高速铁路桥梁简支梁跨度的经济性研究

2020-11-07高金秋

铁道建筑 2020年10期

高金秋

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

通过对标准跨径预应力混凝土简支梁方案进行深入研究，综合对比不同跨度、不同截面类型的梁体，我国确定了高速铁路桥梁以32 m 跨度预应力混凝土简支箱梁为主，以24 m 跨度作为调跨的桥梁布置原则，为实现高速铁路桥梁设计的标准化和桥梁施工的工业化奠定了基础［1］。

在高速铁路选线和纵断面勘察设计时，线路平面和纵断面受地质、环保、江河、道路立交等多方面因素影响，有时会出现较长段落的高桥。如果采用常规跨度简支梁会出现高墩密布的现象，景观效果差，同时桥墩工程费用占比大，桥梁工程投资不经济。因此，应对大跨度简支梁桥与常用跨度简支梁桥的工程投资进行对比，在梁、墩、基础满足高速铁路设计规范限值要求下，得出更经济的桥梁跨度方案［2-3］。

本文通过建立高速铁路32 m 和40 m 跨度简支梁桥在墩高5～50 m 时的桥梁单墩计算模型，依托经济效益公式计算并对比桥梁工程投资成本。当有较长段落高桥时，应采用大跨度简支梁（如40 m 跨度），不仅经济，还能减少桥墩数量，降低桥墩基础基坑开挖对自然环境的破坏。

1 工程概况

某高速铁路拟修建在我国西南部地区，主要技术标准为：正线数目为双线；设计速度350 km/h；线间距5 m；最小曲线半径7 000 m（困难时5 500 m）；最大坡度20‰（困难时30‰）；电力牵引；列车类型为动车组；到发线有效长度650 m。

高速铁路所处地区地形地貌为平原、丘陵、岭谷区。测区出露中生界白垩系（K）、侏罗系（J）地层，川东平行岭谷区各背斜核部出露少量的三叠系（T）地层，以侏罗系（J）为主，约占全线总长度的90%，主要岩性为“川东红层”泥岩、砂岩；第四系堆积物分布较广，河谷阶地、缓丘槽谷等低洼地带较为集中，且厚度较大。地震动峰值加速度0.05g，地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s。岩土力学参数见表1。

表1 岩土力学参数

2 新建桥梁设计原则

2.1 基本设计原则

设计洪水频率为1/100；无砟轨道；设计活载采用ZK 活载；正线双线采用常用跨度32 m 预应力混凝土简支箱梁和连续梁；桥跨布置时，优先布设32 m 跨度简支梁，24 m 跨度简支梁作为调跨使用，同一座桥梁尽量采用等跨布置。

正线桥墩高度小于及等于30 m 时采用双线圆端型实体桥墩；当桥墩高度超过30 m 时，优先采用空心墩，空心墩集中段落使用。同一座桥梁，桥墩形式应简化统一，方便施工。正线填方段采用双线空心桥台，若受地形影响也可以采用挖方桥台。

桥梁下部结构主要采用混凝土、钢筋混凝土结构，梁部结构采用预应力混凝土和钢筋混凝土结构。梁部混凝土强度等级不得低于C50；墩身和台身不得低于C35，且根据环境侵蚀等级可提高混凝土强度等级；承台不应低于C30；桩身一般采用C30［4］。

普通钢筋采用HPB300和HRB400钢筋，其技术条件应满足TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》相关要求。

新建桥梁采用的通用图见表2。

表2 新建桥梁采用的通用图

2.2 桩基础设计原则

2.2.1 摩擦桩与柱桩的选择

1）对于地基基本承载力σ0大于600 kPa 或岩石单轴抗压强度大于4 MPa 的岩层宜按照柱桩设计，并合理确定嵌岩深度，嵌岩深度不宜过长。

2）对于500 kPa ≤σ0≤600 kPa的弱风化岩石，可按摩擦桩和柱桩分别计算，取其桩长较短者（桩间距可按摩擦桩布置，桩身配筋按柱桩设计）。

3）其他非岩石地基按摩擦桩基础设计。

2.2.2 基础桩径

采用直径为 1.00，1.25，1.50，2.00 m 的钻孔桩，特殊桥梁可根据需要采用较大直径钻孔桩。

2.2.3 桩的布置形式、桩间距和承台设计［5］

1）桩的排列可采用行列式或梅花式的布置形式。

2）钻（挖）孔灌注摩擦桩的中心距不应小于2.5倍设计桩径，钻（挖）孔灌注柱桩的中心距不应小于2 倍设计桩径。

3）各类桩的承台边缘至最外一排桩的净距，桩径不大于1 m 时，净距不应小于0.5d（d为钻孔灌注桩设计桩径），且不应小于0.25 m；桩径大于1 m时，净距不应小于0.3d，且不应小于0.50 m。

4）承台厚度不宜小于1.5 m，混凝土强度等级不应低于C30。

5）承台桩基布置需满足基础刚性角：桥墩墩底边缘至最外一排桩的净距与承台高度之比不大于45°。

2.3 墩台设计规定

1）墩台顶纵向水平线刚度限值见表3。

表3 墩台顶纵向水平线刚度限值

2）墩台横向水平刚度应满足行车条件下列车安全性和旅客乘车舒适度要求，并应对最不利荷载作用下墩台顶横向弹性水平位移进行计算。在列车竖向静活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度作用下，对于设计速度200 km/h 及以上的铁路，墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角不应大于1.0‰ rad［6］。根据1.0‰rad梁端水平折角换算墩顶横向位移，见表4。

表4 墩顶横向位移

3 32 m 和40 m 跨度简支梁桥经济性对比

3.1 桥梁单墩计算模型与工程量

按照本线桥梁所采用的通用图，结合线路所处地质情况，建立5～50 m 墩高桥梁单墩计算模型，研究32 m 和40 m 跨度简支梁桥在不同墩高下的经济性。墩高14 m时的桥梁单墩立面见图1。

上述测量值为烟支上某一点的重量值，所以需要在一支烟上取足够数量的采样点进行测量，计算得到整支烟的总重量以及烟支重量分布情况。为了提高测量精度并兼顾数据处理计算量，在每支双倍长烟上取256个点进行测量，即单支烟128个点[7]。

图1 桥梁单墩立面（单位：cm）

对 32 m 和 40 m 跨度简支梁桥墩高为 5～50 m 的桥梁基础进行设计，墩高按1 m 递增，统计和计算不同墩高下桥梁的工程量，见表5—表7。表中仅给出部分墩高下的工程量。

表5 32 m跨度简支梁桥桥墩及基础的工程量

表6 40 m跨度简支梁桥桥墩及基础的工程量

3.2 经济效益公式和实例计算分析

3.2.1 经济效益公式

在桥梁单墩模型中包括2孔简支箱梁、1个桥墩和2 个桥台，可以推知在一座常规特大简支梁桥中，有N孔简支梁箱梁、N-1 个桥墩和2 个桥台。铁路桥梁的工程费用包含上部工程、下部工程、附属工程和施工辅助设施4 部分。对于同一座桥梁，采用不同跨度简支梁时桥台数量不变，桥梁长度不变，变化的是梁的孔数和墩的数量。对于附属工程和施工辅助措施，可认为2种跨度简支梁桥2项工程费用相差不大。

表7 32 m和40 m跨度简支梁桥桥台及基础的工程量

设有M座简支梁桥，N孔简支梁，第1 种简支梁跨度为L1（L1梁），第2种简支梁跨度为L2（L2梁）。L1梁、L2梁的预制架设或现浇费用分别为S1，C1；L1梁、L2梁的单个桥墩和基础费用分别为S2，C2；L1梁、L2梁的单个桥台和基础费用分别为S3，C3，经济效益值为E，则有

式（1）即为经济效益公式。式中前3 项之和为L1梁桥梁工程费用总额，后3 项之和为采用L2梁时桥梁工程费用总额。E＞0 时，说明采用L2梁时桥梁工程费用更经济；E＜0 时，说明采用L1梁时桥梁工程费用更经济；E=0 时，说明无论采用哪种跨度简支梁，桥梁建设成本相同。为了确定具体E值，分别求出参数S1，S2，S3，C1，C2，C3即可。

3.2.2 实例计算分析

该项目有1座桥梁为30孔简支梁桥，即：M=1，N=30，L1=32 m，L2=40 m，参数S1，S2，S3，C1，C2，C3见表8—表9，按照式（1）对该桥进行计算，计算结果见表10。

表 8 参数S1，S3，C1，C3 元

表9 不同墩高的参数S2，C2

续表9

表10 不同墩高实例计算结果

3.2.3 经济效益临界参数

设梁的经济效益值为E1，桥墩和基础的经济效益值为E2，桥台和基础的经济效益为E3，根据经济效益公式则有

令E1=0，则有

Q1为梁的经济效益系数，其临界值为2 种梁的跨度比。Q1等于临界值时，经济效益为零；Q1小于临界值时，L2梁产生经济效益；Q1大于临界值时，L2梁不产生经济效益。

根据表8 可以计算得到Q1=1.335＞1.250；根据表10 计算得到E1=-1 612 429.7 元（E1＜0），说明L1梁简支梁产生经济效益。

令E2=0，则有

Q2为桥墩和基础的经济效益系数，当Q2小于临界值时L2梁产生经济效益，反之不产生经济效益。将N=5，30，100，500，1 000 代入到式（7）中计算Q2，见表11。可知，当N=500，1 000 时，Q2值相差 0.001。因此，当N＜500 时，采用式（7）进行计算，当N≥500 时，采用式（8）进行计算。

表11 参数Q2

根据表11 计算得到N=30 时Q2临界值为1.261。表10 中墩高为26～30 m 时，桥墩和基础的经济效益值E2＜ 0，L2梁不产生经济效益。根据表 9 和表 10 计算墩高为26～30 m 时的Q2值，分别为1.342，1.367，1.363，1.327，1.350，均大于Q2临界值，L2梁不产生经济效益。

令E3=0，则有S3=C3。令