侯建軍,徐升橋,鄧運清

(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 概述

我國既有時速200 km及以下客貨共線鐵路橋梁梁型選取T梁，主要考慮到以前鐵路建設(shè)過程中橋梁的制、運架模式，制造廠集中制造、鐵路平板車運輸架設(shè)[1]。為保證橋梁運輸限界和質(zhì)量滿足運輸要求，我國客貨共線鐵路長期采用了多片式組合T梁結(jié)構(gòu)。隨著我國客貨共線鐵路設(shè)計理念的更新和施工技術(shù)的進(jìn)步，橋梁比例逐漸增大，原有組合T梁外加人行道角鋼支架設(shè)計將必然導(dǎo)致人行道角鋼支架維護(hù)工作量的增加。同時隨著鐵路建設(shè)對環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，使得橋上設(shè)置聲屏障數(shù)量日益增加。從安全、美觀等方面考慮，原有角鋼支架上設(shè)置聲屏障的結(jié)構(gòu)形式存在很多不利因素。

隨著我國鐵路建設(shè)快速發(fā)展，橋梁施工技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)場制梁技術(shù)已普遍推廣使用，運架工藝有了飛躍發(fā)展，橋梁的運輸已不再是橋梁設(shè)計的瓶頸[2]。箱梁結(jié)構(gòu)具有受力明確、形式簡潔、外形美觀、抗扭剛度大，建成后的橋梁養(yǎng)護(hù)工作量小，以及噪聲小等優(yōu)點，同時整體橋面結(jié)構(gòu)為設(shè)置聲屏障提供了良好的基礎(chǔ)條件，也保證了橋面擋砟墻防沖撞受力性能，因此箱梁結(jié)構(gòu)在我國鐵路工程建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[3-6]。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計速度

旅客列車設(shè)計最高速度160、200 km/h；貨物列車設(shè)計速度120 km/h。

2.2 線路情況

新建客貨共線鐵路，單線及雙線鐵路，時速200 km客貨共線鐵路最小曲線半徑為2 800 m；時速160 km客貨共線鐵路最小曲線半徑為1 200 m[7]。

2.3 跨度系列[8-12]

分為4個跨度系列，分別為31.5、23.5 m(高高度)、23.5 m(普高度)、19.5 m；

2.4 施工方法

梁場集中預(yù)制，架橋機架設(shè)施工。

2.5 設(shè)計荷載

(1)二期恒載：包括道砟、線路設(shè)備及橋面附屬設(shè)備等重力。其中軌底枕下道砟厚度：時速160 km線路取300 mm；時速200 km線路取350 mm。

(2)活載：中-活載。

(3)列車脫軌荷載：豎向荷載根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[8]辦理；橫向荷載根據(jù)相關(guān)科研研究成果，設(shè)計按200 kN/m考慮。

(4)風(fēng)荷載

一般地區(qū)風(fēng)壓強度：有車時W=1 250 Pa，無車時W=1.3×1.13×1 400 Pa=2 056.6 Pa計算；

臺風(fēng)地區(qū)按無車情況下風(fēng)速不大于60 m/s進(jìn)行檢算，基本風(fēng)壓W0=2 250 Pa，風(fēng)壓強度按照W=K1×K2×K3×W0計算，其中K1=1.3，K2=1.13，K3=1.0。

其中聲屏障高度按2.15 m和3.15 m分別進(jìn)行計算；臺風(fēng)地區(qū)聲屏障高度不高于2.15 m。

(5)列車氣動力采用0.35 kPa，動力放大系數(shù)按2.5計算。

3 結(jié)構(gòu)梁型

3.1 單線箱梁

客貨共線鐵路中單線橋梁占據(jù)比例較大，特別是樞紐范圍內(nèi)聯(lián)絡(luò)線橋梁，其既有設(shè)置聲屏障的需要，同時對景觀設(shè)計也尤為重要，單線箱梁結(jié)構(gòu)在客貨共線箱梁將占很大比例。

3.2 雙線并置箱梁

客貨共線鐵路雙線橋梁曲線地段線間距頻繁變化，且變化幅度較大，雙線鐵路采用雙線并置箱梁可以更好適應(yīng)這一特點，通過調(diào)整兩榀箱梁間距來適應(yīng)線間距變化要求，而且還可以和單線橋梁實現(xiàn)平順過渡，在設(shè)計過程中還可以兼顧單線箱梁外形模板的匹配。

3.3 雙線整孔箱梁

在我國客運專線建設(shè)中雙線整孔箱梁得到了大量的應(yīng)用，其制、運架梁技術(shù)相對成熟，充分考慮箱梁運架設(shè)備的兼容性，客貨共線雙線橋梁亦采用整孔箱梁形式。

客貨共線鐵路簡支箱梁設(shè)計分別采用雙線整孔箱梁、雙線并置箱梁、單線箱梁3種結(jié)構(gòu)形式[4]。

4 橋面布置

客貨共線鐵路橋面寬度應(yīng)滿足橋面附屬設(shè)施構(gòu)造布置需要，橋面寬度主要取決于線路線間距和曲線半徑、大機養(yǎng)護(hù)限寬、建筑限界、作業(yè)維修通道、電纜槽寬度等因素。為進(jìn)一步優(yōu)化橋面寬度，橋面附屬構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

(1)雙線箱梁將橋面電力電纜槽移至箱內(nèi)，通過腹板內(nèi)側(cè)設(shè)置托架固定，需要引出上下橋時，預(yù)留專門通道和爬架。

(2)客貨共線鐵路接觸網(wǎng)立柱及基礎(chǔ)受力較客運專線要小，優(yōu)化接觸網(wǎng)立柱及其基礎(chǔ)尺寸，接觸網(wǎng)H型鋼柱厚度采用280 mm。

(3)單線箱梁考慮電力、通信信號電纜槽分側(cè)設(shè)置，兩側(cè)翼緣板采用對稱結(jié)構(gòu)。

綜合各因素，客貨共線鐵路橋面寬度：時速200 km雙線整孔箱梁橋面寬度為11.6 m；單線箱梁橋面寬度為7.1 m；時速160 km雙線整孔箱梁橋面寬度為11.4 m；單線箱梁橋面寬度為7.1 m；雙線并置箱梁橋面寬度依據(jù)線間距加寬值Δ確定。各種箱梁橋面布置示意見圖1～圖6。

圖1 200 km/h鐵路雙線整孔箱梁橋面布置(單位：mm)

圖2 200 km/h鐵路單線箱梁橋面布置(單位：mm)

圖3 200 km/h鐵路雙線并置箱梁橋面布置(單位：mm)

圖4 160 km/h鐵路雙線整孔箱梁橋面布置(單位：mm)

圖5 160 km/h鐵路單線箱梁橋面布置(單位：mm)

圖6 160 km/h鐵路雙線并置箱梁橋面布置(單位：mm)

5 主要截面尺寸及工程數(shù)量

客貨共線箱梁在滿足各項功能及安全的前提下，其經(jīng)濟(jì)性要求更高，盡量優(yōu)化箱梁尺寸構(gòu)造，減少箱梁造價。

5.1 主要截面尺寸

(1)底板厚度：考慮預(yù)應(yīng)力管道布置構(gòu)造需要，同時兼顧縱橫向鋼筋布置的空間影響，單線箱梁、雙線并置箱梁底板厚度取250 mm；雙線整孔箱梁還應(yīng)考慮單線荷載作用下底板受力需要，底板厚度取280 mm。

(2)腹板厚度：滿足箱梁結(jié)構(gòu)受力的同時，應(yīng)滿足預(yù)應(yīng)力管道布置構(gòu)造需要，采用單排管道布置時：單線箱梁、雙線并置箱梁采用小噸位錨具，腹板厚度取240 mm；雙線整孔箱梁采用大噸位錨具，腹板厚度取360 mm。

(3)頂板厚度：根據(jù)箱梁寬度結(jié)合橋面板承載需要確定，雙線整孔箱梁頂板厚取250 mm；單線箱梁、雙線并置箱梁頂板厚度取220 mm。

(4)梁高：設(shè)計選用梁高與既有客貨共線鐵路T梁梁高一致，時速200 km跨度32 m箱梁梁高2.7 m；跨度24 m普通高度梁高2.2 m；時速160 km跨度32 m箱梁梁高2.5 m；跨度24 m普通高度梁高2.1 m。

(5)景觀設(shè)計：雙線整孔箱梁腹板斜度為1∶5，倒角圓弧統(tǒng)一采用R=300 mm；單線箱梁、雙線組合箱梁采用直腹板形式，倒角圓弧統(tǒng)一采用R=200 mm。

客貨共線鐵路箱梁截面尺寸見圖7～圖9。

圖7 200 km/h(160 km/h)鐵路雙線整孔箱梁截面

圖8 200 km/h(160 km/h)鐵路單線箱梁截面(單位： mm)

圖9 200 km/h(160 km/h)鐵路雙線并置箱梁截面(單位：mm)

5.2 主要工程數(shù)量

對比分析時速200、160 km客貨共線鐵路角鋼支架組合T梁、整體橋面組合T梁、簡支箱梁主要工程數(shù)量，以常用跨度31.5 m為例，各類型梁體主要工程數(shù)量見表1、表2。

表1 時速200 km客貨共線鐵路跨度31.5 m梁工程數(shù)量

注：斜線上方為不設(shè)聲屏障梁數(shù)量；斜線下方為設(shè)置聲屏障梁數(shù)量。

表2 時速160 km客貨共線鐵路跨度31.5 m梁工程數(shù)量

注：斜線上方為不設(shè)聲屏障梁數(shù)量；斜線下方為設(shè)置聲屏障梁數(shù)量。

綜上比較，簡支箱梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線數(shù)量比組合T梁均有所降低，混凝土和鋼筋數(shù)量比角鋼支架組合T梁數(shù)量增加，但比整體橋面組合T梁數(shù)量要減少。在橋梁比例較大的鐵路中，簡支箱梁將有一定經(jīng)濟(jì)性。

6 主要設(shè)計特點

6.1 大噸位錨具體系

客貨雙線鐵路整孔箱梁腹板采用單排管道、大噸位錨具設(shè)計，有效減少腹板厚度，降低造價，同時由于預(yù)應(yīng)力鋼束減少，有效簡化了現(xiàn)場張拉施工工藝[12-15]。

(1)錨下局部應(yīng)力分析是大噸位錨具使用過程中重要一環(huán)，在開展大噸位錨具錨下局部應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，聯(lián)合柳州OVM錨具廠進(jìn)行局部實體模型模擬試驗，為大噸位錨具在鐵路簡支箱梁中的使用奠定基礎(chǔ)。

(2)《鐵路工程預(yù)應(yīng)力用夾片錨具、夾具和連接器技術(shù)條件》修編補充完善了大噸位錨具相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為27孔以下大噸位錨具推廣使用提供技術(shù)支持。

(3)大噸位錨具(27孔)已在長吉客專長春永寧特大橋等建設(shè)中成功應(yīng)用。

綜合上述理論分析和實踐經(jīng)驗，大噸位錨具體系已成為鐵路簡支箱梁發(fā)展趨勢。但大噸位錨具張拉過程中梁端局部應(yīng)力較為復(fù)雜，特別在腹板與頂、底板交角位置，由于張拉變形影響產(chǎn)生較大主拉應(yīng)力。通過建立空間實體模型分析模擬張拉過程，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束布置及張拉順序，保證張拉過程中安全性。見圖10。

6.2 封錨構(gòu)造

為加強封錨混凝土耐久性，設(shè)計增加了錨穴內(nèi)凹槽構(gòu)造，通過端模錨穴模板固定橡膠套，拆模完成后抽出內(nèi)橡膠套形成凹槽，保證封錨混凝土與梁體混凝土更好的連接。見圖11。

圖10 大噸位錨具張拉過程模擬分析

圖11 錨穴內(nèi)凹槽實景

6.3 鋼筋配置

普通鋼筋設(shè)計采用HPB300鋼筋及HRB400(HRB500)鋼筋，在充分發(fā)揮高強鋼筋作用的同時，進(jìn)一步優(yōu)化鋼筋布置，梁體跨中部分橫向鋼筋間距設(shè)置調(diào)整為125 mm，更加有利于混凝土灌筑需要。同時為更加規(guī)范現(xiàn)場梁體鋼筋綁扎，設(shè)計中對箱梁預(yù)留孔位置鋼筋采用截斷，并采取構(gòu)造措施保證其受力需要，便于施工現(xiàn)場控制。

6.4 支座布置

設(shè)計箱梁橫向支座中心距離最大為4 m，支座布置采用橫向雙固定和雙縱向活動支座設(shè)置，在滿足支座橫向伸縮需要的同時，更加有利于支座抗震設(shè)計[13]。

6.5 擋砟墻設(shè)計

擋砟墻作為高阻擋構(gòu)造物，設(shè)計荷載考慮了橫向脫軌力200 kN/m影響，擋砟墻高度應(yīng)不低于軌頂高程，根部厚度為250 mm，墻體采用C40混凝土，配置HRB500高強鋼筋，具體鋼筋布置見圖12。

圖12 擋砟墻豎向鋼筋配筋圖示(單位：mm)

擋砟墻構(gòu)造上沿墻縱向設(shè)置斷縫，斷縫間距由常規(guī)2 m調(diào)整為4 m間距設(shè)置，為保證墻體橫向剪力傳遞，斷縫處設(shè)置3肢φ20 mm的抗剪鋼筋，抗剪鋼筋與擋砟墻以套筒絕緣，避免擋砟墻參與梁體縱向受力。擋砟墻斷縫抗剪配筋布置見圖13。

圖13 擋砟墻斷縫抗剪配筋圖示(單位：mm)

6.6 箱內(nèi)電纜槽設(shè)置

為減小橋面寬度，單線箱梁電力電纜槽和通信信號電纜槽分側(cè)設(shè)置；雙線箱梁通信信號電纜槽設(shè)置于橋面人行道板下方，電力電纜槽設(shè)置于箱梁內(nèi)腔中，通過箱梁腹板預(yù)埋套筒，固定電纜槽托架支撐電纜槽。當(dāng)電力電纜有上下橋需要時，箱梁預(yù)制過程中，在電纜上下橋位置梁端底板設(shè)置直徑為200 mm的預(yù)留孔，以便電纜上下橋用，具體見圖14。

圖14 箱內(nèi)電纜槽設(shè)置示意

6.7 避車臺及檢查梯設(shè)置(圖15)

對于時速200 km客貨共線鐵路箱梁，根據(jù)《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》(鐵運[2012]280號)的規(guī)定，新建時速200 km鐵路的上線檢修工作必須在天窗時間內(nèi)進(jìn)行，天窗時間外不得進(jìn)入橋面。本次設(shè)計將作業(yè)通道欄桿內(nèi)側(cè)至線路中心的凈距限值由3.75 m改為3.25 m，并不設(shè)置避車臺。

對于時速160 km客貨共線鐵路箱梁，考慮車輛通行期間檢修作業(yè)需要設(shè)置避車臺，避車臺沿橋梁全長每隔30 m左右設(shè)置1處，對于常用跨度標(biāo)準(zhǔn)簡支梁，避車臺設(shè)置于梁端處。通過欄桿或聲屏障遮板設(shè)置預(yù)埋T鋼，T鋼連接角鋼支架方式設(shè)置避車臺。

圖15 避車臺示意(單位：mm)

當(dāng)需要設(shè)置避車臺至橋墩檢查梯時，梁體預(yù)制時，應(yīng)在梁端位置預(yù)埋相應(yīng)預(yù)埋件，通過預(yù)埋件和避車臺懸掛檢車梯，檢查梯示意見圖16。

圖16 檢查梯布置

6.8 防落梁措施

為保證梁部結(jié)構(gòu)在地震力作用下的安全性能，在設(shè)防烈度為7度或8度地震區(qū)的梁與墩之間設(shè)置防落梁設(shè)施。在地震動峰值A(chǔ)g≤0.15g地區(qū)，梁部結(jié)構(gòu)僅考慮橫向限位；在地震動峰值0.15g

圖17 地震動峰值A(chǔ)g≤0.15g地區(qū)梁部防落梁構(gòu)造平面(單位：mm)

圖18 地震動峰值0.15g

6.9 小曲線半徑梁端處理

箱梁位于小曲線半徑區(qū)段時，外側(cè)梁縫寬度隨著曲線半徑減小逐漸增加，考慮到梁端梁縫受力需要，應(yīng)結(jié)合曲線半徑、梁型、跨度等因素分級確定箱梁梁端加寬值，梁端加寬t值見表3，梁體制造過程中采取在梁端頂板增加懸臂構(gòu)造處理，見圖19。

表3 小曲線半徑區(qū)段箱梁梁端加寬t值 mm

圖19 小曲線半徑區(qū)段箱梁梁端處理示意

6.10 過隧運輸

對于時速200 km客貨共線箱梁，為保證運梁凈空要求，當(dāng)隧道的隧底填充按二次鋪砌施工時，按照鐵路箱梁運架一體機低位進(jìn)行過隧運梁，單線、雙線箱梁可以通過隧道。

對于時速160 km客貨共線箱梁，隧道內(nèi)襯間最大寬度小于箱梁橋面寬度，整孔運輸過隧困難。雙線箱梁可考慮采用并置箱梁方式。

6.11 線間距變化調(diào)整

客貨共線鐵路箱梁設(shè)計，線間距及曲線加寬值均按照規(guī)范要求最小值執(zhí)行，當(dāng)設(shè)計線間距大于最小值時，對于雙線整孔箱梁應(yīng)根據(jù)加寬值適當(dāng)調(diào)整橋面寬度，滿足橋面附屬構(gòu)造布置需要；對于雙線并置箱梁應(yīng)核實兩榀箱梁間距，保證鐵蓋板受力，必要時要加大單榀箱梁內(nèi)側(cè)懸臂長度，以減小兩榀箱梁橫向縫隙寬度。

7 結(jié)語

在我國客貨共線鐵路建設(shè)中，簡支箱梁采用集中預(yù)制，架橋機架設(shè)，不僅能夠縮短橋梁施工工期，而且易于控制施工質(zhì)量，是對客貨共線鐵路建設(shè)中組合T梁結(jié)構(gòu)形式的必要補充。通過借鑒既有整孔箱梁設(shè)計經(jīng)驗，以及大噸位錨具等一系列新技術(shù)、新工藝的采用，客貨共線鐵路箱梁的自重大幅減小，如32 m雙線整孔箱梁質(zhì)量僅為643.5 t，使整孔箱梁具有較好的適應(yīng)性，建議在客貨共線鐵路設(shè)計中結(jié)合具體線路實際情況，進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比選，確定合理橋梁結(jié)構(gòu)形式。