客货共线铁路简支箱梁设计研究

侯建军,徐升桥,邓运清

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

我国既有时速200 km及以下客货共线铁路桥梁梁型选取T梁，主要考虑到以前铁路建设过程中桥梁的制、运架模式，制造厂集中制造、铁路平板车运输架设[1]。为保证桥梁运输限界和质量满足运输要求，我国客货共线铁路长期采用了多片式组合T梁结构。随着我国客货共线铁路设计理念的更新和施工技术的进步，桥梁比例逐渐增大，原有组合T梁外加人行道角钢支架设计将必然导致人行道角钢支架维护工作量的增加。同时随着铁路建设对环境保护要求的日益提高，使得桥上设置声屏障数量日益增加。从安全、美观等方面考虑，原有角钢支架上设置声屏障的结构形式存在很多不利因素。

随着我国铁路建设快速发展，桥梁施工技术的不断成熟，现场制梁技术已普遍推广使用，运架工艺有了飞跃发展，桥梁的运输已不再是桥梁设计的瓶颈[2]。箱梁结构具有受力明确、形式简洁、外形美观、抗扭刚度大，建成后的桥梁养护工作量小，以及噪声小等优点，同时整体桥面结构为设置声屏障提供了良好的基础条件，也保证了桥面挡砟墙防冲撞受力性能，因此箱梁结构在我国铁路工程建设中得到广泛的应用[3-6]。

2 主要技术标准

2.1 设计速度

旅客列车设计最高速度160、200 km/h；货物列车设计速度120 km/h。

2.2 线路情况

新建客货共线铁路，单线及双线铁路，时速200 km客货共线铁路最小曲线半径为2 800 m；时速160 km客货共线铁路最小曲线半径为1 200 m[7]。

2.3 跨度系列[8-12]

分为4个跨度系列，分别为31.5、23.5 m(高高度)、23.5 m(普高度)、19.5 m；

2.4 施工方法

梁场集中预制，架桥机架设施工。

2.5 设计荷载

(1)二期恒载：包括道砟、线路设备及桥面附属设备等重力。其中轨底枕下道砟厚度：时速160 km线路取300 mm；时速200 km线路取350 mm。

(2)活载：中-活载。

(3)列车脱轨荷载：竖向荷载根据《铁路桥涵设计基本规范》[8]办理；横向荷载根据相关科研研究成果，设计按200 kN/m考虑。

(4)风荷载

一般地区风压强度：有车时W=1 250 Pa，无车时W=1.3×1.13×1 400 Pa=2 056.6 Pa计算；

台风地区按无车情况下风速不大于60 m/s进行检算，基本风压W0=2 250 Pa，风压强度按照W=K1×K2×K3×W0计算，其中K1=1.3，K2=1.13，K3=1.0。

其中声屏障高度按2.15 m和3.15 m分别进行计算；台风地区声屏障高度不高于2.15 m。

(5)列车气动力采用0.35 kPa，动力放大系数按2.5计算。

3 结构梁型

3.1 单线箱梁

客货共线铁路中单线桥梁占据比例较大，特别是枢纽范围内联络线桥梁，其既有设置声屏障的需要，同时对景观设计也尤为重要，单线箱梁结构在客货共线箱梁将占很大比例。

3.2 双线并置箱梁

客货共线铁路双线桥梁曲线地段线间距频繁变化，且变化幅度较大，双线铁路采用双线并置箱梁可以更好适应这一特点，通过调整两榀箱梁间距来适应线间距变化要求，而且还可以和单线桥梁实现平顺过渡，在设计过程中还可以兼顾单线箱梁外形模板的匹配。

3.3 双线整孔箱梁

在我国客运专线建设中双线整孔箱梁得到了大量的应用，其制、运架梁技术相对成熟，充分考虑箱梁运架设备的兼容性，客货共线双线桥梁亦采用整孔箱梁形式。

客货共线铁路简支箱梁设计分别采用双线整孔箱梁、双线并置箱梁、单线箱梁3种结构形式[4]。

4 桥面布置

客货共线铁路桥面宽度应满足桥面附属设施构造布置需要，桥面宽度主要取决于线路线间距和曲线半径、大机养护限宽、建筑限界、作业维修通道、电缆槽宽度等因素。为进一步优化桥面宽度，桥面附属构造进行优化设计。

(1)双线箱梁将桥面电力电缆槽移至箱内，通过腹板内侧设置托架固定，需要引出上下桥时，预留专门通道和爬架。

(2)客货共线铁路接触网立柱及基础受力较客运专线要小，优化接触网立柱及其基础尺寸，接触网H型钢柱厚度采用280 mm。

(3)单线箱梁考虑电力、通信信号电缆槽分侧设置，两侧翼缘板采用对称结构。

综合各因素，客货共线铁路桥面宽度：时速200 km双线整孔箱梁桥面宽度为11.6 m；单线箱梁桥面宽度为7.1 m；时速160 km双线整孔箱梁桥面宽度为11.4 m；单线箱梁桥面宽度为7.1 m；双线并置箱梁桥面宽度依据线间距加宽值Δ确定。各种箱梁桥面布置示意见图1～图6。

图1 200 km/h铁路双线整孔箱梁桥面布置(单位：mm)

图2 200 km/h铁路单线箱梁桥面布置(单位：mm)

图3 200 km/h铁路双线并置箱梁桥面布置(单位：mm)

图4 160 km/h铁路双线整孔箱梁桥面布置(单位：mm)

图5 160 km/h铁路单线箱梁桥面布置(单位：mm)

图6 160 km/h铁路双线并置箱梁桥面布置(单位：mm)

5 主要截面尺寸及工程数量

客货共线箱梁在满足各项功能及安全的前提下，其经济性要求更高，尽量优化箱梁尺寸构造，减少箱梁造价。

5.1 主要截面尺寸

(1)底板厚度：考虑预应力管道布置构造需要，同时兼顾纵横向钢筋布置的空间影响，单线箱梁、双线并置箱梁底板厚度取250 mm；双线整孔箱梁还应考虑单线荷载作用下底板受力需要，底板厚度取280 mm。

(2)腹板厚度：满足箱梁结构受力的同时，应满足预应力管道布置构造需要，采用单排管道布置时：单线箱梁、双线并置箱梁采用小吨位锚具，腹板厚度取240 mm；双线整孔箱梁采用大吨位锚具，腹板厚度取360 mm。

(3)顶板厚度：根据箱梁宽度结合桥面板承载需要确定，双线整孔箱梁顶板厚取250 mm；单线箱梁、双线并置箱梁顶板厚度取220 mm。

(4)梁高：设计选用梁高与既有客货共线铁路T梁梁高一致，时速200 km跨度32 m箱梁梁高2.7 m；跨度24 m普通高度梁高2.2 m；时速160 km跨度32 m箱梁梁高2.5 m；跨度24 m普通高度梁高2.1 m。

(5)景观设计：双线整孔箱梁腹板斜度为1∶5，倒角圆弧统一采用R=300 mm；单线箱梁、双线组合箱梁采用直腹板形式，倒角圆弧统一采用R=200 mm。

客货共线铁路箱梁截面尺寸见图7～图9。

图7 200 km/h(160 km/h)铁路双线整孔箱梁截面

图8 200 km/h(160 km/h)铁路单线箱梁截面(单位： mm)

图9 200 km/h(160 km/h)铁路双线并置箱梁截面(单位：mm)

5.2 主要工程数量

对比分析时速200、160 km客货共线铁路角钢支架组合T梁、整体桥面组合T梁、简支箱梁主要工程数量，以常用跨度31.5 m为例，各类型梁体主要工程数量见表1、表2。

表1 时速200 km客货共线铁路跨度31.5 m梁工程数量

注：斜线上方为不设声屏障梁数量；斜线下方为设置声屏障梁数量。

表2 时速160 km客货共线铁路跨度31.5 m梁工程数量

注：斜线上方为不设声屏障梁数量；斜线下方为设置声屏障梁数量。

综上比较，简支箱梁预应力钢绞线数量比组合T梁均有所降低，混凝土和钢筋数量比角钢支架组合T梁数量增加，但比整体桥面组合T梁数量要减少。在桥梁比例较大的铁路中，简支箱梁将有一定经济性。

6 主要设计特点

6.1 大吨位锚具体系

客货双线铁路整孔箱梁腹板采用单排管道、大吨位锚具设计，有效减少腹板厚度，降低造价，同时由于预应力钢束减少，有效简化了现场张拉施工工艺[12-15]。

(1)锚下局部应力分析是大吨位锚具使用过程中重要一环，在开展大吨位锚具锚下局部应力分析基础上，联合柳州OVM锚具厂进行局部实体模型模拟试验，为大吨位锚具在铁路简支箱梁中的使用奠定基础。

(2)《铁路工程预应力用夹片锚具、夹具和连接器技术条件》修编补充完善了大吨位锚具相关技术标准，为27孔以下大吨位锚具推广使用提供技术支持。

(3)大吨位锚具(27孔)已在长吉客专长春永宁特大桥等建设中成功应用。

综合上述理论分析和实践经验，大吨位锚具体系已成为铁路简支箱梁发展趋势。但大吨位锚具张拉过程中梁端局部应力较为复杂，特别在腹板与顶、底板交角位置，由于张拉变形影响产生较大主拉应力。通过建立空间实体模型分析模拟张拉过程，优化预应力钢束布置及张拉顺序，保证张拉过程中安全性。见图10。

6.2 封锚构造

为加强封锚混凝土耐久性，设计增加了锚穴内凹槽构造，通过端模锚穴模板固定橡胶套，拆模完成后抽出内橡胶套形成凹槽，保证封锚混凝土与梁体混凝土更好的连接。见图11。

图10 大吨位锚具张拉过程模拟分析

图11 锚穴内凹槽实景

6.3 钢筋配置

普通钢筋设计采用HPB300钢筋及HRB400(HRB500)钢筋，在充分发挥高强钢筋作用的同时，进一步优化钢筋布置，梁体跨中部分横向钢筋间距设置调整为125 mm，更加有利于混凝土灌筑需要。同时为更加规范现场梁体钢筋绑扎，设计中对箱梁预留孔位置钢筋采用截断，并采取构造措施保证其受力需要，便于施工现场控制。

6.4 支座布置

设计箱梁横向支座中心距离最大为4 m，支座布置采用横向双固定和双纵向活动支座设置，在满足支座横向伸缩需要的同时，更加有利于支座抗震设计[13]。

6.5 挡砟墙设计

挡砟墙作为高阻挡构造物，设计荷载考虑了横向脱轨力200 kN/m影响，挡砟墙高度应不低于轨顶高程，根部厚度为250 mm，墙体采用C40混凝土，配置HRB500高强钢筋，具体钢筋布置见图12。

图12 挡砟墙竖向钢筋配筋图示(单位：mm)

挡砟墙构造上沿墙纵向设置断缝，断缝间距由常规2 m调整为4 m间距设置，为保证墙体横向剪力传递，断缝处设置3肢φ20 mm的抗剪钢筋，抗剪钢筋与挡砟墙以套筒绝缘，避免挡砟墙参与梁体纵向受力。挡砟墙断缝抗剪配筋布置见图13。

图13 挡砟墙断缝抗剪配筋图示(单位：mm)

6.6 箱内电缆槽设置

为减小桥面宽度，单线箱梁电力电缆槽和通信信号电缆槽分侧设置；双线箱梁通信信号电缆槽设置于桥面人行道板下方，电力电缆槽设置于箱梁内腔中，通过箱梁腹板预埋套筒，固定电缆槽托架支撑电缆槽。当电力电缆有上下桥需要时，箱梁预制过程中，在电缆上下桥位置梁端底板设置直径为200 mm的预留孔，以便电缆上下桥用，具体见图14。

图14 箱内电缆槽设置示意

6.7 避车台及检查梯设置(图15)

对于时速200 km客货共线铁路箱梁，根据《铁路营业线施工安全管理办法》(铁运[2012]280号)的规定，新建时速200 km铁路的上线检修工作必须在天窗时间内进行，天窗时间外不得进入桥面。本次设计将作业通道栏杆内侧至线路中心的净距限值由3.75 m改为3.25 m，并不设置避车台。

对于时速160 km客货共线铁路箱梁，考虑车辆通行期间检修作业需要设置避车台，避车台沿桥梁全长每隔30 m左右设置1处，对于常用跨度标准简支梁，避车台设置于梁端处。通过栏杆或声屏障遮板设置预埋T钢，T钢连接角钢支架方式设置避车台。

图15 避车台示意(单位：mm)

当需要设置避车台至桥墩检查梯时，梁体预制时，应在梁端位置预埋相应预埋件，通过预埋件和避车台悬挂检车梯，检查梯示意见图16。

图16 检查梯布置

6.8 防落梁措施

为保证梁部结构在地震力作用下的安全性能，在设防烈度为7度或8度地震区的梁与墩之间设置防落梁设施。在地震动峰值Ag≤0.15g地区，梁部结构仅考虑横向限位；在地震动峰值0.15g

图17 地震动峰值Ag≤0.15g地区梁部防落梁构造平面(单位：mm)

图18 地震动峰值0.15g

6.9 小曲线半径梁端处理

箱梁位于小曲线半径区段时，外侧梁缝宽度随着曲线半径减小逐渐增加，考虑到梁端梁缝受力需要，应结合曲线半径、梁型、跨度等因素分级确定箱梁梁端加宽值，梁端加宽t值见表3，梁体制造过程中采取在梁端顶板增加悬臂构造处理，见图19。

表3 小曲线半径区段箱梁梁端加宽t值 mm

图19 小曲线半径区段箱梁梁端处理示意

6.10 过隧运输

对于时速200 km客货共线箱梁，为保证运梁净空要求，当隧道的隧底填充按二次铺砌施工时，按照铁路箱梁运架一体机低位进行过隧运梁，单线、双线箱梁可以通过隧道。

对于时速160 km客货共线箱梁，隧道内衬间最大宽度小于箱梁桥面宽度，整孔运输过隧困难。双线箱梁可考虑采用并置箱梁方式。

6.11 线间距变化调整

客货共线铁路箱梁设计，线间距及曲线加宽值均按照规范要求最小值执行，当设计线间距大于最小值时，对于双线整孔箱梁应根据加宽值适当调整桥面宽度，满足桥面附属构造布置需要；对于双线并置箱梁应核实两榀箱梁间距，保证铁盖板受力，必要时要加大单榀箱梁内侧悬臂长度，以减小两榀箱梁横向缝隙宽度。

7 结语

在我国客货共线铁路建设中，简支箱梁采用集中预制，架桥机架设，不仅能够缩短桥梁施工工期，而且易于控制施工质量，是对客货共线铁路建设中组合T梁结构形式的必要补充。通过借鉴既有整孔箱梁设计经验，以及大吨位锚具等一系列新技术、新工艺的采用，客货共线铁路箱梁的自重大幅减小，如32 m双线整孔箱梁质量仅为643.5 t，使整孔箱梁具有较好的适应性，建议在客货共线铁路设计中结合具体线路实际情况，进行综合经济比选，确定合理桥梁结构形式。