客货共线铁路简支箱梁优化设计研究

2019-01-24苏永华班新林杨心怡李承君

铁道建筑 2019年1期

苏永华，班新林，石龙，尹京，杨心怡，李承君，袁磊

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

自20世纪50年代以来，中国既有客货共线铁路桥梁大量采用分片式T梁结构，T梁外侧设置人行道角钢支架，桥上设置护轨。60年来的建设和运营维护经验表明，T梁的一次性建设成本虽然较箱梁低，但由于角钢支架和护轨的养护需求，其全寿命周期成本较高。目前，中国高速铁路桥梁大量采用预应力混凝土简支箱梁结构，在箱梁设计、施工、运维等方面积累了大量经验[1]。2014年，原铁道部经济规划研究院发布了时速160km、时速200km客货共线铁路简支箱梁图纸[2-3]，在沪通铁路、青连铁路上取得了一定的应用经验[4]。随着TB/T3466—2016《铁路列车荷载图式》，TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》，TB10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》等新规范的颁布，以及ZKH荷载的应用和新的构造要求，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所牵头开展了时速160km、时速200km客货共线铁路预制后张法预应力混凝土简支箱梁通用参考图的设计修订工作，对箱梁梁高、桥面电缆槽布置、遮板等进行了优化。本文主要以时速200km客货共线铁路箱梁为例，对其设计修订情况进行介绍，并给出具体优化建议。

1 箱梁设计

时速160 km、时速200 km客货共线铁路简支箱梁系列图纸设计，包含跨度32 m梁、跨度24 m高梁、跨度24 m矮梁、跨度20 m矮梁4种跨度系列，每种跨度分为双线整孔、单线、双线并置箱梁3种，总计24套设计图纸[5]。以时速200 km 32 m双线整孔简支箱梁为例，其全长32.6 m，计算跨度31.5 m，梁高2.6 m，梁宽11.6 m，腹板倾斜度为1∶5，跨中腹板厚360 mm，梁端腹板厚900 mm，截面尺寸见图1。32 m双线整孔箱梁修订前后参数对比见表1。

图1 时速200 km 32 m双线整孔简支箱梁截面尺寸(单位：mm)

1.1 梁高比选

时速160 km、时速200 km客货共线铁路32 m简支箱梁梁高在2.5，2.6，2.7 m之间比选。以时速200 km 客货共线铁路箱梁为例，对单线、双线32 m简支箱梁按照3种梁高展开试设计，并计算了主要设计指标，不同梁高32 m单线、双线箱梁主要材料用量(曲线线路有声屏障)分别见表2和表3[6-7]。可知：在梁高2.5，2.6，2.7 m情况下，单线、双线箱梁的各项受力及变形指标均满足规范限值要求；梁高由2.5 m增加至2.7 m时，混凝土方量与普通钢筋用量增加1.84%～2.50%，钢绞线用量减少8.35%～8.41%，考虑混凝土、普通钢筋、预应力钢材单价，其总材料价格相当。

表1 32 m双线整孔箱梁修订前后参数对比

表2 不同梁高32 m单线箱梁主要材料用量

表3 不同梁高32 m双线箱梁主要材料用量

在考虑客货共线铁路有砟轨道不平顺谱、徐变变形、墩台不均匀沉降共同影响的情况下，分析CRH2列车以最高速度240 km/h作用于单线、双线不同梁高32 m简支箱梁，分析梁高对桥梁动力响应和动车组动力响应的影响规律。分析结果表明：当CRH2动车组以速度不大于240 km/h通过桥梁时，不同梁高的单线、双线32 m简支箱梁的动力响应均在容许值之内，列车行车安全性满足要求，列车乘坐舒适度均合格；相同梁高的单线、双线32 m简支箱梁的车桥动力响应差别不大。

原参考图中客货共线铁路32 m简支箱梁与相同时速的简支T梁梁高一致，时速200 km时梁高 2.7 m，时速 160 km 时梁高2.5 m；2种时速的24，20 m简支箱梁梁高均为2.2 m。本次修订时速200 km 32 m 简支箱梁梁高宜为2.6 m以节省工程量，并有利于运梁车通过隧道。为了体现不同线路等级的差别，时速160 km 32 m简支箱梁梁高为2.5 m。

1.2 桥面布置

2014版客货共线铁路箱梁参考图中，为了保证双线箱梁满足运梁过隧的要求，电缆槽采用箱内布置，时速200 km 箱梁桥面宽11.6 m，时速160 km箱梁桥面宽11.4 m，时速200 km直线双线整孔箱梁桥面布置见图2。

图2 时速200 km直线双线整孔箱梁桥面布置(单位：mm)

使用客货共线铁路简支箱梁的沪通铁路目前正在准备四电施工，调研情况如下：①电缆槽在箱内布置没有照明，连续梁箱内布置需要绕过支点处隔板并适应梁高变化；②钢电缆槽每延米203元，弯折点增多，电缆及电缆槽长度增加10%左右，需要特制符合电缆弯曲半径的异形槽道；③电缆只能在桥头放线，全部人工敷设，施工效率低，施工措施费增加；④为了保证施工安全，进人孔位置需要布置钢板；⑤箱梁与路基连接处、箱梁与钢桁梁连接处构造较难处理；⑥运营过程中的检查、维修等不便捷；⑦由于站内正线间距为5 m，设计了大量梁宽12.1 m的双线整孔箱梁。

图3 接触网立柱位置桥面布置(单位：mm)

本次修订为了保证双线箱梁可以满足运梁过隧的要求，桥面宽度与原设计保持一致，而电缆槽采用桥面布置。接触网立柱位置桥面布置见图3。一般区段，人行道空间可以满足电力电缆槽和通信信号槽的并列布置。接触网立柱基础所在断面电力电缆槽宽120 mm，通信信号槽宽210 mm，经现场调研并与电化专业人员沟通，该空间可满足电缆布置要求。中间用倒T形RPC(Reactive Powder Concrete)预制构件隔开，隔板厚2 cm，实现电力电缆与通信信号电缆分槽敷设。

2 设计创新

2.1 取消遮板设计

德国、法国、西班牙及葡萄牙高速铁路桥梁的桥面较宽，宽度基本在13 m以上，为了保护桥面板横向预应力封锚区域，避免桥面横向排水侵蚀梁体，翼缘板端部设置遮板，并作为栏杆的安装基础。日本、韩国及中国台湾高速铁路的桥面宽度相对较小，桥面板一般不设置横向预应力体系，多采用翼缘板端部设置混凝土边墙来代替栏杆。中国高速铁路箱梁的栏杆和声屏障均安装在混凝土遮板上，遮板为混凝土预制构件，在桥位处吊装至桥面，通过预留钢筋和桥面竖墙现浇在一起。预制遮板技术为高速铁路箱梁提供了整齐的外观，拓宽了桥面建筑宽度，提供了声屏障立柱安装空间。但建设经验表明，桥面竖墙的现浇工作量大，遮板较笨重，不宜精确安装，导致声屏障立柱很难精确定位，同时遮板通过与竖墙连接传递荷载，结构受力效率低。

本次设计修订提出客货共线铁路简支箱梁取代遮板的方案：在桥面翼缘设置混凝土边墙，安装栏杆和声屏障。在不需要运梁过隧路段，边墙在梁场浇注。在需要运梁过隧路段，当欠填等措施无法满足运梁过隧要求时，边墙在桥位处现浇，通过桥面预留钢筋连接。边墙每隔8 m设置断缝。取消遮板桥面边墙设计见图4。

图4 取消遮板桥面边墙设计(单位:mm)

时速200 km 32 m简支箱梁混凝土用量修订前后对比见表4。可知：有声屏障区段，1孔32 m简支箱梁使用边墙方案节省混凝土16.26 m3，低于有声屏障双线T梁；栏杆区段，1孔32 m简支箱梁使用边墙方案节省混凝土12.29 m3。修订后箱梁节省了箱内电缆槽及支架的费用。

表4 时速200 km 32 m简支箱梁混凝土用量修订前后对比 m3

2.2 取消箱梁桥面护轨

关于客货共线铁路箱梁桥设置护轨的相关研究情况如下：

1)世界各国研究提出的桥上列车运营安全措施主要包括桥上增设护轨、桥上增设限位阻挡设施、车底增设限位导向装置。日本在列车底部设置脱轨限位装置，在明桥面设置护轨；法国、加拿大、俄罗斯在有砟轨道设置护轨；德国和中国高速铁路设置防护墙，不设置护轨。

2)中国客货共线铁路多采用简支T梁，挡砟墙不具备防止脱轨的功能，当桥长大于50 m时，有砟桥面均设置护轨。当机车车辆在桥头或桥上脱轨时，脱轨车轮将被限制于护轨与基本轨之间的轮缘槽内，防止机车车辆脱轨后撞击桥梁或坠落。护轨与主轨间距初期为220 mm，大型振捣机械作业时必须拆除护轨，故后期护轨与主轨间距调整至490 mm。

3)中国TB 10002—2017规范3.5.2条规定客货共线铁路未设置考虑脱轨荷载作用的防护墙时，应在桥上基本轨内侧铺设护轨。国际铁路联盟规范规定：“在有砟钢桥面或有砟钢筋混凝土桥面上铺设线路时，为了控制列车在桥上脱轨的后果，可以设置保护措施；如果挡砟墙比轨枕上缘高且足够坚固，能起到控制车轮的作用，亦可不另设防护措施”。

4)中铁工程设计咨询集团有限公司在铁道部科技研究开发计划课题《客货共线铁路桥梁不设护轨的技术措施研究》(合同编号：2011G020)中提出，为防止列车脱轨后冲出桥面，挡砟墙高度应不低于轨顶标高，按直、曲线挡砟墙采用等高设计，高度取1 050 mm，列车脱轨横向碰撞力为196 kN/m，作用点位于轨顶位置。

5)客货共线箱梁桥面挡砟墙根部厚度设计为250 mm，墙体采用C40混凝土，配置HRB500高强钢筋设计，沿挡砟墙纵向设置断缝，断缝间距4 m。为保证墙体横向剪力传递，断缝处设置3肢直径20 mm的抗剪钢筋，可以抵抗列车脱轨撞击力。

6)据测算，单线桥护轨的成本为495元/延米，考虑30年换1次，100年内单线桥护轨成本为 1 485 元/延米。对于1孔桥长32.6 m的双线桥，全寿命周期内护轨成本为 96 822 元。

综上所述，新建客货共线铁路简支箱梁具备不设置护轨的条件，不仅节省工程建设成本，还方便大型振捣机械作业。