高速铁路T构桥设计研究

0 引言

T构桥是预应力混凝土T形刚构的简称，T构桥梁部与桥墩固结，两侧梁端支承于桥墩之上，造型简洁美观，能较好地适应各种地形。随着我国近年来高速铁路的快速发展，T构桥被广泛应用于跨越既有公路、铁路、沟谷桥梁中。目前国内、外应用有很多大跨度T构桥，日本的新干线上吾妻川桥采用了（110+110）mT构桥，应用于山谷地形；我国的宜万铁路马水河大桥采用了（116+116）mT构桥，应用于山谷地形。T构桥跨越铁路时，通常先采用铁路旁现浇或悬灌、再采用水平转体方案施工。桥梁施工远离既有线，减小对既有铁路的运营干扰。

T构桥主梁与桥墩固结，便于悬灌施工，省掉主墩大吨位支座，便于了后期维护。墩梁固结可减少T构桥主梁弯矩，并且可较好控制主梁的应力及竖向变形。

本文以某客运专线不同跨度T构桥为背景，对T构桥梁部构造、受力特点、梁体变形等方面进行探讨，并分析设计关键因素。

1 设计技术标准、设计原则

某高速铁路客运专线设计时速250km/h，双线，有砟轨道，ZK活载。该客运专线跨越众多既有铁路、公路及河流，根据上跨构筑物及场地建设条件，分别采用了多种跨度的T构桥（见表1）。其中最小跨度为（48+48）mT构，最大跨度为（88+88）mT构。由表2可知本线T构桥墩高普遍不高，且都为实体桥墩。施工方法均采用悬灌浇筑施工，部分T构采用先悬灌施工后平面转体施工的施工方式。

表2 不同跨度T构基础统计

T构桥梁部采用C50混凝土，采用单箱单室变高度截面箱梁。各跨度T构桥梁部支点高度如表1所示。由表1可知，中支点梁部高度的高跨比为1/9.14～1/8.63，边支点梁部高度的高跨比为1/20.95～1/16.00。

《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）7.3.2条规定，在ZK竖向静活载的作用下，跨度不大于80m的T构，竖向挠度应不大于1.4×L/1400；跨度大于80m的T构，竖向挠度应不大于1.4×L/1000。梁端竖向转角与相邻两孔梁间不应大于2×10-3rad。

T构桥设计荷载、荷载组合、主要设计指标中设计安全系数及各阶段应力控制、混凝土收缩徐变、预应力损失计算参数、锚下控制应力、梁体变形限值除静活载作用下所引起的最大竖向挠度外均与预应力混凝土连续梁一样。

2 结构计算分析

2.1 计算模型

本线（88+88）mT构为单箱单室、变高度、变截面结构。梁全长为176.5m，计算跨度为（87.5+87.5）m，边支点梁高为4.2m，中支点梁高为10.2m，边支座中心线至梁端0.75m。箱梁顶宽12.2m，箱梁底宽7.0m。顶板厚度54～79cm；底板厚度55～155cm，按圆曲线变化至中支点梁根部，中支点处加厚到243.5cm；腹板厚70～90～110～130cm，按折线变化。

以本线（88+88）mT构桥为例，建立桥梁平面杆系有限元模型进行分析。模型中，将桩土相互作用模拟桩基刚度，边支点设置为活动支座，计算简图如图1所示。

图1 （88+88）mT构桥结构计算简图

2.2 计算分析

T构桥纵向计算主要考虑恒载、预应力、列车活载、列车制动力、梁部及桥墩风力、温度力等荷载。荷载组合按照主力、主力+附加力最不利工况控制，在主力荷载工况下，主梁应力、强度及结构刚度主要计算结果如表3所示。由表3可知，梁体应力、强度和抗裂指标满足规范要求，梁部静活载竖向挠度小于限值。随着跨度的增加，T构桥梁端竖向转角逐渐增大，可见竖向转角是影响T构桥设计的重要因素。

表3 不同跨度T构主要计算结果

2.3 梁高分析

由表1可知，T构桥的梁高与跨度基本成线性关系，中支点梁高的高跨比基本保持在1/9（约0.111）左右，边支点梁高的高跨比与跨径有一定关系。当T构桥的跨度小于80m时，边支点的高跨比约为1/16（约0.0625），当T构桥的跨度大于等于80m时，边支点的高跨比约为1/20（约0.05）。因此，小跨度T构桥的边支点梁高存在一定的优化空间，大跨度T构桥的梁高选取具有控制性的作用。

表1 不同跨度T构梁部统计

2.4 梁端转角、竖向挠度分析

以本线（88+88）mT构桥的梁高变化作为研究对象，分析梁体高度对梁端竖向转角、梁体竖向挠度的影响。本线（88+88）mT构中支点梁高10.2m，边支点梁高4.2m。

在保持桥墩及基础不变的条件下，我们分两种情况对梁体竖向转角的影响进行分析。第一种情况，我们同时增高或减小梁体的高度，第二种情况我们保持中支点梁高不变，仅增加或减少边支点梁体的高度（梁底高度仍按圆曲线变化）。两种情况下的计算结果可见表4。由表4可知，随着梁高的增加，T构桥的梁端转角及梁体竖向挠度都有所减少。当中支点梁高不变，边支点梁高增加时，梁端竖向转角明显减小。由此可知，T构桥边支点的梁高，对T构桥梁端竖向转角的影响很大，如果需改善T构桥梁端竖向转角，可适当增加T构桥边支点梁高。

表4 梁高变化对梁端竖向转角、跨中竖向挠度的影响

2.5 桥墩形式

本线T构桥桥墩普遍不高，多采用矩形实体墩。当T构桥位于河谷或有景观要求时，也可采用圆端形桥墩或圆形墩，可根据墩高采用实体桥墩或空心桥墩。

T构桥主墩刚度对桥梁竖向刚度具有影响，T构桥的纵向刚度主要来自墩身的纵向抗推刚度。T构桥的横向刚度由墩身、基础、梁体的横向刚度共同决定。高速铁路对于T构桥墩梁共同受力结构的主墩并没有规定纵横向刚度的具体数值，而是针对不同跨度、不同墩高、不同墩型、不同基础的具体情况进行计算，以满足高速铁路对T构桥变形限值要求为准。

3 经济性分析

将T构桥与同等跨度的连续梁桥梁部每延米混凝土指标进行对比，结果可见表5。T构桥与连续梁桥的预应力钢绞线指标一般为50kg/m3左右，钢筋指标一般为180 kg/m3左右。由表5可知，主跨48～88m的连续梁桥每延米混凝土指标在11.0～16.9m3/m，跨度48～88m的T构桥每延米混凝土指标在15.0～25.0m3/m。同等跨度条件下，T构桥的每延米混凝土指标明显高于连续梁桥每延米混凝土指标。随着跨度的增大，T构桥的每延米混凝土指标增加的也越明显。由此可见，当T构桥的跨度在80m以下时，每延米混凝土指标较为合理，经济性较好，当T构桥的跨度大于80m时，T构桥的混凝土指标增长较大，经济性较差。

表5 不同跨度T构桥、连续梁桥指标统计

4 结束语

本文通过对比某高速铁路客运专线T构桥的技术标准、结构参数、主要技术参数、工程数量等数据，得出下列结论：

①T构桥梁体结构高度与跨度基本呈现线性相关，中支点处梁高与跨度之比为1/9、边支点处梁高与跨度之比为1/16取值较为合理。

②边支点梁端竖向转角受梁高影响较大，通过增加梁高尤其是边支点梁高，可有效控制T构桥梁端竖向转角。

③T构桥跨度选取不宜过大，最好应用在80m以下跨度，经济效果更好。

④T构桥中墩作为T构桥共同受力结构，应结合桥梁跨度、墩高等建设条件，选取合适的墩型及基础尺寸，以满足T构桥变形限值的要求。