重载铁路简支T形梁设计

2011-09-03刘玉亮

铁道标准设计 2011年9期

刘玉亮

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京 100055)

1 重载铁路运输简介

1.1 重载铁路运输概况

20世纪50年代以来，重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的广泛重视，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非、瑞典等国家。世界各国铁路由于运营条件、技术装备水平不同，采用的重载列车运输形式和组织方式也各有特点。为推动世界重载运输的发展，1985年，中国、美国、澳大利亚、加拿大、南非等5国铁路发起成立了国际重载协会。国际重载协会先后于1986年、1994年和2005年3次修订了重载铁路标准。1994年修订标准的要求重载铁路必须满足以下3条中的至少2条:

(1)列车牵引质量至少达到5 000 t;

(2)轴重达到或超过250 kN;

(3)在长度至少为150 km的线路上年运量不低于2 000万 t。

在2005年国际重载协会理事会上，对新申请加入国际重载协会的重载铁路，要求满足以下3条标准中的至少2条:

(1)列车牵引质量不小于8 000 t;

(2)轴重达270 kN以上;

(3)在长度不小于150 km线路上年运量不低于4 000 万 t。

1.2 我国铁路桥梁现状

目前，我国铁路的运营里程已达9万km，在客货共线铁路桥梁中大部分采用的是预应力混凝土简支T形梁，设计活载采用的是中-活载，最大列车轴重250 kN。提高轴重是世界各国重载铁路普遍采用的措施，美国所有一级铁路的标准轴重1990年后已是330 kN。加拿大一级铁路标准轴重已于1995年改为330 kN。澳大利亚BHP重载线路的轴重已经提高到350 kN，巴西卡拉齐斯重载铁路的轴重已经达到300 kN，瑞典重载铁路已将轴重由250 kN提高到300 kN。我国大秦线满足国际重载协会2005年的重载铁路新标准，朔黄、京广、京沪、京哈等干线满足1994年的标准。我国是货运大国，铁路又是货运主要交通工具，因此研制适应于大轴重列车的梁型具有重要意义。山西中南部铁路通道简支 T梁便是为300 kN轴重列车活载专门设计的预制梁。

2 简支T梁特点及设计思路

2.1 简支T梁特点

单双线铁路桥均由多片预制T梁组成，一般情况下单线桥由2片T梁组成，双线桥由4片T梁组成，单片T梁架设后通过桥面板和横隔板湿接缝连接成整体，并在隔板处加设横向预应力。单片预制T梁体积小、质量小，可利用既有铁路进行远距离运输，架设方法灵活，与箱形梁相比，不需要采用专门的大型运输和架梁设备，因此在客货共线铁路建设中广泛地采用了简支T形梁。

与普通铁路相比较，重载铁路列车轴重大，列车活载效应相当于标准中活载的1.35倍左右，在梁高及梁重受限的情况下，设计时需要对预制梁体结构尺寸、混凝土强度等级及预应力筋布置等多个方面进行综合考虑，相互协调，以满足桥梁使用功能要求。

2.2 设计思路

重载T梁设计中主要考虑以下几个方面:

(1)结构承载力和梁体变形满足重载铁路使用功能要求;

(2)满足客车160 km/h，货车120 km/h动力特性要求;

(3)单片预制梁能够通过既有铁路远距离运输，单片梁质量控制在148 t以下。

(4)桥面布置满足线路大机养护的要求。

3 设计原则及设计参数

3.1 设计原则

(1)活载

①列车活载:采用ZH活载，系数Z=1.2，图式见图1。

动力系数按《铁路桥涵设计基本规范》4.3.5-3公式计算，即

图1 列车活载图式(单位:m)

1+μ=1+12/(30+L)，其中L为桥梁计算跨度。

②人行道竖向静活载值为4.0 kPa，计算主梁时人行道活载不与列车活载同时组合。

③曲线桥梁上的离心力大小等于列车竖向静活载乘以离心力率C，水平向外作用于轨顶以上2.2 m处，离心力率C按《铁路桥涵设计基本规范》第4.3.6条计算。

④横向摇摆力取120 kN，作为一个集中活载作用于桥梁结构最不利位置，其作用点在垂直线路中心线的钢轨顶面，对于双线桥只取一线上的横向摇摆力。

(2)设计速度:客车为 160km/h，货车为120 km/h。

(3)双线线间距4.0 m，线间距变化时调整2片中梁间湿接缝宽度。

(4)曲线上梁平面布置按平分中矢布置。

(5)采用有砟桥面，桥面净宽满足大型铁路养护机械设备作业的要求，挡砟墙内侧距线路中心线距离取2.2 m。

(6)线路设备轨枕为新Ⅲ型桥枕轨底枕下道砟厚度不小于350 mm，轨底至梁顶的设计计算高度取700 mm。

3.2 设计参数

(1)恒载

梁体混凝土容重按25 kN/m3计算。

二期恒载包括现浇桥面板、挡砟块、人行道及其栏杆(或声屏障)、线路设备、道砟、电缆槽的重力。声屏障重按单侧每延米4 kN计算。设计采用二期恒载如表1所示。

表1 设计采用二期恒载 kN/m

(2)梁体竖向挠度的计算采用ZH活载，双线桥梁双线加载，其竖向挠度限值取L/800。

(3)风荷载按《铁路桥涵设计基本规范》第4.4.1条计算。

(4)在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，梁体的水平挠度不应大于梁体计算跨度的1/4 000。

4 结构设计

4.1 桥面布置

根据线路大机养护的要求，线路中心距挡砟墙内侧距离不小于2.2 m，同时考虑曲线上桥梁按平分中矢法布置，桥面中心线至挡砟墙内侧距离采用2.25 m。人行道采用角钢支架形式，分别按0.8 m和1.05 m两种宽度进行设计。电缆槽悬挂于人行道栏杆外侧。单线梁采用2片梁，双线梁采用4片梁，各片梁之间通过横隔板和桥面板现浇混凝土连成整体，隔板处加设横向预应力筋。单线梁桥面布置如图2所示，双线梁桥面布置如图3所示。单线桥面宽4.9 m;双线线间距按4.0 m设计，桥面宽8.9 m，当双线线间距变化时调整2片中梁间湿接缝宽度。

图2 单线梁桥面布置(曲线)(单位:mm)

图3 双线梁桥面布置(曲线)(单位:mm)

4.2 预制梁结构设计原则

4.2.1 上翼缘尺寸确定

上翼缘宽度根据桥面布置及各片预制梁间湿接缝宽度进行确定，单线梁腹板中心距2.2 m，双线梁边梁与中梁间腹板中心距2.1 m，中梁与中梁间腹板中心距2.0 m。考虑结构受力要求及桥面湿接缝施工便利，桥面湿接缝宽度采用0.3 m。边梁上翼缘宽度2.3 m，中梁上翼缘宽度1.7 m。上翼缘的厚度按结构受力要求确定，同时考虑单片梁梁体截面重心尽可能与腹板中心线一致，以减小预应力横向偏心产生的影响。桥面板结构设计时还考虑了简化模板和方便脱模的要求。

4.2.2 下翼缘尺寸设计

下翼缘尺寸根据预应力筋布置的需要、结构受力要求、施工时混凝土灌注的便利、运梁吊梁的稳定性、墩台支座布置、标准化等因素确定，本设计下翼缘宽度取0.88 m。

4.2.3 梁高

山区线路梁高一般不受线路高程和桥下净空的限制，但当线路在平原地区和枢纽站场内时梁高往往受到限制，需要尽量低，以往的设计中采用几个梁高系列的办法满足不同的使用要求。但梁高太低不能满足结构受力及梁体刚度的要求，故本设计在满足各项指标的前提下，采用较小的梁高。

4.2.4 腹板厚度

腹板厚度根据结构受力及预应力筋和普通钢筋保护层厚度的要求，以及规范中关于腹板高不大于腹板厚度的15倍的规定确定，本设计边梁及跨度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 梗胁厚度

腹板与上翼缘相交处厚度不小于梁高的1/10;下梗胁厚度由预应力筋布置和结构计算决定。

4.3 梁体混凝土强度等级及梁高的确定

我国普通客货共线铁路在用的简支T梁共有2个系列通用参考图，设计图号为通桥(2005)2101和通桥(2005)2201，分别适用于设计时速160 km和200 km客货共线铁路。主要梁型梁体混凝土强度等级均采用的是C55。重载铁路桥梁刚度要求与时速160 km铁路要求相同，考虑到列车轴重较大，简支T梁设计时跨度32 m和24 m梁高在通桥(2005)2101基础上各增加0.1 m，跨度20 m和16 m梁高与通桥(2005)2101相同，混凝土强度等级分别按C55和C60进行计算，经比选确定。

各跨度计算结果如表2所示。

从计算结果分析，当梁体混凝土强度等级采用C55时，只有跨度24 m梁的设计指标能满足规范要求，其他跨度梁高需增加100 mm，设计指标才能满足规范要求。增加梁高对工程造价影响较大，尤其是桥下净空受限的情况下更为严重，因此设计中梁体混凝土强度等级采用C60。

设计中各跨度梁高采用值如表3所示。

4.4 预制梁结构尺寸

预制边梁跨中断面如图4所示，边梁顶面宽为2.3 m，外侧桥面板厚0.13 m，内侧桥面板厚0.24 m，腹板厚0.24 m;挡砟墙高0.45 m。

表2 简支T梁主要设计指标

表3 各跨度梁高 m

预制中梁跨中断面如图5所示，中梁顶面宽为1.7 m，桥面板厚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。

图4 边梁跨中截面(单位:mm)

图5 中梁跨中截面(单位:mm)

4.5 预应力筋布置

重载铁路T梁设计中，预应力筋布置是最关键的一个环节，重载铁路桥梁二期恒载和活载均较大，预制梁需要更大的预应力度，然而增加梁体预应力度又会引起梁体变形加大，同时还影响存梁、运输时支点的设置位置，设计指标相互影响，因此预应力筋布置需要综合考虑，统筹兼顾。下面以跨度32 m曲线边梁为例，简要介绍预应力筋布置形式。预应力筋布置于下翼缘和腹板内，采用曲线布置形式，从跨中至梁端分批弯起，起弯点及弯起角度根据结构受力计算确定。

跨中截面预应力筋布置见图6，梁端截面预应力筋布置如图7所示。

各束预应力筋设计参数如表4所示。