城际铁路无砟轨道简支T梁设计研究

张晓江

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



城际铁路无砟轨道简支T梁设计研究

张晓江

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

随着我国城市圈建设步伐的加快，城际铁路的建设日益加快，国家铁路局于2015年颁布了城际铁路设计规范，其标准简支梁设计研究也正开展。在此背景下，基于更好体现城际铁路建设经济性要求、充分利用T梁造价低与施工便捷等优点的目的，在借鉴珠三角、武汉城市圈城际等项目实践经验的基础上，研究时速200 km无砟轨道简支T梁的构造，并通过采用杆系有限元分析方法建立相应计算模型，对其强度、刚度进行验算，同时采用实体有限元模型进行验证。分析结果表明，无砟轨道简支T梁可以满足强度、刚度等相关规范要求，且能有效降低工程造价，可在城际铁路建设中推广。

铁路桥梁；简支T梁；无砟轨道；刚度；城际铁路

1　概况

城际铁路是指专门服务于相邻城市间或城市群，旅客列车设计速度200 km/h及以下的快速、便捷、高密度客运专线铁路[1]。标准简支梁可采用箱梁、T梁两种结构形式。为充分体现城际铁路的功能需求和技术特点，文献[2]通过对一个模拟项目进行概算分析，方案按100 km线路长，50%桥梁均匀分布考虑。分别按32、24、20、16 m跨度量估算，研究结果表明：城际铁路简支梁综合工程造价由低到高排列顺序为T梁、箱梁，以32 m箱梁方案为基准，T梁方案可节省工程造价17%左右。

传统设计习惯均认为T梁的刚度较小，变形不易控制[2]，其结构特性无法满足无砟轨道铺设及变形要求，而整孔简支箱梁具有整体性好、抗扭刚度大的优点[3-5]，故既有设计T梁均全部采用有砟轨道。对于城际铁路，其设计时速居中，设计活载为高速铁路活载的75%。由于标准简支梁占全部桥梁比重极高[6]，若采用无砟轨道简支T梁，不但可以大大节省工程投资，同时可以充分发挥无砟轨道少维护、平顺性好，稳定性高，维修工作少的优点[7-9]，故本文对城际铁路标准32 m跨度、设计时速200 km无砟轨道简支T梁的设计可行性进行研究。

对于无砟轨道简支T梁的设计，除满足结构受力要求外，如何更好地控制梁体变形成了无砟轨道简支T梁设计中需要重点考虑的内容[10]，根据规范规定需满足以下刚度要求[1]。

(1)在列车竖向静活载作用下，梁体的竖向挠度不应大于表1规定的限值。

表1　梁体的竖向挠度限值

(2)设计速度200 km/h时无砟桥面预应力混凝土梁，在轨道铺设完成后竖向残余徐变变形应符合竖向变形不应大于10 mm。

(3)梁体横向变形的限值应符合在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，梁体的水平挠度不应大于梁体计算跨度的1/4 000。

(4)列车竖向静活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺限值，在3 m长的线路范围一线两根钢轨相对变形量限值应符合当设计速度200 km/h时，竖向相对变形量不应大于3.0 mm要求。

(5)设计速度200 km/h，简支梁竖向基频不应低于23.58L-0.592。

(6)在列车竖向静活载作用下，桥梁梁端竖向转角限值为2.0‰。

2　结构设计

2.1总体布置

简支T梁一般为分片式组装，分片数可灵活采用，双线简支T梁可由4片、5片或者6片梁组成，本次设计结合文献[8]的研究，同时与既有通用参考图保持一致按4片式T梁进行研究。

时速200 km城际铁路线间距为4.2 m，线路中心线至防护墙距离为1.9 m，线路中心线离栏杆内侧距离为3.25 m，维修通道宽度为0.85 m，故采用桥面总宽为10.1 m，如图1所示。

图1　时速200 km无砟轨道双线简支T梁桥面布置(单位：mm)

2.2尺寸设计

T形截面主要由顶板、腹板两部分组成，细部尺寸的拟定既要满足T梁纵、横向受力的要求，又要满足无砟轨道连接结构构造及施工上的需要。研究基于有限元分析，获得不同参数下的结构静力性能，综合受力、施工等提出适用于无砟轨道要求的参数尺寸[11-12]。

(1)顶板宽度

根据桥面布置需要，同时考虑顶板受力情况，无砟梁中梁顶板宽度均按1.7 m考虑，边梁顶板宽度为1.95 m。同时考虑到装吊时穿钢丝绳的需要，两片梁之间的缝隙大于0.06 m。

(2)顶板厚度

顶板厚度要满足最小厚度0.12 m的要求，桥面板横向弯矩受力需要和普通钢筋构造要求，桥面板与梁腹板相交处的厚度，不应小于梁高的1/10，根据横框计算，靠近腹板根部顶板厚度采用0.32 m，端部顶板厚采用0.2 m。同时对于边梁，应满足吊装时横向稳定性的要求，同时为消除预应力横向偏心产生的不利影响，确定桥面板各部分厚度时，尽量使梁截面重心位于腹板中线上。

(3)腹板厚度

腹板的主要功能是承受结构的弯曲剪应力与扭转剪应力所引起的主拉应力，腹板的最小厚度主要根据钢筋布置要求和混凝土容许主拉应力来确定，同时要考虑到浇筑混凝土时通路问题和主钢筋布置问题，同时，腹板厚度要满足预应力钢束布置的构造要求。根据计算，腹板最小厚度为0.21 m。根据横向计算及纵向计算确定腹板跨中截面处取为0.21 m，支点截面处取为0.44 m。

(4)下翼缘尺寸

下翼缘尺寸应根据预应力束的布置和主梁本身的稳定性来确定，对于同一截面类型，宽度要尽量一致，以利制梁台座底板的通用。根据计算，纵向预应力束在跨中腹板底部需布置7根11-φj15.2 mm钢绞线，管道内径为90 mm，考虑预应力管道之间净距、与底面及侧面距离要求确定其尺寸。

图2　时速200 km双线无砟轨道简支T梁桥结构布置(单位：mm)

(5)横隔板

两主梁之间横向应根据梁腹板的高度和厚度，在支点上、跨中、其他位置相隔一定距离设置隔板。

(6)梁高

在确定梁的高度时，主要考虑以下因素：满足规范所规定的刚度要求及桥梁动力响应分析结果；满足运输和架设的要求；考虑各种跨度的梁的高度变化规律，应尽量做到标准化、模数化，以利模板的互用；工程投资经济性[13-15]。

分析以时速200 km、32 m双线无砟轨道简支T梁为研究对象，参考部颁标准T梁参考图(通桥2012)的设计参数，梁高从2.4～2.0 m，进行了比选，比选结果如表2所示。

表2　T梁梁高对比分析

从表2可知，2.3 m梁高受力性能不仅满足规范要求，而且工程造价最省，2.4 m梁高受力性能较2.3 m梁高好，但吊重及造价增加较多，2 m梁高虽然吊重较小，但受力性能最差，可见2.3 m均是合理的梁高。综合考虑，时速200 km无砟轨道双线简支T梁梁高推荐采用2.3 m。综合以上尺寸比选，其设计截面尺寸如图2所示，设计T梁的三维构造如图3所示。

图3　T梁三维构造

3　计算结果

利用铁路桥梁计算程序BASAS对主梁纵向进行验算结果如表3所示。

表3　32 m跨度简支T梁主要计算成果

由表3可知，主梁的各项设计强度指标均满足规范要求，同时满足概述第1、2、3、6条刚度的要求。

横向计算按钢筋混凝土构件进行计算，采用C55混凝土，纵向取1 m，所有外力纵向均按1 m来计算。将横向框架离散为有限单元模型，单元划分时，根据梁部截面变化特点及各受力控制点，其计算结果如表4所示，其横向受力满足规范要求。

表4　T梁跨中横框主要计算成果

通过建立空间实体有限元模型模拟梁体混凝土，对自振频率及空间变形效应进行分析，其计算模型如图4所示。

图4　T梁空间实体模型

梁体基频为设计参数的控制因素，受混凝土弹性模量、二期恒载、轨道结构参与受力、支座摩阻等因素的影响[4]，实体模型可很好进行准确求解。其自振频率计算结果如图5所示，一阶频率为3.335 Hz>23.58L-0.592=3.148 Hz，满足概述中第5条刚度要求。

图5　T梁变形云图

同时提取实体模型在静活载作用下相对位移结果，双线静活载作用下，最大竖向位移差为1 mm，横向两点距离为4.3 m，横向倾角为0.233‰，3 m范围内一线两根钢轨相对位移差为0.7 mm，均满足第4条刚度要求。

4　结论及建议

(1)根据文献[1]要求，对无砟轨道T梁的设计进行了设计研究，确定了适用于城际铁路无砟轨道T梁的截面形式及尺寸，根据计算结果表明，其受力均满足各项规范指标要求；

(2)平面及空间程序计算结果表明，无砟轨道T梁刚度满足铺设无砟轨道的要求，T梁采用无砟轨道是可行的；

(3)由于T梁经济性好于箱梁，且现场制梁场的规模小、施工便捷[5]，在T梁上采用无砟轨道，可大幅降低无砟轨道线路造价，充分发挥无砟轨道结构的各项优势，在城际铁路的建设中可逐步加以推广应用。

[1]国家铁路局.TB10623—2014城际铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[2]王新国，张晓江.城际铁路常用跨度简支梁梁型研究报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2015.

[3]刘玉亮.时速200 km客货共线铁路简支T梁梁体变形计算分析及控制措施研究[J].铁道标准设计，2012(9)：52-57.

[4]邓运清.高速铁路简支箱梁设计研究计[J].铁道标准设，2004(7)：125-129.

[5]杨鹏健.高速铁路无砟轨道单线简支箱梁结构设计与分析[J].铁道标准设计，2015，59(5)：19-25.

[6]盛兴旺，李志国，邓运清.京沪高速铁路预应力简支箱梁结构参数优选[J].铁道标准设计，2003(6)：15-19.

[7]王纯玉.后张法铁路简支T梁车间式预制方法研究[J].铁道标准设计，2012(12)：43-47.

[8]刘挺，戴胜勇.简支组装T梁应用于客运专线铁路的探讨[J].铁道标准设计，2009(1)：23-25.

[9]陈良江.京沪高速铁路常用跨度桥梁的技术特征及选型探讨[J].铁道标准设计，2003(10)：15-19.

[10]蔡超勋，胡所亭.更高速度条件下铁路简支箱梁关键参数研究[J].铁道标准设计，2015，59(11)：15-20.

[11]凌夏青.铁路通用混凝土简支T梁的最小适用半径探讨[J].铁道标准设计，2008(10)：53-55.

[12]刘玉亮.重载铁路简支T形梁设计[J].铁道标准设计，2011(9)：43-48.

[13]孔德艳.大轴重列车对既有线简支T梁的静力影响研究[J].铁道标准设计，2010(10)：74-77.

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[15]邓运清.高速铁路简支箱梁设计研究[J].铁道标准设计，2004(7)：25-29.

Design Study on Simply-Supported T Beam of Ballastless Track of Intercity Railway

ZHANG Xiao-jiang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Along with China’s rapid development of urban circle and intercity railway，the National Railway Administration issued Intercity Railway Design Standard in 2015 and corresponding researches on standard simply-supported beam design have been carried out.In this case，to better reflect the applicability and economy of intercity railway and to make full use of the advantages of low cost，convenient construction of T beam，researches on 200 km/h ballastless track simply-supported T beam are conducted with reference to the projects in Pearl River Delta and Wuhan City Circle.On the basis of practical experiences in Delta Zhu River，and Wuhan City Circle，studies on ballastless track simply-supported T beam are dedicated.Finite element analysis of simply-supported T beam model is conducted to calculate the strength and stiffness，and spatial physical model is used for verification.Analysis results show that simply-supported T beam of ballastless track meets the requirements for standard strength and stiffness，effectively reduces the cost，thus can be extensively used in intercity railway.

Bridge engineering; Simply-supported T beam; Ballastless track; Stiffness; Intercity railway

2016-03-21；

2016-04-15

张晓江(1978—)，男，高级工程师，2007年毕业于石家庄铁道学院桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：23771719@qq.com。

1004-2954(2016)10-0058-04

U448.21

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.014