高速铁路跨度32 m与40 m预应力混凝土简支箱梁经济性比较研究<br/>——以铁伊铁路3座桥梁设计为例

高速铁路跨度32 m与40 m预应力混凝土简支箱梁经济性比较研究
——以铁伊铁路3座桥梁设计为例

2022-03-09李学强

铁道勘察 2022年1期

李学强王东

(中铁工程设计咨询集团济南设计院，济南 250022)

随着我国经济的快速发展，高速铁路的建设技术日新月异。我国高速铁路具有规模大、桥梁比重大、长大桥梁多等特点[1-2]，桥梁工程投资占比一般相对较大。现阶段，我国高速铁路中桥梁主要采用整孔简支箱梁，具有受力简单、明确、形式简洁、外形美观、抗扭刚度大等优点，其跨度多为32 m，40 m跨度相对较少。因此，对两种跨度进行比选研究具有重大价值。已有部分学者开展相关研究，胡所亭等对常用简支箱梁从梁体基频、刚度、跨度方面进行优化研究[3]；叶阳升等从参数研究、结构设计、梁体预制等方面对发展40 m简支梁桥的意义进行分析[4]；牛斌对不同跨度简支梁的设计情况以及实梁运营指标测试结果进行对比分析[5]；姚亚茹对40 m简支箱梁的纵向、横向及局部应力进行计算[6]；宋瑞等从箱梁共振消振、局部振动响应特性、噪声预测等方面对32 m和40 m箱梁的振动噪声进行对比，结果表明40 m箱梁更具优势[7]；苏永华等通过提高混凝土强度等级、推迟二期荷载上桥时间、细化二期荷载分级等方法，探索40 m箱梁残余徐变上拱控制的措施[8]；陈胜利等对郑济高铁40 m简支箱梁进行水化热、静载弯曲等试验[9-10]。为进一步研究桥梁跨度对其经济性的影响，选取铁伊铁路3座地质条件、桥墩高度、桥梁长度、基础类型不同的特大桥，对32 m和40 m跨度简支箱梁桥的工程数量、工程概算进行对比分析。

1 概述

1.1 项目概况

新建铁伊铁路位于黑龙江省中部，线路起自铁力站，终至新建伊春西站。正线全长112.355 km。其中，桥梁长29.152 km，桥梁占比25.94%，按速度250 km/h标准设计。

线路于CK9+859.42～CK10+855.56跨越头道河及其支流，桥梁长996.14 m。桥址区位于冲洪积平原区，上覆淤泥质粉质黏土、粉质黏土、中砂、粗砂，下伏白垩系下统青山口组泥岩。

线路于CK89+185.855～CK89+918.155跨越幺河，桥梁长732.30 m。桥址大部分位于冲洪积河谷区，上覆粉质黏土、细砂、粗砂、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土，下伏燕山期侵入花岗岩、华力西期侵入花岗岩。

线路于CK106+994.650～CK107+530.470跨越规划新建路，桥全长535.81 m。桥址位于平原区，上覆粉质黏土、粉砂、细圆砾土、粗圆砾土，下伏白垩系下统淘淇河组泥岩。

1.2 研究方法

根据3座桥梁的长度，分别按照32 m和40 m简支箱梁进行孔跨布设(见表1)，并对两种方案的桥梁进行下部结构设计，分别计算两种方案的工程数量和工程造价[11]。

表1 两种梁型方案桥梁情况

由表1可知，两种梁型方案桥梁长度相差较小，对桥梁的工程数量及工程概算的对比结果不会产生较大影响。

2 结构设计

2.1 上部结构设计

设计32 m简支箱梁时，采用“通桥(2016)2229-Ⅰ”《时速250 km高速铁路预制有砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁》，40 m简支箱梁截面见图2。

图1 32 m简支箱梁截面(单位：mm)

图2 40 m简支箱梁截面(单位：mm)

单孔32 m与40 m简支箱梁工程数量对比见表2。

表2 两种梁型工程数量对比

由图2可知，40 m简支箱梁桥墩采用圆端形实体桥墩，顶帽横桥向宽8.0 m，顺桥向宽3.6 m，12 m以下桥墩墩顶横桥向宽6.2 m，顺桥向宽2.2 m，采用直坡形式。12 m以上桥墩墩顶横桥向宽6.2 m，顺桥向宽2.5 m，采用1∶45坡比形式。均满足无缝线路桥墩线刚度要求[13]。

2.2 基础设计

32 m简支箱梁方案桥墩桩基均为φ1 m，桩基数量为8根、10根。40 m简支箱梁方案桥墩桩基为φ1 m、φ1.25 m，桩基数量分别为8根、10根。

(1)头道河特大桥

采用32 m梁时，墩高≤11.0 m采用8根φ1.0 m桩基，墩高>11.0 m采用10根φ1.0 m桩基；采用40 m梁时，墩高≤11.5 m采用10根φ1.0 m桩基，墩高>11.5 m采用8根φ1.25 m桩基。

(2)幺河1号特大桥

采用32 m梁时，墩高≤19.0 m采用8根φ1.0 m桩基，墩高>19.0 m采用10根φ1.0 m桩基；采用40 m梁时，墩高≤19.0 m采用10根φ1.0 m桩基，墩高>19.0 m采用8根φ1.25 m桩基。

(3)跨规划新建路特大桥

采用32 m梁时，采用8根φ1.0 m桩基；采用40 m梁时，采用10根φ1.0 m桩基。

3 下部结构工程数量

3座桥梁地震动峰值加速度均为0.05g，抗震设防烈度为Ⅵ度，地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s。采用32 m简支箱梁桥梁抗震设防类别为C类，采用40 m简支箱梁桥梁抗震设防类别为B类[14]。每处桥梁分别按照32 m箱梁和40 m箱梁建立计算模型，两种梁型方案的桩基数据统计见表3。

表3 两种梁型方案桩基数量统计

由表3可知，头道河特大桥40 m箱梁较32 m箱梁的计算平均桩长增加约3.4 m；由于幺河1号特大桥大部分为嵌岩柱桩，故40 m箱梁与32 m箱梁计算平均桩长基本相同；跨规划新建路特大桥40 m箱梁较32 m箱梁的计算平均桩长增加约7.0 m。由于部分桩基直径增加为1.25 m，故采用40 m箱梁较采用32 m箱梁的桩基配筋面积增大。

3座桥梁的下部结构工程数量见表4。

表4 两种梁型方案下部结构工程数量汇总

40 m与32 m箱梁下部结构工程数量比较见表5。

表5 40 m较32 m箱梁方案下部结构工程数量增减

由表4、表5可知，40 m简支箱梁下部结构较32 m简支箱墩台混凝土量平均减少8.2%，钢筋量平均增加3.2%，承台混凝土量平均增加8.8%，钢筋量平均增加4.9%；桩长平均减少0.6%。

4 工程概算

4.1 上部结构

32 m简支箱梁单孔造价约81万元，折合每延米约2.49万元，40 m简支箱梁制架单孔造价约114万元，折合每延米约2.81万元，40 m箱梁较32 m箱梁每延米概算增加12.84%。32 m箱梁每孔梁支座概算约为6.2万元，40 m箱梁每孔梁支座概算约为8.3万元。

3座桥梁上部结构工程概算见表6。

表6 2种梁型方案上部结构概算

每孔40 m简支箱梁较32 m简支箱梁概算增加40.7%。从3座桥梁上部结构概算分析， 40 m简支箱梁较32 m简支箱梁上部结构工程概算增加10.61%。

4.2 下部结构

根据材料单价及相关技术经济指标，下部结构概算见表7。

表7 两种梁型方案下部结构概算万元

由表7可知，对40 m简支箱梁与32 m简支箱梁的下部结构工程概算进行比较，头道河特大桥及跨规划新建路特大桥工程概算分别减少1.15%、2.86%，幺河1号特大桥工程概算增加5.41%。

4.3 全桥对比

32 m简支箱梁和40 m简支箱梁结构的初步工程概算如下：头道河特大桥采用32 m简支箱梁全桥工程概算为6 336万元，采用40 m简支箱梁全桥工程概算为6 619万元，工程概算增加4.47%；幺河1号特大桥采用32 m简支箱梁全桥工程概算为3 563万元，采用40 m简支箱梁全桥工程概算为3 910万元，工程概算增加9.74%；跨规划新建路特大桥采用32 m简支箱梁全桥工程概算为2 910万元，采用40 m简支箱梁全桥工程概算为3 079万元，工程概算增加5.81%。

5 原因分析

40 m简支箱梁结构主要通过减少全桥的桥墩、承台及桩基础工程量来减少工程概算，不同梁型的工程概算对比分析如下。

(1)头道河特大桥

上部结构工程概算约占全桥53%，采用40 m简支箱梁上部结构概算增加9.41%。本桥墩高为7～12.5 m，桥址区地质以粉质黏土、中、粗砂、泥岩为主，桩基础采用摩擦桩，采用40 m简支箱梁下部结构工程概算减少1.15%。

(2)幺河1号特大桥

上部结构工程概算约占全桥69%，采用40 m简支箱梁上部结构概算增加11.88%。本桥墩高为8～20.5 m，桥址区地质以粉质黏土、细、粗、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土、花岗岩为主，桩基础大部分采用嵌岩桩，采用40 m简支箱梁下部结构工程概算增加5.41%。

(3)跨规划新建路特大桥

上部结构工程概算约占全桥61%，采用40 m简支箱梁上部结构概算增加11.11%。本桥墩高为4～7 m，桥址区地质以粉质黏土、粉砂、细圆砾土、粗圆砾土、泥岩为主，桩基础采用摩擦桩，采用40 m简支箱梁下部结构工程概算减少2.86%。

综上，当桥梁长度较长，或桩基以摩擦桩为主时，采用40 m简支箱梁可以减少下部结构工程量，降低下部结构工程概算。当桥梁长度较短，墩高较高且桩基以嵌岩桩为主时，采用40 m箱梁双线高速铁路墩台顶纵向水平线刚度为550 kN/cm，较采用32 m箱梁时增加约57%，且抗震设防类别为B类[14]，为满足规范要求，需通过增加桥墩、承台尺寸，调整桩基长度、桩径尺寸、桩基根数等措施[15]，使得下部结构工程量不降反增，导致全桥工程概算增加。