重载铁路桥梁设计的几点思考

许三平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



重载铁路桥梁设计的几点思考

许三平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：简要介绍重载铁路特点及煤运通道蒙华铁路三荆段自然环境、桥涵分布情况；结合煤运通道重载铁路桥梁设计，从活载标准的选择、桥式、桥型方案的确定、常用跨度简支梁的选型、特殊跨度桥梁设计、桥墩设计等方面阐述重载铁路桥梁设计思路。结合煤运通道城烟特大桥对高桥桥型选择进行综合分析，桥墩设计应结合合理刚度选择、施工、景观等因素综合确定。最后对煤运通道三荆段桥梁设计进行反思和总结。

关键词：重载铁路；桥梁设计；技术标准；活载标准；桥式；桥型

1概述

重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低等优点已成为许多国家铁路货运发展的方向。随着煤运通道等货运专线的建设，铁路重载货车的研制成功，为缓解铁路运力紧张局面，起到了至关重要的作用。

重载铁路技术标准具有以下主要特点[1]：①重载列车牵引质量至少8 000 t；②轴重到达或超过27 t；③在长度至少为150 km的线路区段上运量至少达到4 000万t。由于列车轴重的提高，相应加大了作用在轨道、桥梁及路基等结构上的荷载，桥梁承载能力等需要根据重载标准设计。

煤运通道三门峡至荆门段，正线长度464.366 km，沿线跨越黄河流域洛河水系，汉江流域汉江干流、丹江、唐白河、浰河水系，表现为“北高南低、北山南原”的地貌特征，桥梁长度主要为跨谷、通航、排洪、道路立交控制。全线正线共设大中桥219座，桥梁长共计80 619.94延米，桥梁长度占线路长度的17.4%

2活载标准研究

2.1活载标准研究现状

铁路活载标准是铁路技术政策的体现，不仅关系到桥梁和线路的技术发展，还影响到机车车辆指标、列车质量、密度和速度等运输因素，目前国外铁路活载标准均较高，轴重一般在30～35 t，部分轴重达到40 t。国内大秦铁路开行25 t轴重列车，山西中南部铁路则采用30 t轴重[2]。

2006年铁道部科技司印发了“铁路桥梁活载标准研究科研成果中-活载(2005)设计活载图式，明确货运专线采用ZH活载。2010年，原铁道部针对车辆发展趋势，结合重载铁路运输实践，开展研究工作。研究认为(2005)ZH活载存在中小跨度桥涵储备偏低的现象，建议将特种活载25 t集中力修订为28 t，称为(2010)ZH活载。

2.2煤运通道运输特点

蒙西至华中地区铁路煤运通道具有煤炭产地多、消费地分散，衔接的集疏运线路较多，且通道上煤炭消费地少、消耗小等特点，不同于大秦铁路等“点到点”运输性质的重载铁路，其轴重标准的选择与集疏运线路的相关性较强，活载图式的选择宜考虑相关既有线的实际情况。煤运通道煤炭主要通过多条既有铁路疏运，约占疏运总量的55%。结合既有疏运线路情况，煤运通道三门峡至荆门段相关的既有线主要有汉丹线、襄渝线、焦柳线、武九线、京九线、石长线、雅宜线等。

相关既有铁路桥梁在2001年前一般较多地采用的是“专桥2059”标准梁图，2001年结合99新规范编制了“专桥(01)2051；期间2004年为适用于下部结构已施工的遂渝、胶济、武九、浙赣、陇海等线，编制了“专桥9753”；2005年结合05新规范编制了“通桥(2005)2101”。为了评估既有铁路开行25t轴重列车做出比较准确的评价，对既有线梁部进行了检算。检算表明，当采用C80车辆荷载时，“专桥2059”及以后生产的梁各项技术指标能满足规范要求，但钢筋保护层、道砟厚度等耐久性指标不满足现行规范要求，存在一定的风险和隐患。

2.3煤运通道活载选择

以煤运通道三荆段为例，采用(2005)ZH活载(Z=1.1、1.2)时，煤运通道三荆段相比采用(2005)ZH活载(Z=1.0)桥涵本章概算分别增加投资约占桥涵本章费用的1.23%、2.93%，并不明显。

根据《铁路主要技术政策》，我国新建重载铁路设计轴重不低于30 t，结合我国既有铁路将以开行C80货车为发展方向实际，桥梁设计应具备相当的发展储备系数和影响效应安全储备，设计活载采用1.2倍的(2005)ZH活载(图1)，列车下行至既有线时，可采取重新编组、加固、改造既有线桥涵来处理。

图1　活载图式(单位：m)

3梁型选择

3.1常用跨度梁

重载铁路桥梁主要以简支梁为主，而40 m以下跨度的常用跨度桥梁占桥梁的比例一般都很高。煤运通道铁路三荆段共设简支梁4 508孔，约占桥梁长度的95.6%。合理地选择常用跨度桥梁的结构形式、跨度，对桥梁景观、工程投资均有很大影响。

结合本线煤炭运输为主、兼顾客运的运输模式，桥梁荷载大、动力性能要求不高的特点，其桥面布置形式和其他Ⅰ级铁路的桥面布置形式保持一致。这样在梁部施工中可方便运输、吊装以及架设，并且相关的机械设备和施工工艺也相对成熟。结合经济、战备、施工方便等因素，双线有砟轨道简支梁梁型选用4片简支T梁。

根据速度目标值及设计活载，目前编制了铁路简支T梁通桥2101、2201、晋中南桥2103，但均需优化。本线设计活载与晋中南桥一致，通桥2201由于适用于客货共线铁路，梁部刚度较大，也能满足设计要求。综合比较，通桥2201由于梁高较高，桥面板较厚，混凝土数量虽大于晋中南桥2103，但混凝土强度等级比晋中南桥2103低，且钢筋及预应力钢绞线数量均较小，综合造价优于晋中南桥2103，因此本线决定在通桥2201基础上进行优化设计。桥跨考虑经济、施工及景观因素，桥梁孔跨布置一般以32 m简支梁等跨布置，24 m简支梁仅用于调跨的原则。

3.2特殊跨度桥梁

当采用常规跨度简支梁受线路高程控制或斜交跨越一般道路、沟渠且不宜改移时，考虑采用小跨度连续刚构、框架等结构形式。

跨越铁路、高等级公路等特殊工点的桥跨结构形式，结合工点的实际情况，一般采用预应力混凝土简支箱梁、连续梁、T构，钢桁梁、拱桥、斜拉桥等结构形式。考虑重载铁路荷载大、运输密度高，特殊结构需加强强度及疲劳等相关技术指标的检算，并采用切实可行的施工方法。

重载铁路由于其自身选线特点，高墩、大跨是重载铁路不可避免的桥梁结构形式，如何确定山区高桥的结构类型及跨度是重载铁路的一个重要课题，有必要作归纳和总结，以期对日后重载铁路桥梁工程建设有所借鉴。有研究表明，一般简支梁(主跨32 m)，当墩高达到70 m以上，由于高墩的费用急剧增加，且高墩施工难度大，工程投资较大跨度连续梁或连续刚构高。结合高墩施工难度大、建设工期长，对防洪、环保影响大等因素，一般墩高达到70 m以上，优先选择大跨桥梁结构。

当桥高在40～70 m时，需结合地质资料、桥梁结构形式、施工方法、技术、经济指标确定。结合蒙西华中地区铁路三荆段城烟特大桥，对32 m简支T梁、48、56、64 m大跨度简支箱梁桥式方案作以下分析。

本线在灵宝市，线路横跨低山沟谷及乡村。并跨越灞底河、三淅高速、G209国道。全桥位于“S”曲线上，桥全长1 313.24 m。由于跨越沟谷，全桥桥高在50～60 m。

由于跨越灞底河、三淅高速、G209国道，根据立交协议及防洪要求需采用连续梁外，余孔跨均无要求。采用32 m简支T梁，48、56、64 m大跨度简支箱梁方案，结合蒙西华中铁路初步设计概算定额标准，本桥4种桥式方案投资估算见表1。

表1　城烟特大桥综合概算汇总

从以上投资概算来看，32 m简支T梁最经济，其次是64 m简支箱梁，但考虑施工组织等因素，相差并不大。考虑景观效果、绿色环保施工、有无声屏障简支T梁间的衔接、技术创新及施工周期等因素，推荐采用64 m为主简支箱梁方案，节段拼装施工技术的使用不仅能够保证节段混凝土的浇筑质量，同时可大大提高桥梁的施工速度，保证工期，施工对周边环境影响小，因此该技术已经逐渐成为现代桥梁施工发展的一个方向。简支箱梁采用节段预制造桥机拼装，避免了整孔箱梁预制需要的较大的预制场地，同时防止采用小跨度简支梁出现的高墩林立的现象。节段拼装可使梁部施工与墩台施工同步进行，最快施工速度达到了9 d完成一孔梁，加快了桥梁建设周期。

4桥墩设计

蒙西至华中地区铁路煤运通道涉及的既有疏运线路，其桥墩一般采用实体桥墩，部分较早修建的桥墩还采用了轻型桥墩。分析表明，既有线桥墩存在刚度不足、钢筋保护层厚度不足、偏心超限、桩基承载力超限等问题。随着列车轴重增加、编组加大和运营密度提高，列车累计效应明显增大，桥梁病害逐渐增多且存在加速发展的趋势，列车运营存在安全隐患。

结合煤运通道特点，双线桥梁拟采用双线圆端形实体桥墩和双线圆端形空心桥墩(墩高较高时)，对这2种桥墩的刚度限值进行研究，提出可参考的桥墩尺寸，同时，还将对曲线上桥墩的横向预偏心进行计算分析，提出合理的横向预偏心值。

研究表明：当实体桥墩高度H≤14 m且墩身设计为直坡时，墩身偏心控制设计，墩身刚度不控制设计。当桥墩高度H>14 m时，墩身设计为变坡，同时，由于桥墩设计高度较高，墩顶位移可能控制设计。结合煤运通道各测段地质资料，通过对各分级控制墩高桥墩的位移、刚度、墩身强度、偏心及桩基础计算分析，当桥墩横桥向尺寸满足构造要求时，桥墩横向水平线刚度不控制设计。圆端形空心桥墩设计时，由于桥墩设计高度较高，墩顶位移可能控制设计。结合煤运通道三荆段各测段地质资料，对各分级控制墩高桥墩的位移、刚度、自振周期、墩身强度、偏心及桩基础计算分析，当桥墩高度为30 m≤H<60 m时，桥墩纵向水平线刚度限值仍采用规范限值，当桥墩高度为60 m≤H≤70 m时，桥墩纵向水平线刚度应适当加强，建议桥墩纵向水平线刚度不小于1.15倍规范限值。为了满足桥墩横桥向位移要求，桥墩横向水平线刚度也应满足一定限值要求。当桥墩高度为30 m≤H<50 m时，建议桥墩横向水平线刚度不小于755 kN/cm，当桥墩高度为50 m≤H≤70 m时，建议桥墩横向水平线刚度不小于730 kN/cm。考虑桥墩多位刚度控制及全线桥墩设计的标准化，避免不必要的混淆，建议双线桥墩不设置墩顶横向预偏心。

重载铁路目前仍采用无缝线路规范，新修编的基本规范对重载铁路的线刚度限制适当进行了提高，当墩高较高时，设计一般为刚度控制设计，因此景观效果也差，这显然是不合适的。规范规定的桥墩线刚度，应是满足钢轨强度检算、无缝线路稳定性检算可满足要求的最不利桥墩刚度。煤运通道设计时，结合部分高桥工点进行了合理刚度计算分析，分析表明一般为桥台前的一个桥墩刚度控制设计，其他桥墩的刚度并不

控制，而高桥高墩一般集中在桥梁中部，桥台附近的桥墩一般不高，刚度不控制设计。因此高墩的设计宜结合刚度、无缝线路检算、施工、景观等因素综合确定。

5结语

我国重载货运专线铁路发展实践仅有10余年历史，到现在尚无重载铁路设计规范颁布，也只有一条按重载标准设计的山西中南部铁路开通运营，结合煤运通道三荆段设计，提出以下几点建议。

(1)活载标准选用宜结合疏运特点，并考虑发展储备系数和影响效应安全储备。

(2)线路选线避免穿越地形变化剧烈的山区，确无法避免时，宜采用大跨结构跨越，施工采用悬灌、顶推等施工方法施工，避免高支架现浇施工，梁部及轨道设计时考虑相邻桥墩温度效应对不同高度桥墩高程变化的影响。

(3)并行既有建筑物跨越通航河流时，线间距除满足防洪及通航安全论证要求外，尚应满足相关行业安全条例要求。

(4)因功能需要需采用大跨结构时，应优先选择抗疲劳性强、耐久性好的上承式混凝土结构。

(5)桥墩设计时，桥墩尺寸宜结合经济、施工条件、地质资料、景观效果及基础刚度综合确定。

本线声屏障梁采用桥面两侧现浇混凝土横梁，横梁外侧设置声屏障立柱基础T梁方案，后期增设声屏障时，梁部改造困难，结合有声屏障T梁经济性不佳等特点，有声屏障简支梁梁型有待进一步研究。

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收稿日期：2015-11-24； 修回日期：2015-12-01

作者简介：许三平(1970—)，男，教授级高级工程师，1994年毕业于西南交通大学土建结构专业，工学学士。

文章编号：1004-2954(2016)07-0077-03

中图分类号：U442.5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.018

Study on the Design of Heavy Haul Railway Bridges

XU San-ping

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：This paper briefly introduces the features of the heavy haul railway and the natural environment the distribution of bridges and culverts on Sanmenxia-Jingmen coal corridor. This paper addresses the design concepts for heavy haul railway bridges in terms of live load standard selection， bridge type and bridge scheme determination， selection of common span simply supported beam， design of special span bridge and bridge piers. With reference to Yancheng bridge on coal corridor， the selection of Takahashi bridge type is analyzed. The bridge design should address such factors as the selection of reasonable stiffness， construction and landscape and other factor. Finally the design of bridges on Sanmenxia-Jingmen section is reviewed and summarized．

Key words：Heavy haul railway; Bridge design; Technical standards; Live load standard; Bridge form; Bridge type