中国铁路标准预应力混凝土简支T梁对欧洲铁路荷载的适应性分析

王 博

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

1 概述

近几年中国参与的国外铁路工程项目较多，其中不少项目位于土耳其境内，为了开拓土耳其铁路工程项目市场，研究中国铁路标准梁在欧洲标准的车辆荷载下的适应性就显得尤为重要。本文介绍了欧洲标准车辆荷载作用下国内标准T梁的强度以及自振频率等，希望为有同类设计要求的项目提供参考和借鉴。

2 欧洲铁路桥梁荷载介绍

2.1 荷载分类

欧洲铁路桥梁采用极限状态法设计，荷载分类如下:

永久作用(G)，如:结构自重、固定设备和路面铺装以及由于收缩和不均匀沉降产生的作用;

可变作用(Q)，如:作用在梁面的交通荷载、风荷载、雪荷载等;

偶然作用(A)，爆炸或车辆撞击等。

2.2 桥梁上的列车荷载

［EN 1991—2］规定的列车荷载如下。

竖向荷载:Load 71、SW(SW/0和SW/2)、“空载”和HSLM荷载;

活载土压力;

动态响应;

离心力;

摆动力;

牵引力和制动力;

列车通过时产生的空气动力作用。

2.3 竖向荷载的特征值

轨道交通作用通过荷载模型来确定，铁路荷载分为5种荷载模型，具体如下:

荷载模型71(SW/0荷载模型用于连续梁桥)代表在铁路主干线上的常规荷载;

荷载模型SW/2代表重载;

荷载模型HSLM代表速度超过200 km/h的客车荷载;

荷载模型“空载”代表空载列车的影响;

Load71由常规轨道交通产生的竖向荷载的静力效应，轴载分布和特征值如图1所示。

图1 荷载模型71竖向荷载标准图式(单位:m)

在比正常轨道交通重或轻的轨道交通线上，图1中的特征值应乘以系数α。乘以系数α后的荷载称为“分类竖向荷载”。α的取值如下:0.75，0.83，0.91，1.00，1.10 ，1.21，1.33，1.46。

以下所列荷载也应乘以相同的系数α:

活载土压力效应;

离心力;

摆动力(仅当α≥1时乘以α);

牵引力和制动力;

结构和轨道对于可变作用的组合效应;

脱轨荷载;

连续梁桥的荷载模型SW/0。

挠度计算时，应使用分类竖向荷载和乘以α的其他作用(计算乘客舒适度时 α 取为1)［1～2］。

3 通桥(2005)2101-Ⅰ预制后张法简支T梁(直线，时速160 km，跨度32 m)梁体受力状态分析

根据欧洲规范，车辆荷载的动力系数按下式计算［3］

式中 Lφ——梁的计算跨度，m。

作用于梁体上的动力系数为1.125。

本次计算重要性系数取值依次为0.8、1.0、1.2以及1.4，按照不同的重要性系数进行加载，判断出32 m简支T梁能满足哪种“分类竖向荷载”。

3.1 32 m简支T梁(直线)桥面布置(图2)

图2 160 km/h双线T梁桥面布置(直线)(单位:mm)

3.2 设计荷载

(1)活载采用Load71荷载模型，荷载图示参见图1。

(2)一期恒载，结构容重采用26 kN/m3;

(3)二期恒载包括线路设备、道砟、人行道支架、步板、电缆槽、挡砟块、现浇桥面板以及横隔板湿接缝的重力。二期恒载采用值如下:边梁43.87 kN/m;中梁31.33 kN/m。

3.3 材料及设备

3.2.1 混凝土

(1)梁体混凝土强度等级为C55。

(2)封锚混凝土采用补偿收缩混凝土，强度等级同梁体。

3.2.2 预应力钢束

纵向预应力钢束、横向预应力钢束均采用公称直径为15.2 mm的钢绞线，抗拉强度为1 860 MPa，弹性模量为195 GPa。

3.2.3 锚具

纵、横向预应力钢束锚具均采用夹片式锚具，其技术条件应符合国家现行标准对预应力筋用锚具的要求，锚垫板采用配套锚垫板，张拉千斤顶采用配套千斤顶。

3.4 设计安全系数及应力控制指标

设计安全系数及各阶段应力指标按照铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范控制。

3.5 32 m简支T梁(直线)空间计算

为确定双线T梁在活载作用下的空间受力性能，采用Midas进行空间分析，确定结构的自振频率以及荷载横向分布系数。双线简支T梁Midas模型如图3所示。

［EN 1991—2:2003］对简支梁竖向自振频率规定如下:

简支梁竖向自振频率不应低于下列限值［4］

简支梁竖向自振频率不应高于下列限值

式中 n0——简支梁竖向自振频率限值，Hz;

L——简支梁跨度，m。

根据上式计算32 m简支T梁竖向自振频率不应小于3.03 Hz，不应大于7.09 Hz。

［EN 1990—2002］对简支梁横向自振频率规定如下:

结构横向一阶自振频率不应小于1.2 Hz。

图3 160 km/h双线T梁Midas模型

3.5.1 梁体自振频率

竖向自振频率3.59 Hz，振型见图4。

图4 160 km/h双线T梁竖向自振振型

横向自振频率［5］9.22 Hz，振型见图5。

图5 160 km/h双线T梁横向自振振型

根据Midas分析结果，通桥(2005)2101-Ⅰ预制后张法简支T梁(直线，时速160 km，跨度32 m)梁体自振频率满足欧洲标准及中国铁路规范要求。

3.5.2 荷载横向分布系数计算

双线列车活载作用下，梁体弯矩图见图6。

图6 梁体弯矩图

根据Midas分析结果，边梁及中梁分担的荷载比例为24.9%，25.1%，25.1%，24.9%。因此应用BSAS进行平面计算分析时，中梁和边梁按照均分活载计算。

3.6 主梁计算

简支T梁为分片式连接，计算采取分别计算边梁和中梁的方法确定梁体的各种力学指标是否满足运营荷载的要求，每片梁分担的活载按照Midas分析结果，中梁和边梁均分活载。

梁体计算过程中，横隔板采用集中荷载加载到梁单元上，月平均温度取±25℃。

用BSAS软件分别对静活载引起的挠度［6－8］、运营阶段梁体的各项安全性指标等进行计算，并对结果进行比较分析。

(1)静活载挠度(表1)

表1 梁体活载挠度

根据欧洲规范Load 71荷载作用下最大竖向挠度不应超过L/600，尚应满足结构动力性能方面的要求。

综上所述，通桥(2005)2101-Ⅰ预制后张法简支T梁(直线，时速160 km，跨度32 m)梁体挠度及转角满足欧洲标准及中国铁路规范要求。

(2)梁体强度及应力检算［9-10］(表2)

表2 梁体强度及应力检算

4 结语

综合以上边梁和中梁在运营状态下分析结果，可以得出在重要性系数值0.8～1.4的车辆荷载作用下，结构的变形、梁体自振频率同时满足2种规范要求，在重要性系数α＞1.0的车辆荷载作用下梁的强度安全系数，不满足我国铁路规范要求。因此，通桥(2005)2101-Ⅰ预制后张法简支T梁(直线，时速160 km，跨度32 m)，可应用于重要性系数不大于 1.0采用Load71荷载图示的铁路线路上。

［1］EN 1991—1—1:Densities，Self weight and imposed loads［S］.

［2］EN 1991—2:Traffic loads on bridges［S］.

［3］EN 1990—Eurocode:Basis of structural design［S］.

［4］EN 1992—2:Bridges［S］.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥梁设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路桥梁钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［7］朱尔玉.现代桥梁预应力结构［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［8］范立础.桥梁工程(上)［M］.北京:人民交通出版社，1983.

［9］廖元裳.钢筋混凝土桥［M］.北京:中国铁道出版社，1997.

［10］李廉锟.结构力学［M］.北京:高等教育出版社，1996.