汪鵬翔，劉玉亮，徐升橋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院，北京　100055)

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時速160 km城際鐵路簡支T梁設計研究

汪鵬翔，劉玉亮，徐升橋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院，北京100055)

簡支T梁在客貨共線鐵路中廣泛應用，將其應用于城際鐵路橋梁中需要其滿足城際鐵路在環(huán)境、外觀、空間上的要求。設計優(yōu)化T梁的橋面布置和梁體結構，外側支架采用鋼-混凝土組合板結構，可安裝聲屏障?？朔顺Ｒ?guī)T梁整體性不足的缺點，在經濟上和施工靈活性上繼續(xù)保持其一貫優(yōu)勢。其在城際鐵路橋梁中有推廣應用價值，并為其他鐵路T梁設計提供借鑒。

城際鐵路；預應力混凝土；簡支梁；T梁；設計

1　概況

城際鐵路是聯(lián)系城市群間的快速鐵路客運專線，城際鐵路的發(fā)展一直跟隨著快速客運專線鐵路的發(fā)展。從最早20世紀60年代就開通運營的日本新干線，到20世紀80年代的法國的TGV、德國的ICE和英國的APT開通運營[1]，高速鐵路已經取得了幾十年的發(fā)展經驗。與之相比較，中國高速鐵路的發(fā)展起步較晚，但從2008年京津城際開通至2015年年底中國高速鐵路營業(yè)里程達1.9萬多km，已經超過世界其他國家所有高速鐵路通車總里程。在各國高速鐵路中，除日本和西班牙少量常用跨度鐵路橋梁采用了T梁外，其余大部分采用了簡支箱梁。

我國2001年把適當發(fā)展城際鐵路列入了“十五”規(guī)劃， 2008 年在調整的《中長期鐵路網規(guī)劃》提出，在環(huán)多個經濟發(fā)達和人口稠密地區(qū)建設城際客運系統(tǒng)，覆蓋區(qū)域內主要城鎮(zhèn)[2-4]。早期對城際鐵路沒有時速規(guī)定，2015年3月1日起頒布實施《城際鐵路設計規(guī)范》(TB10623—2014)，規(guī)范規(guī)定：城際鐵路是指專門服務于相鄰城市間或城市群，旅客列車設計速度200 km/h及以下的快速、便捷、的交通設施。為促進橋梁結構在城際鐵路中的標準化建設，國家鐵路局組織對200 km/h和160 km/h的有砟、無砟軌道常用跨度簡支梁進行了設計研究。

2　城際鐵路T梁設計意義

城際鐵路的定位主要為滿足經濟發(fā)達、人口稠密地區(qū)中短途旅客運輸需要，其對環(huán)保和景觀設計都有較高的要求。而橋梁作為城際鐵路的主要組成部分，規(guī)范中明確了城際鐵路橋梁結構應簡潔、美觀、力求標準化、便于施工和養(yǎng)護維修。

橋梁結構上，預應力混凝土橋梁因為其剛度大、噪聲低、溫度敏感性低、養(yǎng)護維護簡單以及造價低的特點，數量占有絕對優(yōu)勢。鐵路常用跨度預應力混凝土簡支梁主要采用箱梁與T梁兩種形式，簡支T梁為分片式組合結構，采用梁場集中預制，分片運輸和架設的施工方法。由于單片預制T梁體積小、質量輕，可利用既有鐵路進行遠距離運輸，架設方法靈活[5]，與箱形梁相比，不需要采用專門的大型運輸和架梁設備，因此在時速200 km以下的鐵路建設中得到了廣泛應用。為滿足我國大量城際鐵路建設的需要，選擇科學合理的橋梁形式，對常用跨度預應力混凝土簡支箱梁和簡支T梁在城際鐵路上應用進行了對比，根據《城際鐵路常用跨度簡支梁的合理結構型式》研究成果，經技術經濟綜合分析，時速160 km及以下常用跨度簡支T 梁經濟優(yōu)勢明顯，宜優(yōu)先選用[6]。

因此，設計安全、經濟、美觀的城際混凝土簡支T梁，為積極響應城際鐵路橋梁的標準化建設，促進我國城際鐵路建設和應用，具有重要意義。

3　設計內容

3.1設計目標

160 km/h城際鐵路簡支T梁包含32、24、20、16 m 4個常用跨度，在設計重點問題上達到如下目標：(1)結構承載力、梁體變形達到新規(guī)范要求；(2)滿足160 km/h及以下列車動力特性和行車舒適性要求；(3)方便應用于人口稠密的居住區(qū)，滿足環(huán)境保護要求；(4)滿足經濟性要求；(5)滿足耐久性，外觀美觀性要求，達到簡潔、便于維護的目標；(6)滿足預制、架設方便快捷的要求，便于大量集中預制和遠距離分片架設[7-8]。

3.2設計難點

國內外客運專線鐵路常用跨度簡支梁的主導型式是箱形截面梁[9]，我國在客貨共線鐵路中較多地采用了T形截面梁，客貨共線T梁均為有砟軌道橋梁，橋上設護輪軌，擋砟墻外側設人行道角鋼支架鋪鋼筋混凝土人行道板。當需要在T梁上設置城際鐵路廣泛要求的聲屏障時，通常采用邊梁增加現澆橋面板的方式，不僅增加了工程造價，而且效果差、施工不便。因此減少T梁工程量、優(yōu)化施工工藝、增強T梁整體性成為設計難點。

3.3技術創(chuàng)新點

(1)T梁人行道采用了鋼-混凝土組合板結構，橋面的整體性與箱梁基本相當，可確保橋上檢修人員通行的安全，并預留了聲屏障安裝條件；人行道鋼橫梁上設有壓型鋼板，可作為人行道現澆混凝土板的模板，施工便利，質量易于保證。

(2)根據城際鐵路的特點，對預制梁的輪廓尺寸及鋼筋配置進行了優(yōu)化，與國內鐵路常用的客貨共線鐵路簡支T梁相比，顯著地減少了工程數量，特別是設聲屏障地段，極大程度降低了工程造價。

(3)人行道鋼結構與預制梁的連接采用了防護墻上預埋套筒的連接方案，解決了預制梁模板制作困難的問題，降低了施工難度。

4　主要技術標準

4.1主要標準

(1)設計速度：160 km/h及以下。

(2)標準段線間距：單線；雙線線間距4.0 m。

(3)曲線半徑：滿足結構承載力的最小曲線半徑，800 m(跨度32 m)，300 m(跨度16 m)。

(4)軌道類型：有砟軌道(軌底枕下道砟厚度300 mm)、雙塊式無砟軌道。

4.2設計荷載4.2.1恒載

恒載包括自重、線路設備、軌道板或道砟枕木、人行道鋼結構和現澆人行道組合板、現澆防護墻、電纜槽、橫隔板和濕接縫、防水層和保護層、聲屏障或欄桿重力。有砟軌底至梁頂的計算高度取650 mm，聲屏障采用非金屬插板式聲屏障荷載進行設計。

4.2.2活載

(1)列車活載：ZC活載，如圖1所示。

圖1　ZC活載圖式(單位：m)

動力系數：

(2)人行道豎向靜活載值為4.0kPa，計算主梁時人行道活載不與列車活載同時組合。人行道組合板按豎向集中荷載1.5kN計算。立柱和扶手按1.0kN的集中荷載檢算。

(3)曲線橋梁上的離心力、橫向搖擺力按《城際鐵路設計規(guī)范》(TB10623—2014)取值。

4.2.3附加力和特殊荷載

風力、溫度力按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》取值，列車氣動力采用0.3kPa，動力放大系數按2.0計算。列車脫軌荷載根據《城際鐵路設計規(guī)范》(TB10623—2014)取值，水平脫軌荷載根據《客貨共線鐵路橋梁不設護軌的技術措施研究》科研研究成果并考慮客車效應按100kN/m進行設計。

5　結構形式

5.1橋面結構

單線梁由2片梁、雙線梁由4片梁組成，各片梁之間通過橋面板和橫隔板處濕接縫連成整體，橫隔板處設置橫向預應力筋。有砟軌道梁擋砟墻內側距離線路中心線2.25m，滿足大機養(yǎng)護的要求和考慮曲線段平分中矢要求；無砟軌道擋砟墻內側距離線路中心1.9m，滿足線路限界要求，無砟軌道橋面根據結構要求預埋連接件。雙線曲線加寬時調節(jié)中間濕接縫的寬度。單線曲線上無砟軌道橋面布置如圖2所示，雙線曲線有砟軌道橋面布置如圖3所示。

圖2　單線曲線上無砟軌道橋面布置(單位：mm)

圖3　雙線曲線有砟軌道橋面布置(單位：mm)

人行道創(chuàng)新性地采用鋼橫梁結構與現澆混凝土板組合橋面形式，防護墻下部預埋套筒，鋼橫梁焊接成整體，采用螺栓與預埋套筒連接。橫梁上鋪設壓型鋼板(厚度2 mm)，壓型鋼板上現澆鋼筋混凝土人行道組合板，組合板與現澆防護墻整體現澆。組合板上可設置欄桿或聲屏障。人行道組合結構如圖4所示。

圖4　人行道組合結構

5.2梁體結構5.2.1上翼緣尺寸確定

上翼緣的寬度根據橋面板布置和濕接縫的取值確定，通過合理布置各梁片中心距，考慮單片梁梁體截面重心盡可能與腹板中心線一致，以減小預應力橫向偏心產生的影響。橋面板結構設計時還考慮了簡化模板和方便脫模的要求[10]，以此確定各梁上翼緣寬度。上翼緣的厚度根據受力分析確定。

有砟軌道單線梁腹板中心距2.66 m，雙線梁邊梁與中梁腹板中心距2.33 m，中梁與中梁之間中心距2.00 m。有砟軌道邊梁上翼緣寬2.25 m，中梁上翼緣寬1.70 m。無砟軌道單線梁腹板中心距2.33 m，雙線梁邊梁與中梁腹板中心距2.165 m，中梁與中梁之間中心距2.00 m。無砟軌道邊梁上翼緣寬1.90 m，中梁上翼緣寬1.70 m。有砟軌道、無砟軌道上翼緣最薄處均為185 mm。

5.2.2下翼緣尺寸確定

下翼緣尺寸應滿足預應力筋布置的需要、施工及運營階段結構受力要求、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、標準化等因素確定，本次設計下翼緣寬度取0.76 m，跨中下翼緣厚度0.30 m。

5.2.3腹板厚度

T梁的腹板厚度從受力角度上考慮，不僅需要在施工及運營階段抗彎、抗剪達到設計要求，同時需要提供足夠的抗扭剛度[11]，并且提供足夠的橫向和豎向穩(wěn)定性。在構造要求上，腹板需要為縱向預應力管道和梁縱橫向普通鋼筋提供足夠的布置空間，還要盡可能地滿足施工的方便。邊、中梁腹板厚度均采用210 mm。

5.2.4梁高

滿足靜力、動力計算要求，滿足相關構造要求，考慮城際鐵路特點盡量減少梁高，節(jié)約橋梁凈空。參考既有客貨共線鐵路T梁，通過對不同的梁高進行計算比較，選取最經濟合理的梁高，32 m梁高2.35，24 m梁高1.80，16 m梁為便于檢修設備的通過，采用與20 m相同的梁高1.50 m。

5.2.5截面尺寸

根據上述梁體主要參數和其他構造上的要求，時速160 km城際鐵路簡支T梁跨中截面尺寸如圖5所示。梁端腹板加厚至440 mm，不同跨度梁下翼緣分別加高至1.0、0.8、0.7 m。

圖5　跨中截面構造(單位：mm)

5.2.6橫隔板設置

同一孔各片預制梁之間通過橋面板及橫隔板濕接縫混凝土聯(lián)成整體[12]，并在梁端等位置設計橫隔板，國內32 m客貨共線鐵路T梁共設9道橫隔板，而采用無砟軌道的日本新干線跨度35 m簡支梁在橋面板未設置橫向預應力筋的情況下也只設置了4道橫梁[13]，日本鐵道構造物等設計標準及解說《混凝土構造物》中規(guī)定：(1)主梁的支點處應設置端橫梁；(2)原則上以15 m以下的間隔設置中間橫梁；(3)要適當配置鋼筋以加強預應力混凝土梁中的橋面板和橫梁的就地灌注部分。考慮到城際鐵路活載比客貨共線鐵路活載小等因素，通過抗扭計算、車橋耦合等分析后，將城際鐵路T梁的橫隔板減少為4道，中間橫隔梁厚350 mm，梁端橫隔梁厚1 m。

6　設計計算結果

6.1縱向平面計算結果

通過優(yōu)化結構設計尺寸及預應力鋼筋的布置，2種軌道形式的4種跨度直、曲線城際T梁各項主要控制指標均滿足規(guī)范要求，其中32 m有砟軌道設聲屏障梁計算結果如表1所示。

6.2橫向橋面板計算結果

橋面板普通鋼筋按照結構承載力要求進行配置，在此過程中充分考慮高強度鋼筋的應用，以達到 “鐵總建設[2013]99號”文關于應用高強度鋼筋以達到節(jié)能減排的要求，有效減少橋面板厚度，減少工程數量和造價。根據計算結果，橋面板上緣橫向鋼筋采用φ12 mm的HRB500鋼筋，下緣橫向鋼筋采用φ12 mm的HRB400鋼筋，防護墻配置φ14 mm的HRB500 鋼筋，鋼筋順橋向間距均為100 mm。橋面板及擋砟墻混凝土及鋼筋應力計算結果如表2所示。

表1　32 m有砟軌道設聲屏障梁主要計算結果匯總

表2　橋面板橫向配筋計算結果

6.3空間分析結果6.3.1整孔梁空間應力分析

采用Ansys建立整孔梁三維實體模型，梁體混凝土、人行道板混凝土部分采用Solid45實體單元；預應力鋼束采用Link8桿單元；鋼橫梁上下翼緣部分采用三維彈性Beam44梁；鋼腹板、人行道板下壓形鋼板采用shell63板單元。混凝土與預應力鋼束單元采用節(jié)點耦合進行模擬、混凝土與鋼橫梁相連的部分也采用節(jié)點耦合方式連接[14]。運營工況下，有砟軌道運營階段雙線活載時順橋向應力云圖如圖6所示。

圖6　有砟軌道雙線活載時順橋向應力云圖

結構在預應力及荷載作用下以順橋向受力為主，梁底有較大壓應力，張拉階段，梁底最大壓應力21.3 MPa。在活載上橋后，隨荷載增加，橋面跨中壓應力增大，單線偏載時梁頂產生最大壓應力10.9 MPa，均滿足規(guī)范設計要求。除梁端預應力筋在錨固點產生局部集中拉應力外，所有工況下全梁均受壓，無拉應力出現。

6.3.2擋砟墻、人行道組合結構應力分析

人行道組合板以下的部分擋砟墻與主梁同時預制，人行道組合板以上部分擋砟墻和人行道組合板整體澆筑，與二期恒載同時作用。計算時考慮人行道組合板下面鋼支架作用，鋼支架的上翼緣與混凝土步板采用節(jié)點耦合的方式進行結合。

通過對擋砟墻及人行道組合板縱、橫向應力計算結果的對比分析，可知現澆擋砟墻及人行道組合板均有必要設置斷縫，且斷縫應設置于同一位置，可有效減少擋砟墻及人行道組合板參與主梁縱向受力并減少應力集中。斷縫按6 m間距設置，設置斷縫的人行道組合板最外側的鋼支架之間增加鋼梁，避免斷縫處人行道組合板懸臂受力。人行道組合板縱向應力云圖如圖7所示，現澆部分最大縱向壓應力6.78 MPa位于跨中段擋砟墻底端，橫向最大拉應力也比較均勻，最大拉應力1.88 MPa位于人行道組合板與擋砟墻相接位置，無應力集中。

圖7　單側人行道組合板縱向應力云圖

6.4動力分析結果

對32 m梁進行車橋動力分析，采用德國高干擾譜樣本和德國低干擾譜樣本，160 km/h有砟和無砟軌道32 m T梁能夠滿足在設計車速和1.1倍設計車速下安全、舒適運行。

7　結語

時速160 km城際鐵路T梁的設計滿足《城際鐵路設計規(guī)范》對城際鐵路橋梁的要求。設計中總結了我國客貨共線鐵路建設和運營維護的經驗，采用多種技術手段，改善了T梁結構，兼有以往鐵路T梁的經濟性和箱梁整體性好的優(yōu)點。為運營階段的檢查維護提供條件，在城際鐵路建設中具有廣闊的應用前景，對其他高速鐵路建設具有重要的參考意義。設計中采用的理念和設計方法在實踐過程中，將隨著城際鐵路的發(fā)展逐步得到檢驗與完善。

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Design and Research of Simply Supported T-Beam for 160 km/h Intercity Railway

WANG Peng-xiang， LIU Yu-liang， XU Sheng-qiao

(Bridge Engineering Design and Research Institute， China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Simply supported T beam is widely used in mixed passenger and freight traffic. Its application to the inter-city railway bridges should meet the requirements for environment， appearance and space. The design optimizes T beam deck layout and structure， the sidewalk steel support employs steel and concrete composite slab structure with sound barriers， which overcome the drawbacks of conventional T-beam of insufficient integrity and maintain the advantages in economy and construction flexibility. It is of great value to be applied to inter-city railway bridges and can be referenced for the design of other railway T beams．

Intercity railway; Prestressed concrete; Simply supported beam; T-Beam; Design

2016-03-17；

2016-04-18

國家鐵路局科技研究計劃頂目(KF2014-043)

汪鵬翔(1983—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學橋梁工程專業(yè)，工學碩士，E-mail：wanwanig@163.com。

1004-2954(2016)09-0063-05

U448.21+7

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.014