高速铁路常用中小跨度连续梁设计及探讨

白琦成

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)



高速铁路常用中小跨度连续梁设计及探讨

白琦成

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

【摘要】梳理现行高速铁路预应力混凝土连续梁通用图设计情况，阐述高速铁路连续梁设计主要技术标准、设计原则及技术参数，结合西成客运专线连续梁设计介绍采用材料、梁体构造、钢筋及混凝土用量、主要计算结果，并探讨连续梁边中跨比例及结构尺寸方面的问题，可供高速铁路连续梁设计参考。

【关键词】高速铁路;连续梁;设计;探讨

铁路中小跨度连续梁主要指主跨100 m及以下跨度的连续梁。高速铁路预应力混凝土连续梁通用图有时速250 km有砟轨道(24+32+24) m、(32+40+32) m、(32+48+32) m、(60+100+60) m支架现浇连续梁；时速250 km有砟轨道(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m悬灌施工连续梁；时速350 km有砟轨道(32+48+32) m支架现浇连续梁；时速350 km无砟轨道2×24、3×24、2×32、3×32、2×40、(32+48+32) m支架现浇连续梁；时速350 km无砟轨道(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m悬灌施工连续梁。

由于2×24 m、3×24 m、2×32 m、3×32 m、(24+32+24) m连续梁可以采用相同跨度简支梁替换，现浇简支梁模板可利用率高、工序简单、经济性较好，因此这几种跨度连续梁较少采用。

各设计院根据各线工点具体情况编制了主跨100 m以下而通用图所没有的连续梁设计图。时速350 km京沪高速铁路采用了(24+40+24) m、(32+40+32) m、(37+60+37) m、(44+68+44) m、(40+72+40) m、(55+80+55) m等跨度预应力混凝土连续梁；时速250 km西成客运专线采用了(32+48+32) m、(36+64+36) m、(44+80+44) m等跨度预应力混凝土连续梁。

1高速铁路连续梁设计主要技术标准

高速铁路连续梁设计的技术标准主要包括：(1)桥上线路。西成客运专线为双线，线间距4.6 m，平面为直线，坡度不大于20‰。(2)设计行车速度。西成客运专线为时速250 km。(3)设计活载。ZK活载。(4)轨道结构。西成客运专线为CRTSI型双块式无砟轨道。(5)桥梁建筑限界。客运专线铁路建筑限界200 km/h≤v≤350 km/h。(6)主体结构使用年限100年。(7)适用环境。碳化环境作用等级T1、T2。(8)地震动峰值加速度。西成客运专线为0.1g，反应谱特征周期为0.45 s。

2高速铁路连续梁主要设计原则及技术参数

2.1设计荷载

(1)恒载：包括梁体自重、二期恒载和基础不均匀沉降。二期恒载含钢轨、扣件、轨道板、防水层、保护层、人行道遮板、防撞墙、电缆槽竖墙及盖板等重量。

(2)活载：包括ZK荷载及动力系数、列车横向摇摆力、设计人行道竖向静活载。西成客运专线采用5 kPa，主梁设计时人行道竖向静活载不与列车活载同时计算。

(3)附加力：包括桥上列车制动力或牵引力、风力、温度变化的作用。

(4)特殊荷载：包括运梁架桥工况荷载、施工荷载。施工荷载含挂篮(悬臂灌筑时)、机具、人员等。

2.2荷载组合

2.2.1主力

(1)自重+二期恒载+活载+预应力+混凝土收缩徐变。

(2)自重+二期恒载+活载+预应力+混凝土收缩徐变+基础沉降。

2.2.2主力+附加力

(1)主力+温度变化+风力。

(2)主力+温度变化+风力+制动力。

2.3 主要设计指标

2.3.1设计安全系数及各阶段应力控制

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》规定,其中：

设计强度安全系数K：主力≥2.2，主+附≥1.98，安装荷载≥1.8。

设计抗裂安全系数Kf：主力、主+附≥1.2，安装荷载≥1.1。

混凝土应力控制：(1)传力锚固时混凝土压应力和拉应力分别≯fct和≯0.6fc。(2)运营荷载下混凝土压应力主力时≯0.5fc，主+附时≯0.55fc。(3)运营荷载下混凝土拉应力≯0，特载时≯0.6fct。(4)抗裂荷载下混凝土主拉应力≯fct，主压应力≯0.6fc。其中fct为混凝土抗拉极限强度，fc为混凝土抗压极限强度。

预应力钢绞线应力控制：(1)锚下控制应力≯0.75fpk。(2)传力锚固时钢绞线应力≯0.65fpk。(3)运营荷载下钢绞线应力≯0.6fpk。(4)疲劳荷载下钢绞线应力幅≯140。(5)疲劳荷载下竖向预应力螺纹钢筋应力幅≯80。其中，fpk为预应力钢筋抗拉强度标准值。

2.3.2混凝土收缩徐变

按《铁路钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》计算。

2.3.3预应力损失计算参数

西成客运专线计算参数取值如下：

(1)纵向预应力钢绞线。预应力钢束与管道壁之间的摩擦系数μ=0.15；管道位置的偏差系数k=0.001 5；锚头变形、钢筋回缩(考虑反摩阻)△L=6 mm，钢绞线松弛系数0.025。

(2)竖向预应力钢筋。波纹管摩阻系数μ=0.35；孔道偏差系数k=0.003；锚具变形与钢束回缩值(一端)为1 mm，钢束松弛系数为0.035。

2.3.4锚下控制应力

西成客运专线纵向预应力钢绞线(不包括锚圈口之间及锚下垫板喇叭口处摩阻损失)σcon=0.7fpk=1 302 MPa,竖向预应力螺纹钢筋(不包括锚圈口之间及锚下垫板喇叭口处摩阻损失)σcon=0.85fpk=706 MPa。

2.3.5梁体变形限值

(1)在静活载作用下所引起的最大竖向挠度。西成客运专线对于连续梁边跨和中间跨80 m及以下不大于1.1×L/1 400，中间跨80 m以上不大于1.1×L/1 000。梁端转角相邻两孔梁之间<1.0‰。

(2)梁体竖向挠度除考虑列车竖向静荷载作用外，尚应计入温度影响。梁体竖向挠度按下列情况最不利者取值：①列车竖向静活载挠度与0.5倍温度竖向挠度之和；②0.63倍列车竖向静活载挠度与温度竖向挠度之和。

(3)梁体水平挠度。在列车横向摇摆力、风力和温度力的作用下，梁体的水平挠度不大于梁体计算跨度的1/4 000。

(4)梁体竖向残余徐变变形。中间跨跨度≤50 m在轨道铺设完成后不大于10 mm；中间跨跨度>50 m时不大于L/5 000，且不大于20 mm。

(5)相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不大于1 mm。

(6)以一段3 m长的线路为基准，在ZK活载作用下，一线两根钢轨的竖向相对变形量不大于1.5 mm。

(7)在ZK活载、横向摇摆力、风力和温度力作用下，桥跨结构横向水平变形引起的梁端水平折角不大于0.001 rad。

3材料

西成客运专线预应力混凝土连续梁材料使用情况如下:

3.1 混凝土及水泥浆强度

(1)梁体混凝土强度等级为C55，弹性模量符合《铁路钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》要求。封锚采用强度等级为C55的收缩补偿混凝土，封锚前采用液态阻锈剂涂刷锚头。

(2)防护墙及电缆槽竖墙混凝土强度等级为C40。

(3)保护层、防水层按客运专线铁路常用跨度梁桥面附属设施及其局部修改图纸通桥(2008)8388A办理。

(4)管道压浆采用M40微膨胀水泥浆并掺入阻锈剂。

(5)塑料波纹管技术标准应满足JT/T 529-2004《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》相关要求。

3.2预应力体系

梁体按三向预应力设计。西成客运专线悬臂灌筑中小跨度(主跨48 m、64 m、80 m、100 m)连续梁设计如下:

3.2.1纵向

跨度(32+48+32) m、(36+64+36) m连续梁纵向预应力束采用9-φ15.2高强度低松弛钢绞线，并采用内径80 mm、外径93 mm塑料波纹管成孔，M15A-9群锚锚固。跨度(44+80+44) m、(60+100+60) m连续梁纵向预应力束采用12-φ15.2高强度低松弛钢绞线，并采用内径85 mm、外径98 mm塑料波纹管成孔，M15A-12群锚锚固。钢绞线抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=195 GPa，公称直径为15.2 mm，其技术条件应符合GB/T 5224-2003标准。

3.2.2竖向

跨度(32+48+32) m连续梁腹板竖向预应力分别采用公称直径25 mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋，内径35 mm铁皮管成孔，JLM-25型锚具锚固。跨度(36+64+36) m、(44+80+44) m、(60+100+60) m连续梁腹板竖向预应力分别采用公称直径32 mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋，内径45 mm铁皮管成孔，JLM-32型锚具锚固。

3.2.3横向

跨度(32+48+32) m、(36+64+36) m、(44+80+44) m、(60+100+60) m连续梁横向顶板束均采用4-φ15.2高强度低松弛钢绞线，并采用内宽72 mm、高22 mm的扁形塑料波纹管成孔，BM15-4扁形锚具(张拉端)和BM15P-4扁形锚具(非张拉端)锚固。钢绞线抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=195 GPa，公称直径为15.2 mm，其技术条件应符合GB/T 5224-2003标准。

3.3钢筋

普通钢筋采用HPB235钢筋和未经高压穿水处理过的HRB335钢筋，弹性模量Es分别为210 GPa、200 GPa，其技术条件应符合现行国家标准GB 13013《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》和GB 1499《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》的要求，HRB335钢筋的化学成分C+Mn/6应不大于0.5%。

3.4支座

跨度(32+48+32) m、(36+64+36) m、(44+80+44) m、(60+100+60) m连续梁均采用球型钢支座。主跨48～80 m连续梁边支座要求竖向承载力不小于6 000 kN；主跨100 m连续梁边支座要求竖向承载力不小于8 000 kN；主跨48 m、64 m、80 m、100 m连续梁中支座要求竖向承载力分别不小于17 500 kN、25 000 kN、30 000 kN、45 000 kN。

4高速铁路连续梁梁体构造

西成客运专线悬臂灌筑中小跨度(主跨48 m、64 m、80 m、100 m)连续梁梁体均为单箱单室、变高度、变截面箱梁，箱梁顶板宽12.2 m，箱梁底宽随跨度增大而不同。梁体在支座处设横隔板，全联共设4道横隔板，横隔板中部板中部设有孔洞供检查人员通过。其余构造如下:

4.1(32+48+32) m连续梁梁体构造

梁体全长113.5 m，箱梁底宽6.4 m，中跨中部10 m梁段和边跨13.75 m梁段为等高梁高3.05 m，中墩处梁高为4.0 m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。全桥顶板厚32 cm,底板厚35～60 cm,腹板厚40～70 cm。

4.2(36+64+36) m连续梁梁体构造

梁体全长137.5 m，箱梁底宽6.7 m，中跨中部10 m梁段和边跨9.75 m梁段为等高梁高3.2 m，中墩处梁高为6.0 m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。全桥顶板厚40 cm,底板厚42～80 cm,腹板厚42～80 cm。

4.3(44+80+44) m连续梁梁体构造

梁体全长169.5 m，箱梁底宽6.7 m，中跨中部10 m梁段和边跨9.75 m梁段为等高梁高3.85 m，中墩处梁高为6.65 m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。全桥顶板厚42 cm,底板厚42～85 cm,腹板厚40～80 cm。

4.4(60+100+60) m连续梁梁体构造

梁体全长221.5 m，箱梁底宽6.7 m，中跨中部10 m梁段和边跨15.75 m梁段为等高梁高4.8 m，中墩处梁高为7.8 m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。全桥顶板厚45～70 cm,底板厚44～100 cm,腹板厚50～90 cm。

5高速铁路中小跨度连续梁钢筋及混凝土用量

西成客运专线悬臂灌筑(主跨48 m、64 m、80 m、100 m)连续梁预应力钢筋、普通钢筋及混凝土用量见表1。

表1　预应力钢筋、普通钢筋及混凝土用量

6主要计算结果

西成客运专线悬臂灌筑连续梁主要计算结果如下。

(1)运营阶段应力见表2。

表2　运营阶段应力

(2)施工阶段应力见表3。

表3　施工阶段应力

(3)正截面抗裂性见表4。

表4　正截面抗裂性

(4)静活载作用下的挠度值及梁端竖向折角见表5。

表5　静活载作用下的挠度值及梁端竖向折角

(5)正截面强度检算见表6。

表6　正截面强度检算

(6)梁体徐变上拱度。二期恒载上桥时间按预加应力后60 d计算，轨道铺设后梁体徐变上拱值见表7。

表7　梁体徐变上拱度

(7)由于预应力及收缩徐变引起的梁端纵向压缩量见表8。

表8　由于预应力及收缩徐变引起的梁端纵向压缩量

斜截面抗裂性、支反力等计算结果未列述，支座预偏量根据施工实际情况计算。

7高速铁路中小跨度连续梁设计问题探讨

7.1边中跨比例

高速铁路中小跨度连续梁主跨跨度应符合GB/T 904-94《铁路桥梁跨度系列》的规定，因此主跨跨度一般应为40 m、48 m、56 m、64 m、80 m、96 m等。边跨与主跨跨径之比一般为0.5～0.8。当边跨与中跨之比小于约0.3时，边孔支座要做成拉压式，以承受负反力。边跨跨度可根据桥址实际情况需要调整，一般情况下，尽量采用两侧边跨跨度相等。边跨跨度确定在采用悬臂灌筑施工方法时还应考虑节段划分及尽量减小边跨支架现浇段长度。

7.2结构尺寸

7.2.1梁高与最大跨径之比

高速铁路中小跨度变截面连续梁的梁高与最大跨径之比，跨中截面一般为1/15～1/25，支点截面一般为1/10～1/15。西成客运专线中小跨度连续梁梁高与最大跨径L之比见表9。

表9　连续梁梁高与最大跨径之比

7.2.2底板厚度

底板随负弯矩的增大而逐渐加厚至根部，高速铁路主跨48～100 m连续梁根部底板厚度一般为根部梁高的1/6.5～1/8，以符合施工和运营阶段的受压要求，并在破坏阶段使中性轴尽量保持在底板以内；跨中底板厚度一般为0.35～0.45 m，以满足跨中正负弯矩变化及板内配置预应力钢筋和普通钢筋的要求。

7.2.3顶板厚度

顶板厚度应满足桥面横向弯矩的要求，满足布置纵横向预应力钢筋的要求。顶板厚度与腹板间距相关，高速铁路主跨48～100 m连续梁顶板厚度一般为0.32～0.45 m。

7.2.4悬臂板长度

原则上取值一般约为腹板间距之半,但高速铁路中小跨度连续梁悬臂板长度要受底板宽度和桥面宽度限制。西成客运专线除主跨48 m连续梁悬臂板长度为2.9 m外，主跨64 m、80 m、100 m连续梁悬臂板长度均为2.75 m。

7.2.5腹板厚度

一般地，变高度箱梁宜采用直腹板,腹板主要承受截面剪力和主拉应力,大跨径连续梁腹板宽度宜从跨中向支点逐渐加宽，以承受支点处较大的剪力。西成客运专线连续梁腹板最小厚度是主跨48 m连续梁的为40 cm，最大厚度是主跨100 m连续梁的为90 cm。

7.2.6梗腋

梗腋能提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度，减少了扭转剪应力和畸变应力，能减少桥面板的跨中正弯矩，能使力线过渡平缓，减小了次应力。构造上，利用梗腋所提供的空间便于布置纵横向预应力筋，也为减薄底板和顶板的厚度提供了构造上的保证。西成客运专线主跨48 m、64 m和80 m、100 m连续梁箱内底板与腹板之间梗腋截面尺寸分别为30 cm×30 cm和40 cm×40 cm；主跨48 m和64 m、80 m、100 m连续梁箱内顶板与腹板之间梗腋截面尺寸分别为60 cm×20 cm和90 cm×30 cm。

7.2.7横隔板

横隔板主要作用是增加截面的横向刚度，限值畸变应力。箱梁抗弯及抗扭刚度较大，除支点处设置横隔板以满足支座布置及承受支座反力需要外，可设置少量中横隔板。当支承位于主梁腹板之下时，横隔板中只需配置一定数量普通钢筋。西成客运专线主跨48～100 m连续梁均仅在支座处设置横隔板，边支座处横隔板厚度100～140 cm，中支座处横隔板厚度180～250 cm。

7.2.8支座处加宽

在边支点和中支点处应根据支座横向布置距离以及按照规范支座边缘距离要求检算支座处梁底加宽值。西成客运专线主跨48～100 m连续梁边支座处采用了10～20 cm横向加宽值，中支座处采用了40～75 cm横向加宽值。

8结束语

由于不同的高速铁路有不同速度目标值、不同轨道类型、不同线路情况、不同跨度要求等，而中小跨度预应力混凝土连续梁通用图都是有一定的适用条件的，因此，经常需要进行中小跨度连续梁特殊设计。本文旨在结合西成客运专线连续梁设计情况介绍设计者关心的连续梁设计主要问题，并未开展关于连续梁施工方法选择、预应力钢束配置以及收缩徐变控制方面的探讨，以期为高速铁路连续梁设计提供借鉴和参考。

参考文献

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[4]范立础．预应力混凝土连续梁桥[M]. 北京：人民交通出版社，1999.

[5]中铁二院工程集团股份有限公司．西成客运专线施工图[R].

[作者简介]白琦成(1966～)，男，工学学士，高级工程师，从事桥梁设计工作。

【中图分类号】U448.21+5

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-12-02