高速铁路简支梁设计方案对比分析

王丽琴

摘 要：高速铁路跨越河流、沟谷的高墩桥梁以及软基沉陷地区的深基础桥梁，下部结构造价在桥梁建设费用中的比重较大，大量使用跨度32 m简支梁时经济性较差；跨度>32 m时若只能采用原位浇筑的简支梁桥或者连续梁、连续刚构桥，经济性也较差，且质量不易控制。该文分析了既有高速铁路简支梁设计与使用情况，并根据高速铁路预制后张法预应力混凝土大跨度简支梁技术可行性和经济性对比分析研究结果，给出了分析结论。

关键词：高速铁路 预应力 混凝土 大跨度 简支梁

中图分类号：U24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0072-02

国内外高速铁路桥梁主要采用简支梁结构，其中预应力混凝土简支梁具有受力明确、构造简单、耐久性好、施工便捷等优点，是高速铁路桥梁的主要结构形式。

1 高速铁路桥梁概况

截止2014年底，我国高速铁路运营里程超过16 000 km，“四纵”干线基本成型，约占世界高速铁路运营里程的50%，已拥有全世界规模最大、运营速度最高的高速铁路网。

我国高速铁路多采取“以桥代路”策略，各条高速铁路桥梁所占比例均较高，其中以跨度32 m预应力混凝土简支箱梁桥为主，部分采用跨度24 m简支箱梁，少量采用跨度40、44、56 m简支箱梁。跨度32 m及以下箱梁主要采用沿线设制梁场集中预制、架桥机架设的方法施工，跨度32 m以上简支箱梁主要采用现场浇筑或节段拼装的方法施工。

我国高速铁路桥梁里程占线路里程的比例最高达82%，其中常用跨度混凝土简支箱梁桥占桥梁总里程的比例基本在80%以上，最高达96%。桥梁技术的发展和进步成为我国高速铁路建设工程中的重大技术突破，并形成了我国自有的技术标准体系。随着高速铁路建设的发展，桥梁设计理论和建设技术也在逐步完善和发展，其中基于预制架设施工模式的大跨度预应力混凝土简支箱梁就是其中重要发展方向之一。

我国高速铁路建设规模大，桥梁数量多，设计、施工技术成熟，并依托联调联试工作积累了丰富的试验数据，对于高速铁路桥梁的建设和发展也积累了充足的技术储备。根据近年来高速铁路常用跨度预应力混凝土简支梁的设计和试验研究成果，我们对简支梁的设计理论有了更为深刻的认識，为高速铁路（时速250 km及以上）大跨度预应力混凝土简支梁的进一步发展打下了基础。

高速铁路跨越河流、沟谷的高墩桥梁以及软基沉陷地区的深基础桥梁，下部结构造价在桥梁建设费用中的比重较大，大量使用跨度32 m简支梁时经济性较差；跨度>32 m时若只能采用原位浇筑的简支梁桥或者连续梁、连续刚构桥，经济性也较差，且质量不易控制。发展跨度40 m及以上预应力混凝土简支梁，并采用集中预制、运梁车移运、架桥机架设的施工模式，将显著提高桥梁的经济性。我国高速铁路发展跨度40 m及以上、采用预制架设施工模式的预应力混凝土简支梁技术，不但能够提高简支梁桥的跨越能力，还能够扩大简支梁桥的适用范围，并具有一定的技术、经济优势。

2 既有高速铁路简支梁设计与使用情况

2.1 设计参数及控制指标

对于我国高速铁路用量最大的跨度32 m预应力混凝土简支箱梁，高速铁路运营活载静态效应（动车组）约为设计活载静效应的35%～40%，桥梁结构设计控制指标已由强度变为刚度。桥梁结构的变形和变位限值主要是为保证桥上轨道结构受力安全性和稳定性，同时满足列车高速运行条件下行车安全及乘车舒适的要求。根据现行规范，高速铁路桥梁刚度设计参数应满足如下要求。

2.1.1 梁端转角

对于采用无砟轨道的桥梁，由于梁端竖向转角使得梁缝两侧的钢轨支点分别产生钢轨的上拔和下压现象。当上拔力大于钢轨扣件的扣压力时将导致钢轨与下垫板脱开，当垫板所受下压力过大时可能导致垫板产生破坏，对于采用有砟轨道的桥梁，还要保证桥梁接缝部位有砟道床的稳定性。

2.1.2 竖向自振频率限值

研究表明梁体固有频率过低将导致高速列车通过时产生较大振动或共振，频率过高时桥上轨道不平顺引起的车辆动力响应明显增加，因此，对简支梁竖向自振频率提出限值。对于运行车长 24～26 m的动车组、L≤32 m混凝土及预应力混凝土双线简支箱梁，给出了不需要进行车桥耦合动力响应分析的自振频率限值。同时，研究发现对于跨度40 m及以上的简支梁，由于长列荷载的影响，动力荷载产生的突变效应减弱。高速铁路桥梁设计的控制性参数与桥梁跨度有关。研究发现，选取跨度20、24、32及40 m的简支箱梁，每种跨度的简支梁分别选取21种不同尺寸的截面，二期恒载统一按180 kN/m来计算梁体竖向基频，以此研究分析不同刚度设计参数间的关系。根据不同刚度限值对应函数关系。32 m及以下跨度简支梁基频取现行规范中不需要动力检算的下限值，40 m箱梁基频取现行规范中公式计算的下限值，梁端悬出长度按预制架设模式统一取0.55 m，梁端转角限值取1.5×10-3 rad。

综上分析可以看出：（1）梁体竖向刚度满足梁端转角限值或满足基频限值的情况下，挠跨比远小于规范规定的1/1 600，挠跨比不控制梁体设计；（2）跨度32 m及以下的预制简支梁，基频为梁体设计控制指标；（3）跨度40 m预制简支梁，基频和梁端转角的对应关系接近，梁体设计控制指标在基频和梁端转角方面差别较小，可实现箱梁经济性设计。

2.2 实梁设计状况

以我国高速铁路跨度32、40 m预应力混凝土简支箱梁为代表，分析了既有简支梁的设计情况。

2.2.1 跨度32 m简支箱梁

高速铁路有砟、无砟桥面双线箱梁二期恒载设计值分别为 206.5～211.0 kN/m和120.0～180.0 kN/m，受二期恒载影响（不同无砟轨道类型、直曲线及有无声屏障等），同一图号的无砟简支箱梁基频和残余徐变拱度略有差异。对于设计时速350 km高速铁路32 m无砟轨道预应力混凝土双线简支箱梁，预制梁的梁端转角、基频的设计参数与规范参数比值分别为53%，101%～108%，现浇梁相应的两者比值分别为70%和106%～114% 。

2.2.2 跨度40 m简支箱梁

时速350 km高速铁路无砟轨道后张法预应力混凝土双线简支箱梁，计算跨度为39.1 m，施工方法为原位现浇，截面中心梁高为3.75 m，桥面宽度为12.0 m，质量1 130 t。对于设计时速350 km高速铁路跨度40 m无砟轨道预应力混凝土双线简支箱梁，梁端转角、基频的设计参数与规范限值的比值分别为62%和139%。

2.2.3 对比分析

（1）高速铁路各种箱梁的挠跨比设计值远小于规范规定的限值；（2）跨度32 m箱梁的竖向基频设计值稍大于规范规定的基频限值，梁端转角富余度较高，基频限值控制箱梁的设计；（3）跨度40 m梁与跨度32 m梁的梁端转角设计值与规范限值的比值基本相当，40 m梁基频设计值与规范限值的比值大于32 m梁的相应比值，跨度40 m梁的竖向基频有较大优化空间。

2.3 实梁测试结果

将高速铁路常用跨度简支梁设计情况和实测结果对比可知：（1）挠跨比不是梁体设计控制指标，跨度32 m以下的简支梁的设计参数由基频控制，跨度40 m的简支梁基频和梁端转角的影响接近；（2）高速铁路各种箱梁的挠跨比设计值小于规范规定的限值。跨度32 m箱梁竖向基频设计值稍大于规范规定的基频限值，跨度40 m箱梁基频设计值与规范限值的差别较大，有较大的优化空间；（3）从设计和运营指标测试结果来看，我国高速铁路发展跨度40 m及以上的预应力混凝土简支箱梁技术可行（如图1）。

3 研究结论

根据高速铁路预制后张法预应力混凝土大跨度简支梁技术可行性和经济性对比分析研究结果，得出结论如下：（1）高速铁路跨度40 m简支梁的设计控制指标已从跨度32 m简支梁的刚度（基频） 控制转变为强度和刚度（基频、梁端转角）共同控制；（2）跨度40 m预制简支梁的梁高设计可以控制在3.1 m左右，单孔梁质量可以控制在1 000 t以内。该梁高与既有跨度32 m简支梁的梁高接近，便于桥梁跨度布置及美观设计；（3）无论是研制新的运架设备还是对既有的运架设备进行改造，均可满足跨度40 m预制简支梁的制、运、架施工要求；（4）高速鐵路跨度40 m的预制简支梁桥，在墩高10 m左右的常规地段综合造价与跨度32 m简支梁桥相比具有一定经济优势，在高墩、深基础等下部结构费用较高的地段综合造价与跨度32 m简支梁桥相比经济优势增加；（5）采用跨度40 m预制简支梁桥，可提高桥梁的跨越能力、增加桥跨布置的适应性、减少墩台基础的数量、扩大简支梁桥的适用范围，并可减少施工作业班次、提高生产效率，工程建设实际意义显著。

参考文献

[1] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2] 中华人民共和国国家铁路局.TB 10621-2014，高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2015.