既有250 km/h高速铁路32 m简支箱梁提速至300 km/h适应性分析

赵健业 胡所亭 王巍

1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

随着高速铁路建设持续快速推进，我国高速铁路运营里程突破4 万km，已建成世界上最发达的高速铁路网［1］。在已开通运营的高速铁路线路中，250 km/h的线路运营里程约为1.5 万km，占比超过40%，是我国高速铁路网的重要组成部分。250 km/h 高速铁路的提速，可有效提升其运行品质和效率效益，充分挖掘庞大的高速铁路固定资产潜力，最大限度地增加客运供给，进一步优化完善高速铁路路网布局，实现全路效益最大化。提速后有利于科学合理地布局全国交通运输版图，对实现我国各区域优势互补，助力欠发达地区解决发展不平衡不充分问题，推动交通强国战略实施具有重要意义。为保证线路的可靠性和旅客乘坐舒适性，同时达到节约土地、保护环境等目的，我国高速铁路优先采用以桥代路形式［2］，且大量采用等跨布置的32 m 简支箱梁。本文以32 m 简支箱梁为例，研究其对250 km/h 提速至300 km/h 的适应性，采用标准对比、现场调研、试验分析的方法研究简支箱梁设计标准、养护维修情况、关键参数对提速的影响。

1 32 m简支箱梁设计情况

2016 年之前编制的通用参考图桥梁的设计依据为TB 10621—2009《高速铁路设计规范（试行）》［3］，2016 年编制的通用参考图桥梁的设计依据为现行的TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［4］，后者桥梁部分沿用了前者的相关规定。

统计梁高和轨道结构可知，250 km/h 高速铁路有砟轨道32 m 简支箱梁梁高主要分为2.5、2.8 m，无砟轨道32 m简支箱梁梁高为2.5 m。

2 250 km/h达速前后桥梁情况对比

2.1 达速前后桥梁伤损情况对比

高速铁路混凝土桥梁病害主要为附属设施的耐久性病害，包括：①混凝土桥面栏杆风化、栏片松动缺失；②梁端止水带淤积、掉落；③桥面泄水孔堵塞；④支座钢制部分锈蚀，钢构件开裂等。这些病害主要由施工质量缺陷引起，属于桥梁耐久性病害。此外，部分路局管段存在桥梁徐变上拱、路桥过渡段沉降等，路桥过渡段沉降主要原因是施工质量缺陷。

这些病害与速度相关性不强，多由施工质量引起。根据达速试验前后现场桥梁情况调研对比发现，速度的提升并未显著加速病害的发展，试验前后设备伤损情况基本相当。

2.2 达速前后桥梁养护维修情况对比

我国高速铁路大量采用工厂预制的标准跨度梁，运营多年后桥梁主体结构质量完好，病害多为附属设施的耐久性病害或初始施工质量引起的病害，速度的提升并未显著加速病害的发展。250 km/h高速铁路达速试验前后，桥梁养护维修工作量变化不大。

3 关键参数适应性分析

TB 10621—2014 给出了32 m 简支箱梁的桥梁梁部及墩台刚度的限值，除梁体竖向挠度限值、不需动力检算的竖向自振频率限值与设计速度相关外，列车荷载图式及动力系数、竖向残余徐变变形、梁体横向变形限值、桥面板振动加速度限值、梁端转角限值、墩台纵向和横向水平线刚度限值、墩台基础工后沉降限值对于设计250、300 km/h 的规定完全一致。因此，既有250 km/h 高速铁路32 m 简支箱梁适应性分析与速度相关参数包括：梁体竖向自振频率、梁体竖向刚度（挠跨比和梁端竖向转角）、梁体竖向振动加速度。

4 与速度相关参数分析

对贵阳—广州铁路32 m 简支箱梁进行提速适应性试验，对与速度有关的关键性参数进行分析。

4.1 梁体竖向自振频率

32 m 简支箱梁实测梁体竖向自振频率见表1。可见，不同梁高梁体竖向自振频率实测值大于设计值，且满足TB 10621—2014 规定的设计速度300 km/h 不需动力检算限值的要求，表明既有250 km/h 高速铁路32 m简支箱梁竖向自振频率能够满足提速至300 km/h的要求。32 m 简支箱梁梁体竖向自振频率实测值高于设计值的主要影响因素有混凝土实际弹性模量、二期恒载、梁轨相互作用、活动支座摩阻等［5］。对于同类型梁，因混凝土实际弹性模量不同，且受活动支座摩阻、梁体相互作用等因素影响，造成实测值有差异。

表1 32 m简支箱梁梁体竖向自振频率

列车对桥梁的竖向强振频率主要取决于动车组列车速度v和车辆长度d。由车辆长度引起的竖向强振频率为v/（3.6d）［6］。由于轴距、定距、两车相邻转向架的中心距造成的重复加载作用不连续，引起的强振频率处于次要地位。我国动车组列车车长一般为25 m，理论强振频率为0.011v。当动车组列车以300 km/h及以下速度通过桥梁时，列车引起的竖向强振频率小于3.5 Hz，小于32 m 简支箱梁实测竖向自振频率，梁体不会产生竖向共振现象。

4.2 梁体竖向刚度

国内外规范均以静活载作用下的挠跨比和梁端转角作为梁体竖向刚度控制指标，不同梁高的32 m 简支箱梁实测梁体竖向挠跨比和梁端竖向转角（换算至ZK 活载）分别见表2、表3。可知，32 m 简支箱梁挠跨比和梁端竖向转角设计值高于TB 10621—2014 规定的相关限值要求，而实测值均小于设计值。这表明既有250 km/h 高速铁路32m 简支箱梁梁体竖向刚度能够满足提速至300 km/h的要求。

表2 32 m简支箱梁梁体竖向挠跨比（换算至ZK活载）

表3 32 m简支箱梁梁端竖向转角（换算至ZK活载）

4.3 梁体竖向加速度

250 km/h 高速铁路联调联试最高试验速度为275 km/h［7］。随机选取试验数据研究跨中竖向振动加速度与行车速度的关系，见图1。可知，梁体跨中竖向振动加速度随行车速度提高而增大，未发生振动过大和共振现象。

图1 简支箱梁跨中竖向振动加速度与行车速度的关系

动车组列车以275 km/h 及以下速度通过时，实测32 m 简支箱梁跨中竖向振动加速度最大值见表4。可知，不同轨道结构类型、梁高的32 m 简支箱梁跨中竖向振动加速度最大值均小于TB 10621—2014限值。

结合图1和表4可以推测，动车组列车以300 km/h及以下速度通过既有250 km/h 高速铁路32 m 简支箱梁时，梁体跨中竖向振动加速度均小于TB 10621—2014的限值，既有250 km/h高速铁路32 m简支箱梁梁体竖向振动加速度能够满足提速至300 km/h的要求。

表4 32 m简支箱梁跨中竖向振动加速度最大值

5 结论

1）TB 10621—2014《高速铁路设计规范》给出了32 m 简支箱梁的梁部及墩台刚度的限值，设计250、300 km/h的高速铁路桥梁大部分参数限值完全一致。

2）TB 10621—2014 规定既有250 km/h 高速铁路车桥耦合动力响应分析的检算速度为300 km/h。既有250 km/h 高速铁路32 m 简支箱梁车桥耦合动力响应满足提速至300 km/h的要求。

3）设计速度250 km/h 的32 m 简支箱梁实测梁体竖向自振频率小于设计值，且满足TB 10621—2014 中设计速度300 km/h不需动力检算限值的要求。

4）设计速度250 km/h 的32 m 简支箱梁梁体竖向挠跨比和竖向转角实测值均小于TB 10621—2014 规定的设计速度300 km/h简支箱梁竖向刚度限值。

5）动车组列车以300 km/h 及以下速度通过250 km/h 高速铁路32 m 简支箱梁时，梁体跨中竖向振动加速度均小于TB 10621—2014的限值。