胡國華

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程簡介

重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國的廣泛重視，特別是在一些幅員遼闊、資源豐富、煤炭和礦石等大宗貨物運(yùn)量占有較大比重的國家，如美國、加拿大、巴西、澳大利亞、南非等，發(fā)展尤為迅速。世界鐵路重載運(yùn)輸是從20世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)并發(fā)展起來的，60年代中后期，重載運(yùn)輸開始取得實質(zhì)性進(jìn)展，并逐步形成強(qiáng)大的生產(chǎn)力。目前，重載鐵路運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，重載運(yùn)輸已被國際公認(rèn)為鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向，成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢。

世界各國的鐵路由于運(yùn)營條件、技術(shù)裝備水平不同，采用的重載列車形式和組織方式也各有特點。國際重載協(xié)會(IHHA)先后于1986年、1994年和2005年三次修訂了重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)。加快發(fā)展重載運(yùn)輸對提高鐵路線路運(yùn)輸能力，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有著十分重要的作用。最近10年來，我國重載技術(shù)得到了迅速發(fā)展，重載運(yùn)輸已初具規(guī)模。為了適應(yīng)重載運(yùn)輸需要，我國鐵路正在不斷提高車輛載重和列車牽引重量。目前，我國的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)。

新建山西中南部鐵路通道是國家規(guī)劃的大能力運(yùn)煤通道建設(shè)項目，是“十一五”期間國家重點工程，起點為山西省呂梁市，終點為日照港，全長1 260 km。是我國第一條軸重達(dá)30 t的雙線重載電氣化鐵路，建成后將成為世界上運(yùn)量最大的重載鐵路之一。

2 設(shè)計概述

連續(xù)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，是橋梁常用結(jié)構(gòu)體系。具有變形小、結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養(yǎng)護(hù)簡單、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點。一般采用懸臂澆筑的施工方法，不需要大量施工支架和臨時設(shè)備，不影響橋下通航、通車，施工受季節(jié)、河道水位的影響小，特別適合于跨越既有道路、河流、山谷，施工期水位變化頻繁不宜水上作業(yè)的河流以及通航頻繁且施工時需留有較大凈空的河流，減少對現(xiàn)有道路、水路交通的影響。

新建山西中南部鐵路通道采用了大量預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。設(shè)計考慮全線以重載運(yùn)煤為主，部分區(qū)段開通客車的特點，活載圖式采用中－活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)進(jìn)行設(shè)計，以滿足重載運(yùn)輸鐵路建設(shè)的要求。設(shè)計從提高結(jié)構(gòu)使用壽命出發(fā)，在結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取、原材料的選擇以及施工工藝等方面考慮結(jié)構(gòu)耐久性的要求。本系列常用跨度連續(xù)梁分單、雙線兩種梁型，施工主要按懸臂澆筑設(shè)計，部分跨度根據(jù)實際需要采用支架現(xiàn)澆，共計11種梁型，類型及跨度見表1。

表1 連續(xù)梁類型及跨度

(1)設(shè)計速度:客車160 km/h，貨車120 km/h。

(2)線路情況:直、曲線，雙線時正線線間距4.0～5.0m，最小曲線半徑1200m。

(3)軌道標(biāo)準(zhǔn):鋪設(shè)無縫線路，Ⅲ型軌枕，正線鋼軌60 kg/m。

(4)軌道類型及高度:采用有砟軌道，軌底最小道砟厚度0.35m，軌底至梁頂0.70m。

(5)設(shè)計荷載:中 －活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)。

3 設(shè)計荷載及參數(shù)

(1)恒載

結(jié)構(gòu)自重:容重按26 kN/m3計算。

附屬設(shè)施重(二期恒載):

包括鋼軌、軌枕等線路設(shè)備，以及道砟、防水層、保護(hù)層、人行道支架及步板、聲屏障、擋砟墻、電纜槽等附屬設(shè)施重量，單側(cè)聲屏障自重按4.0 kN/m計算。雙線梁二期恒載合計直線梁按140～155 kN/m計算，曲線梁按155～170 kN/m計算。單線梁二期恒載合計直線梁按84.4 kN/m計算，曲線梁按91.5 kN/m計算。

基礎(chǔ)不均勻沉降:相鄰兩支點不均勻沉降值見表2。

表2 基礎(chǔ)允許不均勻沉降值

(2)活載

列車活載:采用中—活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)，如圖1。動力系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》4.3.5條計算，即

圖1 列車活載圖式(單位:m)

橫向搖擺力取120 kN，作為一個集中荷載取最不利位置作用于橋梁結(jié)構(gòu)，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面，對于雙線橋只取一線上的橫向搖擺力。

曲線橋列車靜活載產(chǎn)生的離心力: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2.2m處，離心力率C按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.3.6條計算。

(3)附加力

風(fēng)力、列車制動力或牽引力:按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)相應(yīng)條款計算。

溫度荷載:縱向計算設(shè)計合龍溫度取橋位處最低和最高月平均溫度平均值，均勻溫差按升降溫20℃，日照溫差按頂板升溫5℃計算。橫向按支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架計算，按升溫、降溫兩種情況，計算圖式如圖2。

圖2 橫框溫度計算圖式

(4)特殊荷載

列車脫軌荷載、施工荷載、地震力分別按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)、《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)計算。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 橋面布置

采用有砟橋面，擋砟墻內(nèi)側(cè)距線路中心線距離取2.25m，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。為方便橋面附屬設(shè)施布置，連續(xù)梁上橋面布置與本線簡支T梁相同。

橋面兩側(cè)設(shè)人行道，人行道采用角鋼支架形式，人行道角鋼支架與預(yù)埋在擋砟墻處T形鋼栓接。無聲屏障時人行道寬0.8m，有聲屏障時人行道寬1.3m。單、雙線連續(xù)梁橋面布置如圖3、圖4所示。

圖3 單線梁橋面布置(直線有聲屏障)(單位:mm)

圖4 雙線梁橋面布置(曲線無聲屏障)(單位:mm)

4.2 截面尺寸

梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)，梁底下緣按二次拋物線變化。單線箱梁底寬4.0m，頂寬4.9m。雙線箱梁底寬6.0m，線間距4.0～5.0m時，頂寬8.9～9.9m。線間距大于4m時，相應(yīng)增加翼緣懸臂板長度。底板厚度按直線線性變化，腹板厚按折線變化，底板、腹板、頂板局部向內(nèi)側(cè)加厚。全聯(lián)在端支點、中跨跨中及中支點處設(shè)橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。各跨度連續(xù)梁截面主要尺寸見表3。

表3 截面尺寸 cm

4.3 主要設(shè)計原則

(1)梁體構(gòu)造

直、曲線梁合并設(shè)計，雙線梁線間距大于4m時，保持箱體不變，僅根據(jù)線間距的變化相應(yīng)增加翼緣懸臂板長度。曲線上梁按曲梁曲做布置，梁體輪廓、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束及管道等沿徑向依據(jù)曲率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，支座亦按徑向布置。

為滿足兩端梁端預(yù)應(yīng)力筋張拉操作空間，在梁端預(yù)留0.5m深張拉槽。

懸臂施工、支架現(xiàn)澆施工連續(xù)梁截面尺寸相同。

支架現(xiàn)澆施工不采用一次現(xiàn)澆施工，按大節(jié)段現(xiàn)澆設(shè)計，跨中設(shè)2m合龍段。一次現(xiàn)澆混凝土量較大，除考慮施工現(xiàn)場混凝土供應(yīng)能力難以保證外，主要考慮支架所受荷載很大，引起的支架沉降值較大，且支架的不均勻沉降難以控制。采取大節(jié)段現(xiàn)澆，不僅可以減少支架的沉降，而且分段處可以作為縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固面，給設(shè)計配束帶來很大方便。施工時支架可以倒用，可減少支架用量和施工作業(yè)面，方便施工。

(2)預(yù)應(yīng)力筋

采用包絡(luò)設(shè)計，直、曲線梁預(yù)應(yīng)力鋼束的截面布置、形狀、錨下張拉控制應(yīng)力相同，僅根據(jù)受力需要調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格，以方便施工。

梁體不設(shè)橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋，僅設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。適當(dāng)加強(qiáng)腹板束，以提高全梁的承載力。設(shè)計中沒有采用連續(xù)梁慣用的三向預(yù)應(yīng)力體系，主要基于以下方面的考慮:

①本設(shè)計連續(xù)梁橋面寬度較窄，且翼緣板懸臂長度較小。線路中心線位于腹板附近，活載橫向效應(yīng)小。同時對比、參考同等類型、同樣橋面寬度或更寬的簡支箱梁，其橋面橫向均不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。橋面不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，僅配普通鋼筋，結(jié)構(gòu)受力可完全滿足要求。

②國內(nèi)外很多實例表明，連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力的損失很大，有的幾乎損失殆盡，其所起到的作用十分有限。因而連續(xù)梁設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋，僅作為一種安全儲備。實際施工普遍存在工期緊張，孔道壓漿不密實。設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋不僅沒有起到安全儲備的作用，反而在梁體內(nèi)留下一個個空洞，對截面削弱相當(dāng)大。設(shè)計中在設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋處很難做到其孔道與橋面板橫向鋼筋、腹板箍筋不沖突，施工時勢必截斷大量梁體普通鋼筋，而施工中又難以做到等強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)。鑒于豎向預(yù)應(yīng)力筋損失大，易失效，施工質(zhì)量難以保證，本設(shè)計取消豎向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置。

③不設(shè)橫、豎向預(yù)應(yīng)力束，施工時不用預(yù)埋相應(yīng)孔道，省去了張拉和施工后的封錨工作。不僅可簡化施工程序，且混凝土一次澆筑成型，能有效保證混凝土密實和施工質(zhì)量，亦可防止封錨處防水處理不好，對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不利影響。

(3)普通鋼筋

縱向普通鋼筋按構(gòu)造配置，采用φ12@100或φ16@150。腹板箍筋除按橫向計算確定外，尚需按斜截面強(qiáng)度計算確定。在頂?shù)装迳舷聦?、腹板?nèi)外側(cè)鋼筋網(wǎng)間設(shè)置φ12拉筋，拉筋縱橫向按300 mm×300 mm間距梅花形布置，以保證鋼筋網(wǎng)的整體性和穩(wěn)定性。為防止彎曲段底板的縱向預(yù)應(yīng)力筋崩出，沿底板預(yù)應(yīng)力鋼筋凸曲線段設(shè)置φ12@100防崩鋼筋。

(4)支座

采用鐵路連續(xù)梁球形鋼支座，支座設(shè)于腹板下方，以有效傳力，并增強(qiáng)梁體橫向穩(wěn)定性。在支點處橫向局部加寬，以減少支座處局部應(yīng)力。因梁端留有0.5m深張拉槽，邊支點支座處應(yīng)做檢算，防止封端前因尺寸過小混凝土發(fā)生局部破壞。

4.4 主要計算結(jié)果

各跨度連續(xù)梁(曲線線間距5.0m)在主力下最小強(qiáng)度安全系數(shù)、最小抗裂安全系數(shù)、主跨跨中下緣混凝土最小壓應(yīng)力、殘余徐變拱度、靜活載下梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比等主要計算結(jié)果見表4。

表4 計算結(jié)果(主力)

由表4中計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度等均滿足規(guī)范要求，具有足夠的承載力。結(jié)構(gòu)在靜活載下的梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比均較小，設(shè)計主要由強(qiáng)度和應(yīng)力控制。

5 設(shè)計要點

(1)重載鐵路軸重大，與標(biāo)準(zhǔn)中活載相比，其活載效應(yīng)要增大25%～35%左右。由表3可知，截面高跨比約為1/12，同樣跨度的梁，重載下梁高比標(biāo)準(zhǔn)中活載下要大。當(dāng)然，混凝土、鋼絞線單位用量指標(biāo)也比標(biāo)準(zhǔn)中活載下要大。重載鐵路活載效應(yīng)大，亦應(yīng)有一定的安全儲備，不可片面追求結(jié)構(gòu)的輕型化，而降低結(jié)構(gòu)的安全度。

因結(jié)構(gòu)沒有配置橫、豎向預(yù)應(yīng)力筋，梁體普通鋼筋量較大，但結(jié)構(gòu)的材料、施工總費用要省。另外，因鋼束布置構(gòu)造上的原因，采用支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼束用量比懸臂施工略偏多。

(2)根據(jù)《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》(TB10002.3—2005)，梁斜截面主拉應(yīng)力 σtp為

由上式可知，無論縱向預(yù)加應(yīng)力σcx多大，只要不配置豎向預(yù)應(yīng)力(即σcy=0)，截面總會存在主拉應(yīng)力。因此，配置豎向預(yù)應(yīng)力可以減少或消除主拉應(yīng)力。理論上講，配置適當(dāng)?shù)呢Q向預(yù)應(yīng)力即可使截面不產(chǎn)生主拉應(yīng)力。同本文前面所述的原因，豎向預(yù)應(yīng)力筋損失大(尤其當(dāng)梁高較小時)，施工質(zhì)量難以保證，易失效。故設(shè)計中配置豎向預(yù)應(yīng)力筋僅作為一種安全儲備，一般不考慮其對減少主拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)。

結(jié)構(gòu)不設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力筋，可通過適當(dāng)加大腹板厚度和縱向預(yù)應(yīng)力束的配置，將結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力控制在合適水平。同時應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)腹板箍筋，以保證結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)梁高較大或截面尺寸受限時，可配置適當(dāng)豎向預(yù)應(yīng)力筋，以減少主拉應(yīng)力。此時應(yīng)特別注意采用切實有效的措施，以保證豎向預(yù)加應(yīng)力的有效性。

(3)預(yù)應(yīng)力鋼束的平、豎彎角度不宜太大，一般不宜超過15°，并應(yīng)盡量減少鋼束平彎，以方便施工。齒塊處過大的豎彎角度，不僅增大預(yù)應(yīng)力損失，而且產(chǎn)生的局部應(yīng)力較大，錨固處易產(chǎn)生裂縫。當(dāng)然，若角度太小，齒塊的縱向尺寸會較大，往往會給結(jié)構(gòu)布置帶來困難，設(shè)計中要綜合考慮。

(4)鋼束應(yīng)優(yōu)先錨固在頂板、腹板相交區(qū)域，因為此處厚度較大，能可靠承受此處的集中錨固力。鋼束錨固處錨墊板布置應(yīng)滿足相關(guān)產(chǎn)品最小間距要求，且錨板中心距、錨板至結(jié)構(gòu)輪廓距離不應(yīng)同時取最小值。考慮結(jié)構(gòu)最小保護(hù)層要求和布置輪廓最外層普通鋼筋，錨墊板邊緣距結(jié)構(gòu)輪廓60 mm是適宜的。

(5)若齒塊錨固在頂、底板中部，在錨固力作用下齒塊與頂、底板相交處及其后部受拉，易產(chǎn)生裂縫，故齒塊最好能靠近腹板錨固，并以斜面過度與結(jié)構(gòu)頂、腹板或底、腹板連成一體，以便鋼束錨固力快速傳至腹板擴(kuò)散至全截面受力?？紤]到鋼束張拉空間要求，鋼束中心距腹板距離可取0.3～0.5m。

(6)根據(jù)《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》(TB10002.3—2005)附錄C計算斜截面抗剪強(qiáng)度，腹板箍筋配置偏多。附錄C中抗剪強(qiáng)度公式適用于等高簡支梁，對于變高度連續(xù)梁可以參考《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)計算。

(7)《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》(TB10002.3—2005)規(guī)定在檢算破壞階段的截面強(qiáng)度時，可不計預(yù)加力產(chǎn)生的二次力的影響。而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2002)規(guī)定在承載力計算時應(yīng)考慮次內(nèi)力。對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，是否考慮預(yù)加力產(chǎn)生的二次力對跨中截面或中支點其荷載效應(yīng)會增大或減少，設(shè)計時應(yīng)予注意。

6 結(jié)束語

本線設(shè)計活載為1.2 ZH荷載，載重大。由于活載的加大，在動力、疲勞性能等方面對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)山西中南部鐵路通道采用的活載標(biāo)準(zhǔn)，在理論計算的基礎(chǔ)上建立平面桿系模型及空間模型進(jìn)行分析，完成山西中南部鐵路通道常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計。

設(shè)計從結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)靜動力特性等方面進(jìn)行了深入研究，保證其滿足未來大能力貨運(yùn)運(yùn)輸?shù)男枰?。設(shè)計中靜力設(shè)計與動力設(shè)計相結(jié)合，使結(jié)構(gòu)能適應(yīng)重載鐵路軸重大、運(yùn)量大的特點，保證列車運(yùn)行安全性。設(shè)計充分考慮了重載鐵路的特點，梁體采用單箱單室截面，受力明確、施工方便、節(jié)省材料用量，結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎、抗扭剛度，并在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上，對構(gòu)造細(xì)節(jié)、預(yù)應(yīng)力鋼束和梁體普通鋼筋布置進(jìn)行多次優(yōu)化，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，對同類型鐵路橋梁設(shè)計具有較大參考意義。

［1］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

［2］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

［3］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，2011

［4］中華人民共和國交通部．JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004

［5］中華人民共和國建設(shè)部．GB50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002

［6］范立礎(chǔ)．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］．北京:人民交通出版社，1988

［7］張繼堯，王昌將．懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］．北京:人民交通出版社，2004