浩吉铁路常用跨度简支梁设计及优化

朱 超,刘玉亮,徐立松,梁 磊,汪鹏翔

(1.浩吉铁路股份有限公司,北京 100073； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概况

浩吉铁路是一条新建双线电气化重载铁路，线间距4 m，轨道类型为有砟轨道。浩吉铁路北起东乌铁路的浩勒报吉站，经内蒙古、陕西、山西、河南、湖北、湖南、江西七省(自治区)，终点到达江西省吉安市，线路全长1 814.33 km，为世界上一次建成最长的重载铁路[1]。

目前，常用跨度简支梁是我国铁路桥梁的主要形式[2]，简支梁的结构设计及优化对工程的质量、功能及造价具有明显影响。浩吉铁路全线常用跨度简支梁合计单线为1.79万孔，折合双线为8 950孔，其中无声屏障梁7 958孔，有声屏障梁992孔。常用跨度简支梁数量在全线的桥梁中占比较大，其结构型式选择和结构设计对工程外观、质量、建设工期及造价均有重要影响。经技术经济比选，常用跨度简支梁结构类型采用有砟轨道后张法预应力混凝土T形梁，单线梁采用2片梁，双线梁采用4片梁，各片梁之间通过横隔板和桥面板现浇混凝土连成整体，隔板处加设横向预应力筋。简支T梁按有、无声屏障分为两个系列，每个系列包含32、24、20 m和16 m四个跨度梁型[3]。研究表明，重载铁路经济性能最优的梁型为跨度32 m简支T梁和跨度64 m简支箱梁[4]。结合现有运架梁设备，洁吉铁路以采用跨度32 m简支T梁为主，跨度24、20 m和16 m梁作为配跨使用。

2 简支T梁设计

2.1 主要设计标准[5]

(1) 环境类别及作用等级

一般大气条件下无防护措施的地面结构，环境类别为碳化环境，作用等级为T1、T2。

(2)设计速度

客车160 km/h，重载货物列车100 km/h(C62、C64为80 km/h)。

(3)线路情况

单、双线，正线直、曲线，线间距4.0～5.0 m。

(4)适应线路最小曲线半径

线路曲线半径根据设计标准、地形及地物确定，其中一些联络线上需要设置更小的曲线半径。常用跨度简支梁工点多，需要适应各种不同的曲线半径，设计中采用不同跨度简支梁以满足不同曲线半径工点桥的需要，详见表1。

表1 适用最小曲线半径

跨度32 m梁用于曲线半径小于1 200 m，跨度24 m用于曲线半径小于800 m地段，应调整边梁与边梁或边梁与中梁腹板中心距以满足大机养护的要求。

(4)线路设备轨枕为Ⅲ型枕，轨底枕下道砟厚度最小为350 mm， 轨底至梁顶的设计计算高度取700 mm。

2.2 设计荷载

2.2.1 恒载

(1)梁体混凝土容重按25 kN/m3计算。

(2)二期恒载包括线路设备、道砟、人行道钢横梁、人行道板、RPC盖板、声屏障及其立柱、横隔板湿接缝、工地制防水层和保护层及挡砟块的重力。设声屏障梁声屏障自重按每侧4 kN/延米进行计算。设计采用二期恒载如表2所示。

表2 二期恒载

2.2.2 活载

(1)列车活载：采用中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)，如图1所示。

图1 列车活载标准图式(单位：m)

特载图式如图2所示。

图2 特载图式(单位：m)

动力系数按TB10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》计算，即

1+μ=1+12/(30+L)

式中，L为计算跨度，m。

(2)人行道活载

人行道竖向静活载值为4.0 kPa，计算主梁时人行道活载不与列车活载同时组合。人行道板按竖向集中荷载1.5 kN计算。

(3)曲线桥梁上的离心力大小等于列车竖向静活载乘以离心力率C，水平向外作用于轨顶以上2.2 m处，离心力率C按TB10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》第4.3.6条计算。

(4)横向摇摆力取120 kN，作为一个集中活载作用于桥梁结构最不利位置，其作用点在垂直线路中心线的钢轨顶面，对于双线桥只取一线上的横向摇摆力[6]。

2.3 主要材料[7]

(1)混凝土

梁体混凝土强度等级C60。

封锚混凝土采用补偿收缩细石混凝土，纵向预应力封锚混凝土强度等级为C60，横向预应力封锚混凝土强度等级为C40。

现场浇筑横隔板及桥面板连接湿接缝混凝土采用补偿收缩细石混凝土，强度等级为C40。

人行道板、L形挡砟块混凝土强度等级为C40。

电缆槽盖板采用RPC盖板，内设E5钢筋网。

(2)预应力筋

纵向预应力筋采用公称直径为15.2 mm的钢绞线，抗拉强度为1 860 MPa，弹性模量为1.95×105MPa。

横向预应力筋采用公称直径16 mm预应力混凝土用钢棒，抗拉强度1 420 MPa，弹性模量为2.0×105MPa，松弛率2%。

(3)钢筋

研究表明[8]，在客货共线、重载铁路简支T梁中采用高强度钢筋经济性更好。因此。普通钢筋采用HPB300钢筋及HRB400钢筋。

(4)人行道横梁钢料、预埋钢板采用Q345，预埋套筒采用45号钢调制。

2.4 桥面布置

铁路桥梁的桥面布置除满足行车要求外，还需考虑大机养护、检修通道及电缆铺设的要求。根据线路大机养护的要求，线路中心距挡砟墙内侧距离不小于2.2 m[9]，同时考虑曲线上桥梁按平分中矢法布置，桥面中心线至挡砟墙内侧距离采用2.25 m。单线(图3)采用2片边梁，双线(图4)采用2片边梁和2片中梁。双线梁按线间距4.0 m设计，当线间距在4.0～5.0 m时，调整中梁间湿接缝宽度，当线间距大于5.0 m时采用双单线并置布置，同一座桥全桥采用一种布置形式。桥面两侧设人行道，无检查梯侧人行道宽为0.85 m，设检查梯侧人行道宽为1.0 m。人行道采用装配式结构[10]，钢横梁结构上铺设预制混凝土U形槽+RPC盖板形式，挡砟墙上预埋套筒。钢横梁与声屏障基座焊接成整体，采用螺栓与预埋套筒连接。电缆铺设于U形槽内，顶部采用RPC混凝土盖板覆盖。

图3 单线梁桥面布置(单位：mm)

图4 双线梁桥面布置(单位：mm)

2.5 结构设计要点

2.5.1 影响结构尺寸因素

重载铁路桥梁的恒载和活载均大于一般客货共线铁路[11]，对简支梁结构设计提出了更高的要求。结构尺寸确定不仅要综合考虑梁体抗弯、抗剪、预应力管道的保护层厚度[12]，而且还需要考虑梁体刚度和车桥动力响应效应。研究表明[13-14]，桥梁在徐变、温度、桥墩沉降等作用下会发生多种静态变位，而且跨度越短、车速越高则对桥梁静态变位的要求越严格。设计时需在预测桥梁静态变位的基础上合理选择桥梁刚度。桥梁结构的动力响应与重载列车的轴重有较明显的相关性，竖向位移和横向位移均随着列车轴重的提高而增大[15-16]。预制梁桥面宽度、腹板厚度及梁体高度综合考虑以上影响因素和现有运架梁设备确定，跨度32 m梁梁高2.6 m，腹板厚度0.24 m，边梁桥面宽2.3 m，中梁桥面宽1.7 m。

2.5.2 预应力筋布置

预应力筋布置根据预制梁需要的预应力度及梁体允许变形量和存梁、运输时支点的设置位置综合考虑，统筹兼顾。预应力筋布置于下翼缘和腹板内，采用曲线布置形式，从跨中至梁端分批弯起，起弯点及弯起角度根据结构受力计算确定。

3 细部结构优化

浩吉铁路常用跨度简支T梁设计总结了山西中南部铁路通道简支T梁设计经验，并结合客货共线简支T梁使用中发现的问题，对养护维修通道、梁端伸缩装置等附属设施进行了较大幅度优化改进，改善了其使用性能，降低了T梁工程造价。

3.1 调整人行道宽度，取消避车台设置

根据TB/T10002—2017《铁路桥涵设计规范》规定，重载铁路线路中心至人行道栏杆内侧的净距小于3.25 m时设置避车台。

客货共线简支T梁人行道宽度有2种，分别为1.05 m和0.8 m，当人行道宽度采用0.8 m时，直线段即可满足线路中心至人行道栏杆内侧的净距不小于3.25 m，曲线段由于线路中矢的影响，线路中心至人行道栏杆内侧的净距小于3.25 m。

适当加宽人行道的宽度，检查梯设置于人行道下方。不设检查梯侧宽度0.85 m，设检查梯侧宽度1 m，从而保证了线路中心至人行道栏杆内侧的净距不小于3.25 m，取消避车台设置。取消避车台简化了结构，降低了施工难度和工程造价。

3.2 人行道结构优化

3.2.1 铁路简支T梁人行道概况

浩吉铁路开始设计时铁路简支T梁通用参考图分为无声屏障和设声屏障两个系列。

无声屏障梁人行道由挡砟墙处预埋T形钢、外设角钢拼结三角支架和钢筋混凝土人行道板组成，角钢之间采用螺栓连接，其中水平肢角钢伸出栏杆外侧，以便安装电缆槽，外挂式电缆槽设置于栏杆外侧，见图5。

图5 无声屏障梁人行道结构(单位：mm)

设声屏障梁的人行道结构采用整体桥面形式，两侧现浇桥面板与预制梁之间采用叠合搭接方案，搭接厚度13 cm。现浇悬臂板与预制梁之间设置横向预应力，横向预应力筋采用3根一束钢绞线，顺桥向间距1 m，见图6。

图6 设声屏障梁人行道结构(单位：mm)

3.2.2 存在的主要问题

客货共线简支T梁在制造和运营养护过程中陆续发现了一些问题或不便之处，主要有如下3方面。

(1)无声屏障梁拼结的角钢支架整体性较差，连接螺栓多，加大了后期的养护工作量。电缆槽放置于栏杆外侧，给施工和检修带来了一定的困难，且外挂式电缆槽造价较高。

(2)声屏障梁的人行道结构复杂，施工工序繁琐，质量不易保证。

(3)有、无声屏障梁的人行道高度和宽度均不同，电缆槽位置在平面和立面上也不在同一位置上，有、无声屏障梁相接孔跨人行道和电缆槽均需要采取过渡措施。

3.2.3 优化措施

(1)人行道支架改为组合工字形钢横梁，钢横梁上铺设钢筋混凝土双U形槽，每侧提供两个电缆槽道，顶部采用RPC混凝土盖板覆盖，见图7。电缆铺设于U形槽内，铺设、检算方便，且节省了外持电缆槽费用。工字形钢横梁在工厂焊接成型，质量易于保证。

图7 浩吉铁路无声屏障梁人行道结构(单位：mm)

(2)整体焊接的工字形钢横梁整体性好，刚度大，为设置声屏障提供了条件，设声屏障采用了与无声屏障梁类似的人行道结构，在钢横梁的外侧端部焊接声屏障立柱基础，声屏障立柱与基础间螺栓连接。立柱基础采用钢板围成的盒状结构，为在人行道内检查声屏障连接螺栓提供了便利条件，见图8。

图8 浩吉铁路设声屏障梁人行道结构(单位：mm)

3.3 梁端防排水设施

铁路简支T梁一般梁端均设置防排水设施，防排水设施由预埋角钢、套筒和橡胶止水带及钢压条组成，其上采用纤维混凝土封闭，钢盖板覆盖，见图9。原设计结构较复杂，工序多，造价高。

图9 梁端防排水构造(单位：mm)

防排水设施主要防止雨水从梁端直接下排，影响梁端预应力锚具和支座的耐久性。目前在预制梁生产时均对锚具和封锚混凝土进行了防水处理，支座距梁端还有一定距离，且端缝处覆盖有挡砟钢板，下排的雨水对锚具和支座的影响较小，本次优化设计取消橡胶止水带及其相应预埋件，仅保留上部挡砟钢板，如图10所示。设计方案简化了施工，降低了造价。梁端设置挡水台，挡水台高出桥面保护层1～5.2 cm。挡砟钢盖板平置。

图10 优化后梁端挡水台及挡砟盖板(单位：mm)

3.4 浩吉铁路T梁与客货共线铁路T梁工程数量的对比

浩吉T梁与客货共线T梁每孔跨度32 m双线梁的主要工程数量及造价见表3，工程数量及造价里均仅包含梁部预制、现浇和桥面系。客货共线T梁采用通桥(2016)2101系列梁。

表3 浩吉铁路T梁与客货共线铁路T梁工程数量及造价对比

浩吉铁路为重载铁路，其设计列车活载为客货共线铁路设计活载的1.2倍。在设计列车活载加大的前提下，浩吉铁路无声屏障简支T梁与客货共线简支T梁相比造价基本相当，设声屏障梁造价远低于客货共线梁，优化效果明显。

4 试制、试验

浩吉铁路常用跨度简支梁人行道组合结构是一种新型的铁路简支T梁人行道结构，为保证施工工艺的可操作性和结构的可靠性，批量使用前，通过试验梁的试制试验进行了验证。试验内容包含一片梁的静载试验、人行道结构制造和安装，以及6 m长的设置声屏障人行道结构加载试验，试验结果验证浩吉铁路简支T梁设计方案可行，结构安全，其强度和刚度均满足规范要求。试验通过评审后，在浩吉铁路全线推广使用。

5 结语

本文简要介绍浩吉铁路后张法简支T梁的设计和一些优化措施，浩吉铁路首次采用一种新型的工字形钢横梁和混凝土U形槽及RPC盖板组成的组合结构，为电缆的铺设和检修及声屏障的设置均提供了便利条件，节省了造价较高的外挂式电缆槽。有、无声屏障梁的桥面宽度和高度完全一致，相接顺畅，避免了复杂的过渡措施。取消避车台和优化梁端防排水设施简化了结构，降低了施工难度。浩吉铁路简支T梁优化设计后提高了其使用功能，降低了工程造价，对重载铁路和客货共线铁路简支梁的设计具有一定的参考意义。