16@150。腹板箍筋除按横向计算确定外，尚需按斜截面强度计算确定。在顶底板上下层、腹板内外侧钢筋网间设置φ12拉筋，拉筋纵横向按300 mm×300 mm间距梅花形布置，以保证钢筋网的整体性和稳定性。为防止弯曲段底板的纵向预应力筋崩出，沿底板预应力钢筋凸曲线段设置φ12@100防崩钢筋。

(4)支座

采用铁路连续梁球形钢支座，支座设于腹板下方，以有效传力，并增强梁体横向稳定性。在支点处横向局部加宽，以减少支座处局部应力。因梁端留有0.5m深张拉槽，边支点支座处应做检算，防止封端前因尺寸过小混凝土发生局部破坏。

4.4 主要计算结果

各跨度连续梁(曲线线间距5.0m)在主力下最小强度安全系数、最小抗裂安全系数、主跨跨中下缘混凝土最小压应力、残余徐变拱度、静活载下梁端转角、挠跨比等主要计算结果见表4。

表4 计算结果(主力)

由表4中计算结果可知，结构应力、强度、刚度等均满足规范要求，具有足够的承载力。结构在静活载下的梁端转角、挠跨比均较小，设计主要由强度和应力控制。

5 设计要点

(1)重载铁路轴重大，与标准中活载相比，其活载效应要增大25%～35%左右。由表3可知，截面高跨比约为1/12，同样跨度的梁，重载下梁高比标准中活载下要大。当然，混凝土、钢绞线单位用量指标也比标准中活载下要大。重载铁路活载效应大，亦应有一定的安全储备，不可片面追求结构的轻型化，而降低结构的安全度。

因结构没有配置横、竖向预应力筋，梁体普通钢筋量较大，但结构的材料、施工总费用要省。另外，因钢束布置构造上的原因，采用支架现浇预应力钢束用量比悬臂施工略偏多。

(2)根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)，梁斜截面主拉应力 σtp为

由上式可知，无论纵向预加应力σcx多大，只要不配置竖向预应力(即σcy=0)，截面总会存在主拉应力。因此，配置竖向预应力可以减少或消除主拉应力。理论上讲，配置适当的竖向预应力即可使截面不产生主拉应力。同本文前面所述的原因，竖向预应力筋损失大(尤其当梁高较小时)，施工质量难以保证，易失效。故设计中配置竖向预应力筋仅作为一种安全储备，一般不考虑其对减少主拉应力的贡献。

结构不设竖向预应力筋，可通过适当加大腹板厚度和纵向预应力束的配置，将结构主拉应力控制在合适水平。同时应适当加强腹板箍筋，以保证结构安全。当梁高较大或截面尺寸受限时，可配置适当竖向预应力筋，以减少主拉应力。此时应特别注意采用切实有效的措施，以保证竖向预加应力的有效性。

(3)预应力钢束的平、竖弯角度不宜太大，一般不宜超过15°，并应尽量减少钢束平弯，以方便施工。齿块处过大的竖弯角度，不仅增大预应力损失，而且产生的局部应力较大，锚固处易产生裂缝。当然，若角度太小，齿块的纵向尺寸会较大，往往会给结构布置带来困难，设计中要综合考虑。

(4)钢束应优先锚固在顶板、腹板相交区域，因为此处厚度较大，能可靠承受此处的集中锚固力。钢束锚固处锚垫板布置应满足相关产品最小间距要求，且锚板中心距、锚板至结构轮廓距离不应同时取最小值。考虑结构最小保护层要求和布置轮廓最外层普通钢筋，锚垫板边缘距结构轮廓60 mm是适宜的。

(5)若齿块锚固在顶、底板中部，在锚固力作用下齿块与顶、底板相交处及其后部受拉，易产生裂缝，故齿块最好能靠近腹板锚固，并以斜面过度与结构顶、腹板或底、腹板连成一体，以便钢束锚固力快速传至腹板扩散至全截面受力。考虑到钢束张拉空间要求，钢束中心距腹板距离可取0.3～0.5m。

(6)根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)附录C计算斜截面抗剪强度，腹板箍筋配置偏多。附录C中抗剪强度公式适用于等高简支梁，对于变高度连续梁可以参考《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)计算。

(7)《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)规定在检算破坏阶段的截面强度时，可不计预加力产生的二次力的影响。而《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)规定在承载力计算时应考虑次内力。对预应力混凝土连续梁，是否考虑预加力产生的二次力对跨中截面或中支点其荷载效应会增大或减少，设计时应予注意。

6 结束语

本线设计活载为1.2 ZH荷载，载重大。由于活载的加大，在动力、疲劳性能等方面对结构产生较大的影响。根据山西中南部铁路通道采用的活载标准，在理论计算的基础上建立平面杆系模型及空间模型进行分析，完成山西中南部铁路通道常用跨度预应力混凝土连续梁设计。

设计从结构形式、结构静动力特性等方面进行了深入研究，保证其满足未来大能力货运运输的需要。设计中静力设计与动力设计相结合，使结构能适应重载铁路轴重大、运量大的特点，保证列车运行安全性。设计充分考虑了重载铁路的特点，梁体采用单箱单室截面，受力明确、施工方便、节省材料用量，结构具有良好的抗弯、抗扭刚度，并在保证结构安全可靠的基础上，对构造细节、预应力钢束和梁体普通钢筋布置进行多次优化，具有较好的经济性，对同类型铁路桥梁设计具有较大参考意义。

［1］中华人民共和国铁道部．TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005

［2］中华人民共和国铁道部．TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005

［3］中华人民共和国铁道部．TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2011

［4］中华人民共和国交通部．JTG D62—2004 公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2004

［5］中华人民共和国建设部．GB50010—2002 混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002

［6］范立础．预应力混凝土连续梁桥［M］．北京:人民交通出版社，1988

［7］张继尧，王昌将．悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥［M］．北京:人民交通出版社，2004