蒙西至华中地区铁路常用跨度简支梁设计方案比选

梅 山 徐升桥 沈 平 刘玉亮 徐立松

(中铁工程设计咨询集团桥梁工程设计研究院，北京 100055)

研究范围为蒙西至华中地区铁路煤运通道有砟轨道跨度32 m、24 m、20 m、16 m、12 m后张法预应力混凝土简支T梁(无声屏障)，有砟轨道跨度32 m、24 m、20 m、16 m、12 m后张法预应力混凝土简支T梁(设声屏障)。适用于新建蒙西至华中地区铁路煤运通道单、双线桥梁，满足大机养护要求的最小曲线半径1 200 m，结构承载力允许最小曲线半径800 m，特殊困难条件下，单线梁最小曲线半径600 m。

1 设计原则

1.1 设计活载

列车活载采用中－活载(2010)ZH标准(z=1.1)，活载图式如图1。

图1 列车活载

动力系数按《铁路桥涵设计基本规范》公式(4.3.5－3))计算，即:1+μ=1+α×6/(30+L)

其中α取2，L为计算跨度。

1.2 人行道

无声屏障区段人行道采用角钢栏杆形式，角钢支架利用预埋于梁体挡砟墙中的T形钢与梁体连结，有声屏障区段人行道采用整体桥面形式。

1.3 线间距

双线线间距按4.0 m和4.2 m进行设计。

2 材料的选用

2.1 混凝土

根据强度及抗裂要求及经济性比选，梁体混凝土强度等级:无声屏障梁采用 C55，有声屏障梁采用C60。

2.2 预应力筋

纵向预应力筋和桥面板处横向预应力筋采用直径为15.2 mm的钢绞线，抗拉强度为1 860 MPa，弹性模量为1.95×105MPa。

横隔板处横向预应力筋采用直径16 mm预应力混凝土用钢棒，抗拉强度1 420 MPa，弹性模量为2.0×105MPa，松弛率2%，其技术条件符合GB/T5223.3—2005的要求。

3 设计方案及比选

3.1 桥面布置

单线梁由2片梁、双线梁由4片梁组成，双线梁按照线间距4.2 m设计，当线间距为4.0 m时，通过调整中梁与中梁间湿接缝的宽度适应线间距的变化。桥面布置考虑最小曲线半径1 200 m时，挡砟墙内侧距离线路中心不小于2.2 m，满足大机养护的要求，人行道宽度采用1.05 m。无声屏障区段人行道采用角钢支架方案，桥面布置见图2、图3;设声屏障区段人行道采用整体桥面方案，桥面布置见图4、图5。整孔梁采用桥面板和横隔板湿接缝连成整体，无声屏障梁仅横隔板处设置横向预应力筋，设声屏障梁除横隔板外，桥面也设置横向预应力筋，桥面横向预应力筋顺桥向设置，间距为1 m。挡砟墙高度:直线梁及曲线梁内侧高度450 mm，曲线梁外侧高度580 mm。

图4 设声屏障单线梁桥面布置(单位:mm)

3.2 预制梁构造

(1)无声屏障区段梁

方案一:预制梁梁高与通桥(2012)2201梁保持一致。边梁桥面宽2.28 m，中梁桥面宽1.7 m，腹板厚度24 cm，预制梁跨中截面结构尺寸见图6。挡砟墙现浇，为便于安装人行道支架预埋T形钢及防水层保护层施工，预制梁时预制挡砟墙高度8 cm，系列各跨度梁高见表1。

图5 设声屏障双线梁桥面布置(单位:mm)

表1 方案一各跨度梁高 m

方案二:优化梁高方案，预制梁参照山西中南部铁路系列梁基础上进行优化，按设计活载对预应力筋配置进行优化，桥面防水层及保护层厚度加厚至6 cm。预制梁跨中截面结构尺寸见图7。挡砟墙高度450 mm，与梁体一同预制，曲线梁外侧加设挡砟块。系列梁各跨度梁高见表2。

表2 方案二各跨度梁高 m

图6 方案一无声屏障边梁及中梁跨中截面构造(单位:mm)

图7 方案二无声屏障边梁及中梁跨中截面构造(单位:mm)

(2)有声屏障区段梁

设声屏障区段人行道采用整体桥面方案，外侧现浇桥面板与预制桥面板搭接，桥面设置横向预应力筋。梁高与通桥(2012)2201保持一致，跨度32 m，梁高2.7 m，预制梁跨中截面结构尺寸见图8。

图8 设声屏障边梁及中梁跨中截面构造(单位:mm)

3.3 设计指标

各方案计算结果见表3～表4(以跨度32 m梁为例)。

表3 预制梁主要指标

表4 桥面板主要指标

设计指标均满足规范相关要求，方案二因桥面板厚度较薄，采用钢筋直径较粗，钢筋及混凝土应力均大于方案一。

3.4 工程数量及造价

从主要工程数量上比较，方案一梁体混凝土数量略高于方案二，但因为梁高相对较高，桥面较厚，普通钢筋数量明显低于方案二，预制梁含筋率方案一为134.9 kg/m3，方案二为166.8 kg/m3，预应力筋数量也略有减小。声屏障梁含筋率为189.9 kg/m3。梁体混凝土强度等级方案一为C55，方案二为C60。

每孔跨度32 m梁概算指标显示，单线梁的造价方案一和方案二基本相当，双线梁的造价方案一优于方案二。

3.5 方案综合比较

方案一和方案二的主要差别为梁的高度，方案一比方案二梁高高10 cm。在单片预制梁重满足铁路运输的基础上，适当采用较高的梁高，可以增大梁的刚度，降低梁体混凝土强度等级，对活载系数的提高也具有更好的适应性。

两方案比较，方案一由于梁高较高，桥面板较厚，混凝土数量虽大于方案二，但混凝土强度等级比方案二低，且钢筋及预应力钢绞线数量均较小，综合造价优于方案二。方案一梁高与声屏障梁等高，对有无声屏障区段墩台垫石高度没有影响，方案二梁高比声屏障梁低10cm，需要通过墩台支承垫石的高度进行调整，对设计和施工均会造成不利影响。方案一边梁的轮廓尺寸与通桥(2012)2201相同，预制梁模板可以通用，中梁的轮廓尺寸与通桥(2012)2201相比，桥面窄20cm，其它部位相同，模板仅需局部改造即可利用。综合考虑，推荐采用方案一。

4 设声屏障梁结构构造及主要设计指标

本设计为后张法预应力混凝土多片式T梁，单线采用两片梁，双线采用四片梁。多片T梁采用桥面板及横隔板连接的措施联成整体，在隔板处施加横向预应力。桥面两侧设人行道，人行道宽1.05 m。人行道采用整体桥面形式，桥面板设置横向预应力。声屏障设置于人行道外端，声屏障内侧至线路中心线距离为3.5 m。两侧现浇桥面板与预制梁之间采用叠合搭接方案，现浇悬臂板与边梁之间设置横向预应力，横向预应力筋采用3根一束钢绞线，顺桥向间距1 m，锚具采用低回缩锚具。每片预制T梁的重量控制在148t以内，满足运架需要。

单线铁路桥面宽7.6 m，双线铁路桥面宽11.8 m。本设计按照双线线间距4.2 m进行设计，考虑双线设计线间距4.0 m(含)至5.0 m(含)的荷载影响，当设计线间距与本设计不符时可通过调整中梁间湿接缝宽度，以满足实际线间距的需要。如设计线间距大于5.0 m则需要根据实际情况进行特殊设计。桥上设计线间距变化不得大于15cm，可采用最大线间距全桥等宽布置。如设计线间距变化大于15cm，应进行特殊设计。

32 m梁计算跨度32 m，全长32.6 m，梁高2.7 m，轨底至梁底建筑高度为3.4 m。预制单线梁及双线边梁顶宽为2.28 m，双线中梁顶宽1.6 m，下缘宽均为0.88 m。直线梁和曲线梁内侧挡砟墙高450 mm，曲线梁外侧挡砟墙高800 mm。曲线外侧及直线重车线侧挡砟墙顶加设挡砟块。桥面铺设防水层和保护层，挡砟墙内侧防水层及保护层总厚度60 mm，挡砟墙外侧人行道处防水层及保护层总厚度40 mm。电缆槽可设置于人行道上，放置于声屏障内侧。

接触网支柱均设于桥墩上，梁端现浇桥面板局部加宽，声屏障从接触网支柱外侧绕过，接触网支柱处现浇桥面板预留缺口，缺口大小按照G200型钢立柱轮廓尺寸及底部内侧边距离线路中心线3.1 m进行预留。

避车台设置于梁端桥面板局部加宽处，与接触网支柱处桥面加宽合并处理，声屏障内侧距离线路中心线4.25 m。检查梯设置于接触网支柱内侧预留缺口中，缺口上采用花纹钢盖板覆盖。钢盖板搭接在梁端现浇桥面板的挡水台上，一端采用螺栓固定在挡水台上，另一端自由伸缩。

五种跨度梁跨中截面最大弯矩计算结果详见表5。

表5 跨中截面最大弯矩 kN·m

五种跨度梁支点截面最大剪力见表6。

表6 支点截面最大剪力 kN

梁体主要设计指标见表7。

表7 跨中截面主要设计指标

预应力混凝土梁梁体在持续的预压应力作用下，由于混凝土徐变使其变形持续增长，梁体会逐渐向上拱起，设计按照预应力筋终张拉后90 d铺设轨道设备等二期恒载进行计算，梁体各时间段上拱度如表8所示。

表8 梁体上拱度 mm

为抵消预应力引起的梁体上拱度，保证梁体线形满足使用要求，制梁时须根据实际情况及铺砟时间在桥面板和梁底预设反拱。

5 结束语

研究结果表明，在单片预制梁重满足铁路运输的基础上，适当采用较高的梁高，可以增大梁的刚度，降低梁体混凝土强度等级，对活载系数的提高也具有更好的适应性。方案一虽然混凝土数量略大，但混凝土强度等级比方案二低，且钢筋及预应力钢绞线数量均较小，综合造价优于方案二。且方案一梁高与声屏障梁等高，边梁预制梁模板可以通用，中梁模板仅需局部改造即可利用。声屏障模板可以和部通图通用。综合考虑，推荐采用方案一。计算分析结果表明，设计方案合理，各项设计指标均满足现行规范要求，同时整体桥面方案大大提高了桥梁结构的耐久性。

［1］ TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］

［2］ TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］