铁路常用跨度标准梁技术发展与创新

杨鹏健,周勇政,高 策,王凯林

(1.中国国家铁路集团有限公司建设管理部,北京 100844； 2.中国铁路经济规划研究院有限公司铁路工程技术标准所,北京 100038)

1 概述

至2019年底，全国铁路营业里程达13.9万km，其中高速铁路突破3.5万km，高居世界第一，高速铁路桥梁约占线路长度的50%以上[1]。我国地域广阔，气候、环境差异大，地形地质条件复杂，随着铁路建设快速发展，我国已成为铁路桥梁运营里程最长、在建规模最大、遇到情况最复杂的国家。传统的桥梁建造技术(如现浇梁、连续梁等)存在进度慢、造价高、质量控制难度大、不利于养护维修等不足，难以适应大规模铁路建设需要。同时，铁路桥梁尤其是高速铁路桥梁需要严格控制梁的强度、刚度、动力性能、墩台的纵横向刚度及工后沉降等标准[2-5]，以此来保证线路运营的平顺性、安全性和乘客舒适性。

为解决桥梁建设面临的难题，铁路行业开展了大量理论研究、工程设计和现场试验工作[6-7]，通过对不同梁型、不同施工方法的技术经济分析，采用制运架一体化建造技术的标准梁具有设计建造周期短、施工质量易控制、建造成本低、对环境影响小、便于养护维修等优点，最终确定为我国铁路桥梁的主要型式。

目前，标准梁通用图涵盖高速铁路简支箱梁、客货共线铁路简支箱梁和T梁等常用跨度梁型，标准梁占我国高铁桥梁总里程的95%以上，总量超过50万孔，多为32 m简支箱梁。标准梁实现了铁路桥梁建设的工厂化、标准化和机械化，为我国铁路桥梁建设作出了重要贡献。

2 高速铁路标准梁

我国高铁标准梁主要为简支箱梁，按速度等级可分为350 km/h和250 km/h，涵盖20，24 m和32 m跨度。目前高速铁路主要采用跨度为32 m简支箱梁，主要采用沿线路设制梁场集中预制、运梁车沿线路运送、架桥机架设的施工方法，积累了大量的设计、施工和运营经验[8]。

2.1 时速350 km高铁简支箱梁

时速350 km高铁简支箱梁通用图主要有2005版、2008版、2013版和2016版(现行)等4个版本，涵盖无砟轨道和有砟轨道。

2005版通用图在大量科研的基础上，总结了国外高速铁路和秦沈客运专线整孔箱梁设计、施工经验，研究确定了整孔箱梁的关键设计参数、结构形式、结构尺寸、预应力束布置等，并充分考虑了施工及养护维修条件、景观效果等。梁顶面采用平坡设计，通过设置保护层来调整桥面排水和适应不同无砟轨道形式，无砟和有砟桥面宽均为13.4 m。

2008版通用图为满足箱梁过隧需要，针对有列车通过时桥上没有人员通行、接触网支柱设置于桥面板外边缘、接触网支柱外侧不设检查车通道的情况，综合考虑使用、维修、经济造价、景观、施工工艺等因素，将桥面宽度优化为：无砟桥面12.0 m，有砟桥面12.6 m。

2013版通用图，为解决桥面布置紧张问题，系统总结现场应用经验，进一步优化设计，无砟和有砟梁桥面宽度统一为12.6 m。

2016版通用图，主要推广应用HRB400高强钢筋。根据工程建设需要，以利用现有施工设备和模板为原则，箱梁结构尺寸及桥面布置与2013版通用图保持一致，桥面宽维持12.6 m不变。本次修订充分发挥了高强钢筋的作用，通过调整普通钢筋间距、直径等方式，使每孔箱梁比2013版节省普通钢筋用量3.8t，显著提高了经济性。

各版本时速350 km无砟轨道高速铁路32 m双线简支箱梁主要技术参数见表1。

表1 时速350 km无砟轨道高速铁路简支箱梁参数

2.2 时速250 km高铁简支箱梁

时速250 km高铁简支箱梁通用图主要有客专(单箱单室和单箱双室)和客兼货两个系列。

目前铁路建设中普遍采用单箱单室梁(2229系列)通用图，有2009版和2016版(现行)2个版本，涵盖有砟轨道和无砟轨道。2009版通用图编制过程中，对单箱单室和单箱双室结构形式进行比选，综合考虑梁体受力、施工方便、造价等因素，最终确定采用单箱单室结构，桥面宽12.2 m、梁高2.6 m。2016版箱梁通用图结构尺寸与2009版保持一致，主要推广应用HRB400高强钢筋，并对梁体钢筋的布置进行了优化设计，充分发挥了高强钢筋的作用，通过调整普通钢筋间距、直径等方式，使箱梁普通钢筋用量降低11%～13%。

近年来，单箱双室梁和客兼货梁在实际工程中使用极少，未组织修订。各版本时速250 km无砟轨道高速铁路32 m双线简支箱梁主要技术参数见表2。

表2 时速250 km无砟轨道高速铁路简支箱梁参数

3 客货共线铁路标准梁

我国客货共线铁路标准梁主要包括简支T梁和简支箱梁，按速度等级可分为200 km/h和160 km/h。简支T梁涵盖12，16，20，24 m和32 m跨度，简支箱梁涵盖20，24，24 m(与32 m梁等高)和32 m跨度，主要采用制梁场集中预制、运梁车运输和架桥机架梁的施工方法。

3.1 客货共线铁路简支T梁

客货共线铁路简支T 梁单片预制梁体积小、质量小，便于集中预制、分片运输和架设，且对线路曲线半径和线间距的变化具有较好的适应性，在既有客货共线铁路中应用广泛。

20世纪90年代以来，基于线路中心距挡砟墙最小距离、预应力管道至结构边缘最小距离、普通钢筋净保护层厚度、设计活载图式等标准的变化及现场应用实践经验的总结，客货共线铁路简支T梁通用图先后发布了6个版本。

专桥2059为我国发布的第一部客货共线铁路T梁通用图，桥面宽度3.9 m，为单线设计，双线线间距4 m，可将两片单线梁并置，2片梁采用横隔板混凝土湿接缝连接。

2001版根据既有线提速实践经验对梁体横向刚度的要求，横隔板处增加了横向预应力，并增加了部分桥面板连接。广深准高速铁路[9]及既有客货共线铁路提速至160 km/h过程中，原T梁采用专桥2059通用参考图，梁体横向有载频率不满足规范要求，因此对梁体进行了横向加固，增加了横隔板和部分桥面连接，并增加了横向预应力，一孔单线32 m T梁加固使用混凝土7.1 m3，钢筋1 250 kg，钢绞线87 kg，梁体质量增加至130 t。同时，由于2059系列T梁腹板较薄，运营过程中发现部分存在腹板混凝土沿管道开裂现象。

2005版根据桥规增加了钢筋保护层厚度(从30 mm增至35 mm)、预应力管道保护层厚度，满足大机养护要求(桥面宽度从3.9 m增至4.9 m)，调整了混凝土轴心抗压强度，混凝土共增加11 m3，梁体质量增至139.3 t。双线线间距4 m时，采用双单线并置，4片梁采用横隔板及全部桥面混凝土湿接缝连接。

2012版依据防水层技术条件[10]，简支T梁桥面防护层厚度从4 cm增至6 cm，梁体质量增至142.2 t；2016版采用高强钢筋，减少了钢筋用量；2017版采用了ZKH荷载，人行道结构为预埋T形钢连接工字形钢横梁，上铺U形槽，U形槽上铺RPC盖板，梁体质量未发生变化。各次修订T梁刚度和竖向基频变化不大，横向基频有所改善，主要设计参数见表3。

表3 各版本客货共线铁路32 m跨度T梁主要技术参数(边梁、曲线)

通过表3可知：

(1)各版本T梁因梁高不变，梁体质量增加，竖向基频略有降低；专桥2059无横向连接，2001版部分桥面设置横向连接，2005版及以后桥面均设置了横向连接，横向基频显著提高。

(2)现行简支T梁，设计活载为ZKH荷载，腹板厚度受预应力管道至结构边缘距离要求的限制；桥面宽度受大机养护要求的限制，线路中心距挡砟墙内侧边≮2.2 m；梁高受结构强度、刚度、抗裂安全性以及梁端锚穴布置构造要求的限制，现行通用参考图结构设计技术经济合理，不具备大幅度优化条件。

3.2 客货共线铁路简支箱梁

随着高速铁路简支箱梁建造技术的成熟，客货共线铁路简支箱梁建造技术逐渐发展并应用。客货共线铁路简支箱梁通用图有2014版和修订版，涵盖无砟轨道和有砟轨道，在沪通铁路、青连铁路得到应用。

2012年起，铁路工作者对客货共线箱梁桥面布置、截面形式、结构尺寸、大吨位锚具应用[11]等进行了系统研究，2014年首次编制发布了客货共线铁路简支箱梁通用参考图。2017年以来，在相关科研课题研究基础上，对箱梁梁高、截面尺寸、桥面布置、预应力体系进行了优化，提出了700 t级客货箱梁运架设备，开展了客货共线铁路简支箱梁全寿命技术经济对比分析，并于2018年对2014版客货共线铁路简支箱梁通用图进行全面修订[12]。

修订版客货共线铁路简支箱梁通用图采用ZKH荷载进行结构计算，调整了预应力布置和结构配筋；与2014版通用图相比，时速200 km、32 m简支箱梁梁高由2.7 m调整为2.6 m；电力、通信、信号电缆均在桥面布置，方便施工。取消遮板，人行道栏杆和声屏障通过现浇边墙与梁体连接，节省了混凝土和钢筋用量；降低预应力筋重心高度，提升预应力筋使用效率。单线箱梁采用斜腹板，腹板在梁端向箱内变厚，提升了脱模施工的效率。各版本客货共线铁路32 m双线简支箱梁主要技术参数如表4所示。

表4 各版本客货共线铁路简支箱梁主要技术参数

同时，考虑客货共线有砟轨道不平顺谱、徐变变形、墩台不均匀沉降共同影响的情况下，分析CRH2列车以最高速度240 km/h作用于32 m简支箱梁[13]，桥梁动力响应和动车组动力响应均在容许值之内，列车行车安全性满足要求，列车乘坐舒适度合格。

3.3 客货共线铁路简支箱梁与T梁技术对比

简支箱梁具有结构整体受力性能好，附属设施置于整体桥面安全可靠且维护工作量小等优点，现场施工工程量小、质量易于保障。以时速200 km客货共线32 m简支梁为例，简支箱梁与T梁主要技术指标对比如表5所示。由表5可知，箱梁的静活载挠跨比、梁端转角、基频等指标均优于T梁，可以更好地适应列车运营需求。

表5 时速200 km客货共线铁路简支梁技术参数对比

3.4 客货共线铁路箱梁与T梁经济性对比

科研结果表明[14]，考虑全寿命成本，箱梁比T梁低15%左右(含下部基础)。同时，通过理论分析、模拟项目对比、实际工程调研等方面对简支箱梁和T梁的建设成本进行对比，分析了全寿命周期成本以及包括接触网立柱等在内的总成本，如表6所示。结果表明：从建设成本上讲，简支箱梁梁部工程造价高于无声屏障T梁，低于有声屏障T梁。考虑采用箱梁后不设护轮轨、接触网立柱工程量减小等因素，建设项目工程造价不高于采用T梁时工程造价。客货共线双线箱梁全寿命周期总成本比T梁低约27%(不含下部基础)，客货共线单线箱梁全寿命周期总成本比T梁低约28%(不含下部基础)，具有显著的技术经济优势。

表6 客货共线32 m简支梁全寿命周期成本对比(单、双线)

4 盐通梁

4.1 盐通梁通用图

为了给雅万高铁提供技术支撑，从路网重要性、线路长度和桥隧比、施工进展等因素分析，选取盐通铁路试点，于2018年编制发布了盐通铁路简支梁通用图，涵盖无砟轨道24 m和32 m跨度。与国内现行高铁简支箱梁相比，盐通梁充分考虑工程实际，采用BIM信息化手段优化钢筋布置；采用自动张拉、自动压浆等新技术，提升高速铁路简支箱梁智能建造水平；并采用了大吨位锚具[11]，优化了截面尺寸，降低了工程数量。梁高由3.0 m变为2.8 m，跨中腹板厚度由0.45 m变为0.36 m，底板宽度由5.5 m变为5.4 m，底板厚度由0.28 m变为0.27 m，梁体质量由790 t变为696 t。

4.2 静力性能

盐通梁主要技术指标与现行32 m高速铁路无砟轨道简支箱梁(以下简称“2322A”)、联调联试实测数据和规范限值对比如表7所示。与2322A相比，盐通梁竖向刚度、基频有所减小，梁端转角及徐变变形有所增大，但变化幅度均不大。从数据对比分析结果看，盐通梁结构仍存有一定安全储备。

表7 盐通梁与2322A主要设计参数对比

4.3 动力性能

盐通梁车桥动力仿真分析结果如表8所示，结果表明：梁高降低后，动力性能主要指标有所下降，但幅度不大。盐通梁轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向力等安全性指标均满足规范要求，安全性满足要求；斯普林舒适度指标略有降低，仍满足规范限值，舒适性满足要求。

表8 盐通梁与2322A动力性能参数对比

4.4 经济性分析

以32 m简支箱梁为例，与2322A相比，盐通梁梁体质量每孔减少94 t，节省投资约4.5万元；每孔梁支座费用减少约0.4万元，合计节省投资约4.9万元。同时，桥梁下部基础尚有优化空间，且尚未包含预应力束根数减少而引起的张拉台班费减少等。具体工程数量对比见表9。

表9 盐通梁与2322A工程数量对比

5 高速铁路40 m简支箱梁

近年来，高铁桥梁建设需求和设计建造技术有了新的发展：随着中西部高铁建设的持续推进，地质地形复杂、深水高墩铁路桥梁日益增加，下部结构造价在桥梁建设总费用中的比重不断增大，研究大跨度简支箱梁建造技术，可提升高铁桥梁的技术经济性；在公路及河道密布地区，大跨度简支梁可提高桥梁跨越能力，丰富现有标准梁跨度序列，与小跨连续梁现浇方式相比，有利于保障质量、节省工期。高速铁路40 m简支箱梁有助于丰富标准梁跨度序列，对于提高桥梁跨越能力、提升铁路桥梁建造水平具有重要意义。

5.1 高速铁路40 m简支箱梁通用图

从2015年起，我国对40 m简支箱梁的合理结构形式、结构设计、提运架设备、BIM和信息化技术应用、技术经济性等开展了系统研究[15]，形成了高速铁路40 m简支梁建造成套技术，完成了足尺试验梁工艺试验、受力性能试验及破坏性能试验，并完成了40 m简支箱梁和运架设备的试用评审，在郑济高铁得到成功应用。

在总结科研成果和工程实践经验的基础上，拟编制40 m箱梁通用图，适用于时速350 km高速铁路，涵盖无砟轨道和有砟轨道两种轨道结构形式，梁高3.2 m，梁长40.6 m，计算跨度39.3 m。40 m箱梁采用了大吨位锚具，腹板厚度由2322A的0.45 m减小为0.36 m，降低箱梁自重；既保留了2322A遮板方案，又增加了现浇边墙方案，有声屏障区段，每孔梁边墙方案较遮板方案节省混凝土14.88 m3，节省钢筋3.79 t；不同于2322A桥面3列排水方式，40 m简支箱梁桥面采用2列排水方式，箱内不设泄水管，避免箱内积水病害；采用BIM信息化手段优化了钢筋布置。

5.2 静力性能

40 m简支箱梁和现行32 m高铁简支箱梁技术参数对比如表10所示，结果表明：40 m箱梁基频小于32 m箱梁，静活载挠跨比和梁端转角大于32 m箱梁，残余徐变上拱与32 m箱梁基本相当，各项指标均满足规范要求。

表10 40 m简支箱梁和现行32 m高铁简支箱梁技术参数对比

5.3 动力性能

40 m简支箱梁动力仿真分析结果如表11所示，结果表明：40 m简支箱梁轮重减载率、脱轨系数、轮轨横向力、竖向及横向舒适度指标均满足规范要求，动力性能与32 m简支梁总体相当。

同时，国内外研究结果表明，等跨布置的简支梁箱梁的跨度与动车组的车长的比值关系是影响车桥动力响应的重要因素。我国动车组车长25 m，40 m梁的跨度为车长的1.5倍，避免了一阶车桥共振。与32 m梁相比，在列车作用下，40 m简支梁动力系数较小，可以更好地适应高速铁路发展需要。

表11 40 m简支箱梁与2322A动力性能参数对比

5.4 经济性分析

40 m简支箱梁工程数量见表12，其梁部造价82.6万元(2.06万元/m)、通桥(2016)2322A梁部造价63.58万元(1.99万元/m)，40 m箱梁每延米造价高约3.5%。40 m箱梁和32 m箱梁相比，生产周期和运架时间基本相同，40 m简支箱梁梁场制运架设备投资增加约 15%。但采用40 m箱梁可以减少桥墩数量，墩高越高，下部结构费用节省越大，整体经济性越好。

表12 40 m简支箱梁和现行32 m高铁简支箱梁工程数量对比

6 发展展望

随着我国铁路桥梁设计、建造技术快速发展，在不断总结工程实践经验和科研成果基础上，高速铁路常用跨度简支箱梁、客货共线铁路常用跨度简支箱梁和T梁通用图不断完善和发展，并根据实际需要，探索了盐通梁、高速铁路40 m简支箱梁等通用图，推动了铁路桥梁技术进步。为进一步适应铁路高质量发展需要，建议从以下方面开展研究。

(1)进一步加强桥梁标准和关键技术的基础研究工作，全面总结高铁桥梁工程实践经验和联调联试成果，对关键设计参数进行深化研究，如动力系数、梁端水平折角、残余徐变限值、桥墩墩顶纵向线刚度限值、相邻桥墩沉降控制标准、断轨力等桥上无缝线路作用力等，提升铁路桥梁的技术经济性。

(2)充分吸收和总结前期经验，开展高速铁路常用跨度简支梁通用图优化设计工作，在总结高铁40 m 梁、盐通梁经验的基础上，围绕大吨位锚具、高强度预应力筋和装配式桥面附属设施应用对高铁箱梁进行全面修订，将现行32 m 梁腹板由450 mm 减为360 mm，进一步提升箱梁的技术经济性。

(3)推动BIM 技术在铁路工程建设中的应用，推广梁场信息化、机械化技术，提升桥梁智能建造水平，促进铁路桥梁高质量发展。