川藏铁路钢-混结合梁截面形式研究

艾宗良,陈克坚,戴胜勇

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

我国铁路桥梁从20世纪五六十年代开始采用钢-混结合梁的形式。1958年京广铁路十字江桥采用了32 m简支钢-混结合梁[1]，20世纪六七十年代贵昆、成昆、襄渝铁路在曲线上架设了32孔44 m钢-混结合梁[1]。21世纪初青藏铁路采用了16，24，32 m上承式栓焊板式结合梁桥[1]。十多年来，伴随我国高速铁路的建设，钢-混结合梁在秦沈客专、京张高铁、成贵铁路、哈大高铁等铁路线上均得到应用[2-5]，图1为成都北编组站项目跨绕城高速钢-混结合梁桥施工现场。另外，钢-混结合梁在欧洲、美国、日本的铁路桥梁建设中占有重要地位。法国跨度TGV高速铁路大量采用钢-混结合梁，2007年建成的TGV东线(巴黎至南锡)的所有大型桥梁都采用钢-混结合梁[1]。 日本早期修建的东海道新干线近50%的桥梁为钢桥和钢-混结合梁桥[1]。 另外，钢-混结合梁桥在德国、比利时、西班牙、瑞典的铁路桥梁中也得到广泛应用。图2为法国高速铁路工字形截面钢-混结合梁实桥照片。调研相关文献[1，9-23]，国内外铁路中小跨度钢-混结合梁桥通常采用的截面形式有工字形和槽形两种截面形式。表1为国内外部分双工字形截面钢-混结合梁桥统计，表2为国内外部分铁路槽形截面钢-混结合梁桥统计。从铁路钢-混结合梁的应用来看，钢-混结合梁技术成熟，受力可靠，经济性较好。

图1 成都北编组站跨绕城高速钢-混结合梁桥

图2 法国高速铁路工字形截面钢-混结合梁

表1 国内外部分双工字形截面钢-混结合梁桥统计

表2 国内外部分铁路槽形截面钢-混结合梁桥统计

川藏铁路雅安至林芝段位于青藏高原东南部，沿线山高谷深，人迹罕至，具有“显著的地形高差”、“强烈的板块活动”、“频发的山地灾害”、“敏感的生态环境”、“恶劣的气候条件”、“薄弱的基础设施”等六大工程环境特征。根据可研阶段成果，川藏铁路新建桥梁105座，117.68 km，占线路长度11.6%。

为减轻桥梁自重、提高桥梁抗震性能，在川藏铁路9度高烈度地震区，采用了简支钢-混结合梁；在3 500 m以上的高海拔地区，混凝土桥梁无运架条件时，也可采用钢-混结合梁(桥面板预制)替代支架现浇预应力混凝土梁。

结合川藏铁路钢-混结合梁孔跨布置，针对32，40，48 m三种跨度进行截面形式比选，分别从技术、经济、施工等方面对双工字形、三工字形、槽形三种截面形式的钢-混结合梁进行研究，并分析高烈度地震区采用结合梁的必要性。

2 结构参数

选取32，40，48 m三种跨度，有砟、无砟两种轨道形式进行研究。限于篇幅，以32 m跨、5 m线间距、有砟轨道为例，介绍双工字形、三工字形、槽形三种截面形式的钢-混结合梁的构造，详见图3～图5、表3。

图3 双工字形截面(单位：mm)

图4 三工字形截面(单位：mm)

图5 槽形截面(单位：mm)

表3 3种截面形式钢-混结合梁主要结构参数(32 m有砟双线)

需要说明的是，上述不同截面形式结合梁的设计参数，包括腹板间距(主梁中心距)、桥面板厚度、钢梁梁高及板厚、横向连接系及加劲肋布置等均为自身优化后的参数取值，以此确保比较的准确性。

分析不同截面形式的设计参数可知，槽形、三工字形截面的桥面板横向跨度小，混凝土桥面板厚度取值为26 cm比双工字形截面混凝土板厚取值40 cm小14 cm；相比双工字形或者三工字形截面，槽形截面钢-混结合梁下翼缘宽度较大，钢梁高度取值小；槽形、三工字形钢-混结合梁腹板数量多，取值较薄，受腹板局部稳定因素控制，腹板总厚度较双工字形截面更大。

3 计算结果

表4列出了32 m跨钢-混结合梁梁部的刚度、强度、疲劳等计算结果。

表4 钢-混结合梁主要计算结果(32 m有砟双线)

根据计算结果，有如下主要结论：

(1)对于钢-混结合梁来说，有砟梁主要受竖向自振频率控制、无砟梁主要受梁端转角控制，相应的主要尺寸和参数按竖向自振频率、梁端转角限值等指标的最低要求取值后，其余指标均可以满足规范要求，且有一定富余；

(2)3种截面形式钢-混结合梁的竖向刚度、横向刚度接近，槽形钢-混结合梁刚度略大；

(3)由于槽形钢-混结合梁下翼缘面积大，上翼缘面积小，且截面高度小，在钢梁与桥面板形成联合受力之前，钢梁的上翼缘已经储备了较大的压应力，相应槽形钢-混结合梁的上翼缘应力较高；

(4)单线偏载下梁体扭转引起的轨面变形差、两片梁荷载分配均匀性、钢梁下翼缘的疲劳受力状况等抗扭转性能方面，槽形截面钢-混结合梁优于工字形截面钢-混结合梁，但是，均能满足速度200 km/h梁体扭转引起的轨面变形差3.0 mm限值的要求。

4 抗震性能

在高烈度地震区，对简支结构的钢-混结合梁以及混凝土箱梁进行了时程反应分析，分析不同梁型和截面形式的桥梁的抗震性能。32 m跨钢-混结合梁和混凝土梁质量对比见表5。

表5 32 m双线钢-混结合梁和混凝土梁质量对比 t

由表5可知，三工字形截面梁部质量分布约占混凝土箱梁的76.1%，占双工字形截面的88.6%。

时程分析结果表明，在罕遇地震作用下，三工字形截面钢-混结合梁的支座最大位移分别为混凝土箱梁和双工字形截面的89.2%和96.4%，墩底和桩基弯矩的占比分别为86.2%和94.8%，支座反力分别为80%和92%。采用三工字形截面进一步减轻了梁部自重，对梁部和桥墩的抗震性能提升均有利。

采用三工字形截面钢-混结合梁，在0.3g，0.35g和0.4g地震烈度对应的罕遇地震作用下，梁部工字钢最大拉应力分别为220，268 MPa和293 MPa，均小于地震下钢材允许应力375 MPa，混凝土板仅在支座附近范围内出现拉应力，其余部分均为压应力，最大拉应力分别为4.6，5.5 MPa和6.3 MPa，混凝土板会局部轻微损坏，震后需要简单修补。

采用混凝土梁，在0.3g，0.35g和0.4g地震设防烈度对应的罕遇地震作用下，梁部混凝土强度安全系数最分别为1.27，1.05和0.89。在0.40g地震区，强度安全系数小于1，结构处于强度不安全状态。

因此，在0.35g及以上的高烈度地震区使用钢-混结合梁，一方面可以减轻梁部质量，进而减小下部结构地震响应和配筋量；另一方面，相对混凝土梁，钢-混结合梁梁部抗震性能好，在罕遇地震下可满足抗震需求且震后修复工程量相对小。

同时，三工字形截面较双工字形截面进一步减轻了梁部质量，进而减小下部结构地震响应，提高结构抗震性能。根据上文可知，相比双槽形截面，三工字形截面经济性更高，而两者的抗震性能十分接近。

综合考虑抗震性能及经济性，推荐在川藏铁路0.35g及以上的高烈度地震区使用钢-混结合梁，截面形式推荐采用三工字形截面。

5 经济性评价

对于双工字形截面，腹板数量仅为2道，较三工字形、槽形截面少，腹板总厚度的增加对结构刚度贡献不大；三工字形、槽形钢-混结合梁箱宽更宽、腹板数量更多，相应的横向连接、加劲肋、拼接板的数量更多；双工字形截面用钢量方面具有优势。三工字形、槽形截面钢-混结合梁的腹板多，减小了桥面板的横向跨度，桥面板厚度减小，桥面板混凝土圬工量更少。另外，三工字形、槽形截面由于箱宽更宽，会引起下部墩台结构的工程数量增加。

从用钢量方面来分析，双工字形截面要比三工字形截面、槽形截面钢-混结合梁节约20%左右，且随着跨度增加，3个方案用钢量差距逐渐缩小；从桥面板混凝土用量方面分析，三工字形截面、槽形截面要比双工字形截面节省约25%。32，40，48 m三种跨度范围内，桥面圬工量与桥梁跨度没有相关性。

表6列出了32，40，48 m跨不同截面形式钢-混结合梁主要工程数量，表7列出了32，40，48 m跨双线有砟梁不同截面形式钢-混结合梁造价。

由表6、表7可知，双工字形截面经济性最好，三工字形次之，槽形截面最差。根据不同跨度的计算结果表明，在小跨度时(32 m跨度)，双工字形截面具有较为明显的经济优势，随着跨度的增加，双工字形截面的经济优势逐渐下降，在48 m跨度时，双工字形断面已经没有经济优势。

表6 不同截面形式钢-混结合梁主要工程数量

表7 不同截面形式钢-混结合梁造价对比

6 研究结论

从钢结构运输、安装及技术经济性等角度综合考虑，川藏铁路24，32，40 m跨度钢-混简支结合梁推荐采用双工字形截面，48 m跨度钢-混简支结合梁推荐采用双槽形截面形式。

在0.35g及以上地震区使用钢-混结合梁，相对于混凝土梁，可以减轻梁部质量，对下部结构抗震性能有利，且其梁部的抗震性能较混凝土梁具有明显优势。高烈度地震区采用三工字形截面，能够进一步降低混凝土桥面厚度，减小下部结构地震反应。

总体来说，钢-混结合梁在铁路工程中得到较多应用，安全可靠；川藏铁路高烈度地震区(9度区)及高海拔(大于3 500 m)无运架条件的零星简支梁的区段，采用钢-混结合梁合理；跨度40 m及以下，高烈度地震区采用三片工字形截面、非高烈度地震区采用双工字形截面是合理的，跨度48 m及以上，宜采用双槽形截面。