高速铁路(60+100+60)m连续梁不同梁高结构设计对比分析

赵瑞鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

与路基工程相比，桥梁具有沉降稳定、架设速度快、建设周期短等优势[1]，因而在高速铁路里程上桥梁占有大比重。高速铁路对于线路的平顺性要求很高，因此对于路线中的桥梁结构也提出了很高的要求。连续梁桥由于其设计及施工工艺成熟、结构刚度大、行车平顺等优点[2]成为在跨越障碍物时的首选方案。高速铁路桥梁设计时受到线路坡度限制的影响，在跨越运营线路时轨顶高程的可调余地较小，另外线下线路的建筑限界影响，造成桥梁建筑高度受限，而连续梁桥梁高较大，若改用钢桥等桥型，可能造成造价大幅度增加，故在可能的情况下，适当调高轨顶高程，并在结构设计可能的范围内降低连续梁梁高，并通过细致的结构设计，保证结构的强度、刚度和稳定性与相同跨径的连续梁桥相近，则可以选择连续梁桥结构，降低工程总体造价。另外选择梁高较小的连续梁时可以降低线路整体高程，降低工程投资。

在连续梁桥设计研究方面，大多是针对桥梁结构的静力和动力参数进行研究，很少有针对桥梁高度设计方面的研究。梁会[3]通过静力计算和动力分析，得到高速铁路连续梁桥的应力、变形情况及动力特性、列车走行性分析成果。宋基军[4]对一座高速铁路(60+100+60)m连续梁桥在悬臂施工过程中影响主梁梁体线形和内力因素进行了研究，并讨论了不同跨径连续梁桥在相同悬臂长度时的线形和内力变化规律。杨耀等[5]结合3种跨度的连续梁桥，采用数值分析方法计算，分析了悬臂施工过程不同工况下梁体的变形规律。陈麟[6]分析了连续梁桥结构不同工况、阶段的徐变特性及其变化规律。戴金松[7]提出了高速铁路多联大跨连续梁桥上无砟无缝线路的设计原则及设计方案。姚成钊[8]分析了设计参数对后期徐变的影响。黄兴[9]对地震作用下连续梁桥-轨道系统动力响应特性进行了研究。赵永军[10]通过对桥梁动力特性和结构悬臂阶段弹性模量的研究，提出了基于动力特性并加以实施多阶段测试计算修正得出的弹性模量，更能反映实际桥梁结构整体的力学性能。

在跨越既有运营线路时，(60+100+60) m跨度连续梁桥为我国高铁建设中经常采用的桥型布置方案。支点梁高有7.85 m和7.20 m两种情况，全长均为221.5 m。故设计时需要对两种连续梁桥的受力性能进行对比研究，另外，结构刚度对行车舒适性的影响也很大，需要对比分析两桥的动力特性。本文主要针对两种梁高情况下的(60+100+60) m连续梁桥结构的静力和动力性能进行了对比分析研究。

1 设计概况

1.1 支点梁高7.20 m连续梁概况

设计行车速度为250 km/h。中支点处梁高7.20 m，跨中10 m直线段及边跨15.75 m直线段处梁高为4.60 m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端0.75 m。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构，箱梁顶宽12.2 m，箱梁底宽6.4 m。顶板厚度35.4～45.4 cm、45.4～55.4 cm，按折线变化，底板厚度40～120 cm，按直线性变化，腹板厚60～80 cm、80～100 cm，按折线变化。箱梁中跨最大静活载挠度-37.3 mm，为跨度的1/2 680。全梁在端支点、中跨跨中及中支点处共设5个横隔板，横隔板设有孔洞，供检查人员通过。梁部横截面如图1所示。

图1 支点梁高7.20 m梁部横截面(单位：mm)

1.2 支点处梁高7.85 m连续梁概况

设计行车速度为350 km/h。中支点梁高7.85 m，跨中10 m直线段及边跨15.75 m直线段梁高为4.85 m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端0.75 m。梁体为单箱单室、变高度、变截面直腹板形式。顶板厚除梁端附近为65 cm外，余均为40 cm；底板厚度由跨中的40 cm变化至支点根部的120 cm，按直线变化，梁端附近为80 cm；腹板厚60～80～100 cm，按折线变化。箱梁中跨最大静活载挠度-33.3 mm，为跨度的1/3 002。横隔板设有孔洞，供检查人员通过。梁端底板设有0.25 m×1.5 m的槽口，且设置半径250 mm的倒角。其梁部横截面图如图2所示。

图2 支点梁高7.85 m梁部截面(单位：mm)

1.3 结构参数对比

两种结构的块段长度及块段划分相同，对比分析了两座桥的结构尺寸、块段质量等设计参数如图3所示。其中图3(a)选择的0号块端部进行对比。

可见，两种情况下梁高差从支点处0.60 m逐渐变化到跨中处的0.25 m；两种情况下的腹板厚度及底板厚度一致；为提高7.20 m梁高桥梁的刚度，设计时对顶板设计参数进行了调整，通过加大顶板厚度提高结构刚度；由图3(b)可见，7.85 m梁高桥梁顶板厚度基本维持常数，而7.20 m梁高桥梁顶板厚度在支点位置较大，在跨中位置稍小。由于横隔板较厚，梁段质量7.20 m梁高结构0号块稍大，其余梁段两种情况下的质量基本一致。

2 设计结果对比

两种情况下桥梁的施工过程相同，建立连续梁的有限元模型，将全桥分为82个单元和83个节点，主要进行成桥内力、变形及承载能力的对比分析，总结不同梁高下连续梁桥静力特性的分布规律。

2.1 成桥内力分析

桥梁内力计算包括恒载内力、活载内力计算，以及考虑不同荷载安全系数进行的正常使用极限状态和承载能力极限状态的荷载内力组合计算[11]。梁体上下缘累计应力可作为结构安全储备的反映，也是保证桥梁运营安全的主要设计指标。

对于连续梁结构，本分析的成桥内力为恒载内力分析结果，恒载内力包括自重和二期恒载，并对比边跨跨中、中支点及中跨跨中等控制截面的上下缘应力。成桥内力对比见图4。

图3 梁体设计参数对比

图4 成桥内力对比

由图4可知：由于两种情况下的结构自重基本相同，故恒载内力相近。图5列出了成桥阶段包含预应力下的结构成桥应力。表1列出了在不同二期恒载下的控制截面累计应力计算结果，应力以受压为正。

图5 梁部结构成桥应力(单位：MPa)

MPa

由图5及表1结果对比分析可知：

(1)两种情况下的成桥应力图趋势接近，数值相近；控制截面的应力相差很小；

(2)经过细致的结构设计，两种梁高情况下的结构成桥状态接近，承受活载时的梁体安全储备接近。

2.2 成桥累计位移分析

主梁线形为连续梁桥施工控制的主要目标，直接影响成桥的最终状态[12-13]。对于连续梁结构，设置预拱度是使得成桥线形满足施工和运营要求的重要手段，而成桥累计位移可作为设置预拱度的重要依据。图6对两连续梁收缩徐变完成后的累计位移进行了对比分析。

图6 连续梁累计位移对比

由图6可知：连续梁整体变形趋势相近，均是边跨梁段变形较小，中跨跨中附近梁段变形较大；梁体的累计位移和预应力有较大的联系，两种情况下的累计位移均不大，相应的线形监控的难度也不是很高。

2.3 主力作用下的设计结果对比

主力作用下两种梁高情况下梁体分析结果列于表2。

表2 主力作用下的计算结果

由表2可以看出：

(1)7.20 m梁高结构的跨中下缘最小压应力大于7.85 m梁高的结构；

(2)7.20 m梁高结构的最小强度安全系数及抗裂安全系数稍小于7.85 m梁高的结构；

(3)两种情况下的计算残余徐变变形值均小于10 mm，满足后期运营要求。

2.4 梁端转角对比

两种梁高情况下连续梁均采用有砟轨道，为保证梁部接缝处的稳定性，在ZK活载静力作用下，梁端竖向转角不应大于2‰rad[14]。由分析结果，支点梁高7.85 m，连续梁梁端转角为0.85‰rad，支点梁高7.20 m，连续梁梁端转角为1.26‰rad。结果表明，梁高的减小会使得梁端转角有所增加，但均符合规范要求。

3 动力特性分析

结构动力特性分析主要是为求得结构自身的动力特性[15]。车桥耦合动力响应分析，主要包括脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、旅客乘坐舒适度指标[16]等。其中桥梁的自振频率是评价桥梁安全性的重要指标。自振频率的提高，可以降低桥梁的动力系数[17]，防止其达到峰值而导致共振。采用Midas Civil建立高速铁路连续梁的有限元模型，采用Ritz向量法计算特征值，两种情况下的梁体竖向振型形状相同，如图7所示，其振动频率列于表3。

图7 梁部结构振型

阶数频率/Hz支点梁高7.20m支点梁高7.85m11.7581.82323.4293.525

表3结果表明，两种情况下的梁体振动频率相近，支点高度7.85 m结构振动频率稍大。

4 结论

对两种不同梁高截面的连续梁进行了静动力特性分析，通过以上分析，得出以下结论。

(1)经过细致的设计，两种梁高情况下的桥梁结构成桥内力和应力基本一致，两种情况下的安全储备相近。

(2)两种梁高桥梁结构在主力作用下的计算结果相近，残余徐变变形均能满足运营要求。

(3)降低梁高使得梁端转角略有增加，但其结果符合规范要求。

(4)两种梁高情况下梁体振动特性相近，振动频率相差不大。

(5)在适当降低梁高的情况下，可以通过改变截面厚度等参数，再通过细致的结构设计保证结构承载力和安全系数满足要求，从而能在一定程度上扩大连续梁桥的适用范围，降低工程造价。