杨鹏健

(中国铁路总公司建设管理部,北京　100844)



高速铁路无砟轨道单线简支箱梁结构设计与分析

杨鹏健

(中国铁路总公司建设管理部,北京100844)

摘要：结合350km/h高速铁路常用跨度无砟轨道单线简支箱梁通用参考图设计,介绍该箱梁在梁高、桥面宽度、二期恒载、支座横向中心距、梁端构造等方面的受力分析以及从景观性、经济性方面阐述腹板斜率、外轮廓圆弧倒角等细部构造,并通过计算分析选定合理值。

关键词：高速铁路；单线梁；简支箱梁；设计

1概述

为适应我国铁路快速客运网的建设需要，对于部分接入、引出地区枢纽或大型客运站的单线线路，也应考虑具备列车高速通行的基础条件。随着铁路建设的深入推进，高速铁路单线桥梁的应用范围日趋广泛[1]。

高速铁路常用跨度单线简支箱梁结构设计需结合疏解线、联络线的功能特点，重点分析梁体的截面形式、设计参数、控制指标，以便确定更为完善的设计方案和较为灵活的适用范围。在满足350 km/h速度目标值的同时，还应考虑最小曲线半径1 200 m及相应行车速度的构造要求，以及铺设不同类型无砟轨道引起的桥面二期恒载变化。在保证结构安全和使用功能的前提下，更好地体现技术经济合理性[1]。

2关键技术研究

2.1梁高确定

高速铁路双线桥梁设计技术日臻成熟，已经形成了较完备的理论体系。目前，对于单线桥梁的多项设计控制指标尚无明确规定，其合理梁高的选取是设计的关键技术之一。

(1)已建客运专线铁路单线简支箱梁的梁高统计[2-5]

已发布的单线简支箱梁通用参考图有：通桥(2006)2328并置梁(适用于350 km/h客运专线铁路双线并置梁)、通桥(2008)2211A(适用于250 km/h客运专线铁路单线梁)。建设项目各单位设计的单线简支箱梁图有：合蚌、盘营、沪宁、广深港等线路的梁图。其跨度32 m箱梁的梁高见表1。

从表1可以看出，设计速度200 km/h及以上客专的32 m单线简支梁因速度目标值不同，静活载挠跨比在1/4 000～1/6 500，梁高在2.6～3.05 m。

表1　不同单线简支箱梁图梁高对比

(2)设计规范的相关规定

我国《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)[6]( 以下简称“高铁规范”)规定了单线简支梁的梁体竖向挠度限值按双线桥限值的0.6倍取用，即0.6×L/1 600=L/2 667。德国、法国等相关规范规定梁端支座断面转角单线桥0.3‰(相当于挠跨比f/L=1/10 600)，双线桥0.5‰(相当于挠跨比f/L=1/6400)。“高铁规范”的规定说明单线简支梁竖向刚度要求比双线大。相关规范的对比如表2所示。

表2　不同高速铁路规范单线梁限值对比

(3)箱梁竖向刚度

在研究单线箱梁的相关设计指标时，必须考虑与双线箱梁的刚度匹配，避免出现“跳车”现象，保证高速列车行车的平稳性与乘坐的舒适性。32 m双线简支梁“通桥(2008)2322A”设计的静活载挠跨比1/5 278，本次研究，选取2.6、2.8、3.0 m梁高进行技术经济综合比较，主要指标比较见表3。梁高2.6、2.8、3.0 m的各项指标均满足现行规范要求。

表3　主要设计指标对比(二恒取100 kN/m)

(4)动力特性及列车走行性分析

建立车辆(机车)空间振动分析模型，根据计算模型与原理，分析全桥模型在3种车型(德国ICE3动力、国产动力分散独立式高速列车、日本500系动力分散独立高速列车)通过桥梁时的车桥系统空间动力响应[7]。

针对不同梁高(2.6、2.8、3.0 m)、腹板斜率(1∶4、1∶5、1∶6、1∶10)、底板宽度(300、320、340 cm)等情况，二期恒载选取60～120 kN/m分别组合，其各项指标均满足规范要求，本次仅从冲击系数及横、竖向动移在同车速段、同列车类型情况下进行比较，结果见表4。

表4　不同梁高对主梁的冲击系数及竖、

在设计车速段，2.8 m梁高的冲击系数、竖向位移较其他略大、横向位移相当；在检算车速段，2.8 m梁高的上述3项指标较其他均略小。

(5)工程数量及经济性比较

经济性指标见表5。

表5　主要材料及概算对比(二恒取100 kN/m)

经分析比较，选取梁高2.8 m，不但各项指标均满足规范要求，而且车桥动力响应在检算速度段更优，具备良好的经济性。从已建项目的运营实践，该梁高也综合已建项目成果，并得到了充分的统一，具备标准化的实践基础。

2.2桥面布置

(1)全面分析已有设计成果

表1中已建项目的桥面宽度6.45～8.4 m，线路中心至防护墙内侧的净距1.9～2.2 m；目前双线简支箱梁的线路中心至防护墙内侧的净距，无砟轨道为1.9 m，有砟轨道为2.2 m。通桥(2009)2229无砟和有砟轨道，线路中心至防护墙内侧均采用2.2 m，秦沈客专箱梁则为2.05 m[2]。

(2)考虑施工及运营安全

高速铁路单线简支箱梁桥面合理宽度不是简单的双线桥面宽度与线间距之差，除了双线所需考虑的限界、风压带宽度、维修通道宽度外，至关重要的因素是两防护墙内侧净距值的确定，既要考虑施工期间运、架设备的通行宽度要求，还要考虑运营期间桥面防排水通道设置。在施工期间，如果该值偏小，特别是在线路曲线半径为1 200 m时，运梁车驮梁的横向倾覆稳定性不能满足规范要求；运营期间，如果桥面排水不畅，积水深度淹没无砟轨道底座，浸泡CA砂浆垫层时，运营安全将受到严重威胁。所以，两防护墙内侧净距值不但直接影响施工安全，而且也影响梁体耐久性及运营安全，必须制定合理的桥面宽度。

(3)满足相关专业要求

桥面除布置轨道结构外，还承载着电力、电化、通信、信号、声屏障等相关设施，相关专业要求也不容忽视。

经过理论计算分析并充分借鉴高速铁路双线简支箱梁桥面宽度成功经验，结合合蚌客专现场经验，最终确定防护墙内侧净距为4.4 m，桥面宽度7.4 m。具体布置见图1[8]。

图1　桥面布置(单位：mm)

2.3二期恒载范围及分级

根据单线梁所处直、曲线不同区段、轨道结构类型、是否设置声屏障(或风屏障)、栏杆类型等不同，组合方式共有32种，其值处于60.7～114.4 kN/m。为满足不同桥面构造要求，二期恒载的分布范围按60～120 kN/m考虑，由于单线梁预应力束的布置对于二恒重力反应较双线梁敏感，分别对10、15 kN/m两种阶差进行了比较验算，最终采取15 kN/m阶差分级。

2.4支座横向中心距选取

梁高取2.8 m、顶宽7.4 m、底宽3.4 m时，不同支座中心距横向倾覆稳定验算结果见表6，支座横向中心距为2.7、2.5、2.3 m时横向倾覆稳定系数均大于1.3，满足规范要求。其中支座横向中心距为2.7 m时，与“通桥(2008)2322A”图中跨度31.5 m简支箱梁横向倾覆稳定系数相当。因此本设计支座横向中心距选用2.7 m[1]。

表6　横向倾覆稳定系数

2.5腹板斜率及外轮廓圆弧倒角设计

高速铁路桥梁注重景观设计，宜采用斜腹板、大圆弧、流线形截面，为此对腹板斜率及外轮廓圆弧倒角大小进行比选[1，9]。

(1)腹板斜率的比较

为方便斜腹板中预应力束的布置，腹板斜率一般大于1/tan30°(约1.73∶1)。在顶板宽度采用7.4 m、底板宽度采用3.4 m、梁高采用2.8 m的前提下，选取斜率4∶1、5∶1、10∶1三种腹板斜率形式比较，如图2和图3所示。综合考虑推荐采用5∶1腹板斜率。

图2　不同腹板斜率对比

图3　梁部和桥墩配置(单位：cm)

(2)外轮廓圆弧倒角的比选

在梁顶宽7.4 m、底宽3.4 m、梁高2.8 m及腹板斜率采用5∶1的前提下，对外轮廓圆弧倒角R=0.5、0.75、1.0、1.5 m四种情况进行比较，见图4。

图4　外轮廓圆弧倒角对比

跨度32 m简支梁采用不同圆弧倒角时，梁部混凝土用量对比见表7。

圆弧倒角越大，混凝土用量越大，圆弧倒角R=1.5 m比R=0.5 m的梁部混凝土用量大13.6 m3，圆弧倒角R=0.75 m比R=0.5 m的梁部混凝土用量大2.5 m3。圆弧倒角大，外形美观。“通桥(2008)2322A”图中跨度31.5 m双线简支梁外轮廓圆弧倒角R=0.75 m。综合考虑经济性和美观，推荐外轮廓圆弧倒角R=0.75 m。

表7　不同圆弧倒角的梁体混凝土用量对比

2.6梁端局部结构尺寸拟定

目前预制单线简支箱梁均采用架桥机吊装架设，吊点设在梁端顶板上，由于局部应力较大，梗胁处常出现可见裂缝。本次设计通过调整吊点纵向位置、横向间距、吊点附近梗肋倒角半径等参数进行了7种方案比选，结果见表8[1]。

从表8可以看出：

(1)随着吊点横向间距增大，最大拉应力减小。如方案1、方案2，横向间距由1.3 m增大至2.0 m，最大拉应力由6.13 MPa降至4.38 MPa，降低28.5%；

(2)随着顶板厚度增加，拉应力减小。如方案2、方案4，顶板厚度由0.45 m增大至0.50 m，最大拉应力由4.38 MPa降至3.67 MPa，降低16.2%；

(3)上梗肋内侧倒角半径增大，拉应力减小，如方案3、方案4、方案5，倒角半径由0.15 m增大至0.25 m，拉应力由4.02 MPa降至3.52 MPa，降低12.4%；

(4)在支点附近截面，随着吊点位置向跨中靠拢，拉应力减小，如方案5、方案6，吊点顺桥向向跨中移动0.15 m，最大拉应力由3.52 MPa降至3.22 MPa，降低8.5%；

(5)随着前后两吊点纵向间距减小，拉应力增大，如方案5、方案7，当吊点纵向间距由1.0 m减至0.8 m时，最大拉应力由3.52 MPa增大至3.87 MPa，增加9.9%。

表8　吊梁工况不同方案局部应力分析

综合以上因素，本次设计采用方案6，即梁端顶板厚度0.5 m，腹板与顶板内侧倒角半径取0.25 m，吊点横向间距2 m，吊点距梁端距离0.9 m，如图5所示，最大拉应力发生在上梗肋附近，最大为3.22 MPa。

图5　梁端吊点布置(单位：mm)

3结语

时速350 km高速铁路预制后张法预应力混凝土无砟轨道单线简支箱梁的编制，综合以往设计成果及经验，进一步补充完善了常用跨度简支箱梁系列，能更好地满足高速铁路建设和运营管理需要。

参考文献：

[1]中铁上海设计院集团有限公司. 铁路工程建设通用参考图-时速350 km高速铁路预制后张法预应力混凝土简支箱梁设计意见书[R].上海：中铁上海设计院集团有限公司，2010.

[2]邓运清.客运专线简支箱梁综述[J].铁道工程学报，2005(1)：65-71.

[3]郑健.中国高速铁路桥梁[M].北京:高等教育出版社，2008.

[4]孙大斌，姚君芳.盘营客运专线铁路单线预制常用跨度简支梁设计[J].铁道标准设计，2014(8)：105-108.

[5]姚君芳，孙大斌.铁路斜腹板简支箱梁温度应力计算方法研究[J].铁道标准设计，2014(8)：109-114.

[6]中华人民共和国铁道部.TB10621—2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[7]曾庆元，郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论与应用[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[8]桂婞，苏竹松，刘信斌，等.合蚌客运专线桥梁设计主要技术特点[J].铁道标准设计，2013(6)：41-43.

[9]中铁上海设计院集团有限公司.铁路工程建设通用参考图-时速350公里高速铁路单线简支箱梁圆端形实体桥墩设计意见书[R].上海：中铁上海设计院集团有限公司，2010.

Design and Analysis of Simple Supported Box Girder on Ballastless Single Track of High Speed RailwayYANG Peng-jian

(Construction Management Office, China Railway Corporation, Beijing 100844, China)

Abstract：Based on the General Reference Drawing for Simple Supported Box Girder with Common Span on Balastless Single Track for 350 km/h High Speed Railways, this paper focuses on the analysis of stresses with respect to girder height, bridge deck width, secondary dead load, transverse center distance of bearing, girder end structure, and web slope and arc chamfering of outer contour and other micro structures are illustrated in terms of outlook and economy. Furthermore, reasonable values for these parameters are determined through calculation.

Key words：High speed railway; Single track girder; Simple supported box girder; Design

中图分类号：U442.5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.019

文章编号：1004-2954(2015)05-0086-04

作者简介：杨鹏健(1985—)，男，工程师， 2005年毕业于同济大学土木工程专业，工学学士，E-mail：jssbzc@163.com。

收稿日期：2014-10-08； 修回日期：2014-11-13