劉玉亮

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計研究院，北京 100055)

1 重載鐵路運輸簡介

1.1 重載鐵路運輸概況

20世紀(jì)50年代以來，重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國鐵路的廣泛重視，如美國、加拿大、巴西、澳大利亞、南非、瑞典等國家。世界各國鐵路由于運營條件、技術(shù)裝備水平不同，采用的重載列車運輸形式和組織方式也各有特點。為推動世界重載運輸?shù)陌l(fā)展，1985年，中國、美國、澳大利亞、加拿大、南非等5國鐵路發(fā)起成立了國際重載協(xié)會。國際重載協(xié)會先后于1986年、1994年和2005年3次修訂了重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)。1994年修訂標(biāo)準(zhǔn)的要求重載鐵路必須滿足以下3條中的至少2條:

(1)列車牽引質(zhì)量至少達(dá)到5 000 t;

(2)軸重達(dá)到或超過250 kN;

(3)在長度至少為150 km的線路上年運量不低于2 000萬 t。

在2005年國際重載協(xié)會理事會上，對新申請加入國際重載協(xié)會的重載鐵路，要求滿足以下3條標(biāo)準(zhǔn)中的至少2條:

(1)列車牽引質(zhì)量不小于8 000 t;

(2)軸重達(dá)270 kN以上;

(3)在長度不小于150 km線路上年運量不低于4 000 萬 t。

1.2 我國鐵路橋梁現(xiàn)狀

目前，我國鐵路的運營里程已達(dá)9萬km，在客貨共線鐵路橋梁中大部分采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T形梁，設(shè)計活載采用的是中-活載，最大列車軸重250 kN。提高軸重是世界各國重載鐵路普遍采用的措施，美國所有一級鐵路的標(biāo)準(zhǔn)軸重1990年后已是330 kN。加拿大一級鐵路標(biāo)準(zhǔn)軸重已于1995年改為330 kN。澳大利亞BHP重載線路的軸重已經(jīng)提高到350 kN，巴西卡拉齊斯重載鐵路的軸重已經(jīng)達(dá)到300 kN，瑞典重載鐵路已將軸重由250 kN提高到300 kN。我國大秦線滿足國際重載協(xié)會2005年的重載鐵路新標(biāo)準(zhǔn)，朔黃、京廣、京滬、京哈等干線滿足1994年的標(biāo)準(zhǔn)。我國是貨運大國，鐵路又是貨運主要交通工具，因此研制適應(yīng)于大軸重列車的梁型具有重要意義。山西中南部鐵路通道簡支 T梁便是為300 kN軸重列車活載專門設(shè)計的預(yù)制梁。

2 簡支T梁特點及設(shè)計思路

2.1 簡支T梁特點

單雙線鐵路橋均由多片預(yù)制T梁組成，一般情況下單線橋由2片T梁組成，雙線橋由4片T梁組成，單片T梁架設(shè)后通過橋面板和橫隔板濕接縫連接成整體，并在隔板處加設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。單片預(yù)制T梁體積小、質(zhì)量小，可利用既有鐵路進(jìn)行遠(yuǎn)距離運輸，架設(shè)方法靈活，與箱形梁相比，不需要采用專門的大型運輸和架梁設(shè)備，因此在客貨共線鐵路建設(shè)中廣泛地采用了簡支T形梁。

與普通鐵路相比較，重載鐵路列車軸重大，列車活載效應(yīng)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)中活載的1.35倍左右，在梁高及梁重受限的情況下，設(shè)計時需要對預(yù)制梁體結(jié)構(gòu)尺寸、混凝土強(qiáng)度等級及預(yù)應(yīng)力筋布置等多個方面進(jìn)行綜合考慮，相互協(xié)調(diào)，以滿足橋梁使用功能要求。

2.2 設(shè)計思路

重載T梁設(shè)計中主要考慮以下幾個方面:

(1)結(jié)構(gòu)承載力和梁體變形滿足重載鐵路使用功能要求;

(2)滿足客車160 km/h，貨車120 km/h動力特性要求;

(3)單片預(yù)制梁能夠通過既有鐵路遠(yuǎn)距離運輸，單片梁質(zhì)量控制在148 t以下。

(4)橋面布置滿足線路大機(jī)養(yǎng)護(hù)的要求。

3 設(shè)計原則及設(shè)計參數(shù)

3.1 設(shè)計原則

(1)活載

①列車活載:采用ZH活載，系數(shù)Z=1.2，圖式見圖1。

動力系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》4.3.5-3公式計算，即

圖1 列車活載圖式(單位:m)

1+μ=1+12/(30+L)，其中L為橋梁計算跨度。

②人行道豎向靜活載值為4.0 kPa，計算主梁時人行道活載不與列車活載同時組合。

③曲線橋梁上的離心力大小等于列車豎向靜活載乘以離心力率C，水平向外作用于軌頂以上2.2 m處，離心力率C按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第4.3.6條計算。

④橫向搖擺力取120 kN，作為一個集中活載作用于橋梁結(jié)構(gòu)最不利位置，其作用點在垂直線路中心線的鋼軌頂面，對于雙線橋只取一線上的橫向搖擺力。

(2)設(shè)計速度:客車為 160km/h，貨車為120 km/h。

(3)雙線線間距4.0 m，線間距變化時調(diào)整2片中梁間濕接縫寬度。

(4)曲線上梁平面布置按平分中矢布置。

(5)采用有砟橋面，橋面凈寬滿足大型鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備作業(yè)的要求，擋砟墻內(nèi)側(cè)距線路中心線距離取2.2 m。

(6)線路設(shè)備軌枕為新Ⅲ型橋枕軌底枕下道砟厚度不小于350 mm，軌底至梁頂?shù)脑O(shè)計計算高度取700 mm。

3.2 設(shè)計參數(shù)

(1)恒載

梁體混凝土容重按25 kN/m3計算。

二期恒載包括現(xiàn)澆橋面板、擋砟塊、人行道及其欄桿(或聲屏障)、線路設(shè)備、道砟、電纜槽的重力。聲屏障重按單側(cè)每延米4 kN計算。設(shè)計采用二期恒載如表1所示。

表1 設(shè)計采用二期恒載 kN/m

(2)梁體豎向撓度的計算采用ZH活載，雙線橋梁雙線加載，其豎向撓度限值取L/800。

(3)風(fēng)荷載按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第4.4.1條計算。

(4)在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體的水平撓度不應(yīng)大于梁體計算跨度的1/4 000。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 橋面布置

根據(jù)線路大機(jī)養(yǎng)護(hù)的要求，線路中心距擋砟墻內(nèi)側(cè)距離不小于2.2 m，同時考慮曲線上橋梁按平分中矢法布置，橋面中心線至擋砟墻內(nèi)側(cè)距離采用2.25 m。人行道采用角鋼支架形式，分別按0.8 m和1.05 m兩種寬度進(jìn)行設(shè)計。電纜槽懸掛于人行道欄桿外側(cè)。單線梁采用2片梁，雙線梁采用4片梁，各片梁之間通過橫隔板和橋面板現(xiàn)澆混凝土連成整體，隔板處加設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋。單線梁橋面布置如圖2所示，雙線梁橋面布置如圖3所示。單線橋面寬4.9 m;雙線線間距按4.0 m設(shè)計，橋面寬8.9 m，當(dāng)雙線線間距變化時調(diào)整2片中梁間濕接縫寬度。

圖2 單線梁橋面布置(曲線)(單位:mm)

圖3 雙線梁橋面布置(曲線)(單位:mm)

4.2 預(yù)制梁結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

4.2.1 上翼緣尺寸確定

上翼緣寬度根據(jù)橋面布置及各片預(yù)制梁間濕接縫寬度進(jìn)行確定，單線梁腹板中心距2.2 m，雙線梁邊梁與中梁間腹板中心距2.1 m，中梁與中梁間腹板中心距2.0 m?？紤]結(jié)構(gòu)受力要求及橋面濕接縫施工便利，橋面濕接縫寬度采用0.3 m。邊梁上翼緣寬度2.3 m，中梁上翼緣寬度1.7 m。上翼緣的厚度按結(jié)構(gòu)受力要求確定，同時考慮單片梁梁體截面重心盡可能與腹板中心線一致，以減小預(yù)應(yīng)力橫向偏心產(chǎn)生的影響。橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計時還考慮了簡化模板和方便脫模的要求。

4.2.2 下翼緣尺寸設(shè)計

下翼緣尺寸根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋布置的需要、結(jié)構(gòu)受力要求、施工時混凝土灌注的便利、運梁吊梁的穩(wěn)定性、墩臺支座布置、標(biāo)準(zhǔn)化等因素確定，本設(shè)計下翼緣寬度取0.88 m。

4.2.3 梁高

山區(qū)線路梁高一般不受線路高程和橋下凈空的限制，但當(dāng)線路在平原地區(qū)和樞紐站場內(nèi)時梁高往往受到限制，需要盡量低，以往的設(shè)計中采用幾個梁高系列的辦法滿足不同的使用要求。但梁高太低不能滿足結(jié)構(gòu)受力及梁體剛度的要求，故本設(shè)計在滿足各項指標(biāo)的前提下，采用較小的梁高。

4.2.4 腹板厚度

腹板厚度根據(jù)結(jié)構(gòu)受力及預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋保護(hù)層厚度的要求，以及規(guī)范中關(guān)于腹板高不大于腹板厚度的15倍的規(guī)定確定，本設(shè)計邊梁及跨度24 m以下梁腹板厚度采用0.24 m，跨度32 m中梁腹板厚度采用0.27 m。

4.2.5 梗脅厚度

腹板與上翼緣相交處厚度不小于梁高的1/10;下梗脅厚度由預(yù)應(yīng)力筋布置和結(jié)構(gòu)計算決定。

4.3 梁體混凝土強(qiáng)度等級及梁高的確定

我國普通客貨共線鐵路在用的簡支T梁共有2個系列通用參考圖，設(shè)計圖號為通橋(2005)2101和通橋(2005)2201，分別適用于設(shè)計時速160 km和200 km客貨共線鐵路。主要梁型梁體混凝土強(qiáng)度等級均采用的是C55。重載鐵路橋梁剛度要求與時速160 km鐵路要求相同，考慮到列車軸重較大，簡支T梁設(shè)計時跨度32 m和24 m梁高在通橋(2005)2101基礎(chǔ)上各增加0.1 m，跨度20 m和16 m梁高與通橋(2005)2101相同，混凝土強(qiáng)度等級分別按C55和C60進(jìn)行計算，經(jīng)比選確定。

各跨度計算結(jié)果如表2所示。

從計算結(jié)果分析，當(dāng)梁體混凝土強(qiáng)度等級采用C55時，只有跨度24 m梁的設(shè)計指標(biāo)能滿足規(guī)范要求，其他跨度梁高需增加100 mm，設(shè)計指標(biāo)才能滿足規(guī)范要求。增加梁高對工程造價影響較大，尤其是橋下凈空受限的情況下更為嚴(yán)重，因此設(shè)計中梁體混凝土強(qiáng)度等級采用C60。

設(shè)計中各跨度梁高采用值如表3所示。

4.4 預(yù)制梁結(jié)構(gòu)尺寸

預(yù)制邊梁跨中斷面如圖4所示，邊梁頂面寬為2.3 m，外側(cè)橋面板厚0.13 m，內(nèi)側(cè)橋面板厚0.24 m，腹板厚0.24 m;擋砟墻高0.45 m。

表2 簡支T梁主要設(shè)計指標(biāo)

表3 各跨度梁高 m

預(yù)制中梁跨中斷面如圖5所示，中梁頂面寬為1.7 m，橋面板厚0.24 m，跨度32 m梁腹板厚0.27 m，跨度24 m及以下梁腹板厚0.24 m。

圖4 邊梁跨中截面(單位:mm)

圖5 中梁跨中截面(單位:mm)

4.5 預(yù)應(yīng)力筋布置

重載鐵路T梁設(shè)計中，預(yù)應(yīng)力筋布置是最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，重載鐵路橋梁二期恒載和活載均較大，預(yù)制梁需要更大的預(yù)應(yīng)力度，然而增加梁體預(yù)應(yīng)力度又會引起梁體變形加大，同時還影響存梁、運輸時支點的設(shè)置位置，設(shè)計指標(biāo)相互影響，因此預(yù)應(yīng)力筋布置需要綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧。下面以跨度32 m曲線邊梁為例，簡要介紹預(yù)應(yīng)力筋布置形式。預(yù)應(yīng)力筋布置于下翼緣和腹板內(nèi)，采用曲線布置形式，從跨中至梁端分批彎起，起彎點及彎起角度根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計算確定。

跨中截面預(yù)應(yīng)力筋布置見圖6，梁端截面預(yù)應(yīng)力筋布置如圖7所示。

各束預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計參數(shù)如表4所示。

4.6 計算結(jié)果

4.6.1 各截面的彎矩及剪力

各截面最大彎矩如表5所示。各截面最大剪力如表6所示。

圖6 跨中截面預(yù)應(yīng)力筋布置(單位:mm)

圖7 梁端截面預(yù)應(yīng)力筋布置(單位:mm)

表4 預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計參數(shù)

表5 各截面最大彎矩(1片梁) kN·m

表6 各截面最大剪力(1片梁) kN

4.6.2 設(shè)計指標(biāo)

跨中截面主要設(shè)計指標(biāo)如表7所示。

表7 跨中截面主要設(shè)計指標(biāo)

4.6.3 梁體變形

預(yù)應(yīng)力混凝土梁梁體在持續(xù)的預(yù)壓應(yīng)力作用下，由于混凝土徐變使其變形持續(xù)增長，梁體會逐漸向上拱起，設(shè)計按照預(yù)應(yīng)力筋終張拉后90 d鋪設(shè)軌道設(shè)備等二期恒載進(jìn)行計算，梁體各時間段上拱度如表8所示。

表8 梁體上拱度 mm

為抵消預(yù)應(yīng)力引起的梁體上拱度，保證梁體線形滿足使用要求，預(yù)制梁時需在橋面板和梁體預(yù)設(shè)反拱。根據(jù)計算結(jié)果，跨中部位預(yù)設(shè)反拱值48 mm左右，橋面板和梁底其他各點反拱值按二次拋物線進(jìn)行過渡。

4.7 橋面板鋼筋配置

橋面板普通鋼筋按照結(jié)構(gòu)承載力要求進(jìn)行配置，根據(jù)計算結(jié)果，橋面板橫向配置 φ18 mm的HRB335鋼筋，鋼筋間距100 mm。擋砟墻配置φ16 mm的HRB335鋼筋，鋼筋間距100 mm。橋面板及擋砟墻混凝土及鋼筋應(yīng)力計算結(jié)果如表9所示。

表9 橋面板及擋砟墻計算結(jié)果

4.8 預(yù)制梁間橫向聯(lián)結(jié)

同一孔各片預(yù)制梁之間通過橋面板及橫隔板濕接縫混凝土聯(lián)成整體，并在橫隔板處施加橫向預(yù)應(yīng)力，以增強(qiáng)整孔梁橫向剛度，滿足動力特性要求。橫向預(yù)應(yīng)力筋采用公稱φ16 mm預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒，中間每道隔板設(shè)4根預(yù)應(yīng)力鋼棒，上下各2根;梁兩端每道隔板設(shè)6根預(yù)應(yīng)力鋼棒，上下各3根。

5 結(jié)語

本設(shè)計T梁經(jīng)過山西中南部鐵路通道試制和靜載試驗驗證，實測數(shù)據(jù)與理論計算值吻合良好，目前已開始批量生產(chǎn)。我國重載鐵路還處在起步階段，重載T形梁也是首次使用，設(shè)計理念和設(shè)計方法還需要在實踐過程中逐步予以完善。隨著重載鐵路建設(shè)的發(fā)展，相信橋梁設(shè)計技術(shù)水平也會不斷得到提高。

［1］鐵道部專業(yè)設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊.混凝土橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.