铁路200 m以上跨度混凝土桥梁设计参数取值探讨

陈良江 阎武通

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司桥隧咨询部 北京 100038；2.中国国家铁路集团工程设计鉴定中心 北京 100844)

1 引言

随着我国铁路建设的不断发展，大跨度桥梁建造需求愈发突出。混凝土桥梁以其结构刚度大、建造维护成本低、适宜铺设无砟轨道等突出优点，是大跨度铁路桥梁建造的首选考虑桥型。

近年来，我国对大跨度铁路混凝土桥的设计建造开展了较多的实践研究[1－2]，目前在建及已建200 m以上跨度混凝土铁路桥梁已有77座。预应力混凝土连续梁(刚构)桥最大跨度已达216 m(南三龙铁路闽江特大桥)，连续(刚构)梁－拱组合桥最大跨度已达300 m(汉十铁路崔家营汉江特大桥)，部分斜拉桥最大跨度达到288 m(福平铁路乌江特大桥)，混凝土拱桥最大跨度已达445 m(沪昆高铁北盘江特大桥)。

我国对大跨度铁路混凝土桥已积累了一定的建造经验和技术成果[3－4]，但总体而言研究尚不够系统。未来铁路建设中，大跨度混凝土桥建造需求仍十分迫切[5]，尚需对我国大跨度铁路混凝土桥设计参数和适用范围进行系统梳理研究。同时，现行设计规范中的桥上轨道长波不平顺限值[6]和徐变变形控制值等主要针对中小跨度桥梁制定[7－9]，已无法满足大跨度桥梁建造需求，已成为制约桥梁设计的关键因素[10]。在我国铁路大跨度铁路混凝土桥工程实践的基础上，对各类桥式的设计参数合理取值进行分析总结，研究提出适用于大跨度铁路混凝土桥的桥上轨道长波不平顺和徐变变形限值设计技术标准，对我国未来大跨度铁路混凝土桥梁建设十分必要。

2 铁路200 m以上跨度混凝土桥梁应用情况

目前，我国大跨度铁路混凝土桥梁主要采用预应力混凝土连续刚构(梁)桥、连续刚构(梁)－拱组合桥、部分斜拉桥和混凝土拱桥四种桥式结构。表1所示为我国目前已建及在建的200 m以上跨度铁路混凝土桥的统计情况，共统计到77座，其中已建桥梁38座，在建桥梁39座。

表1 我国200 m以上跨度铁路混凝土桥数量统计

混凝土连续梁(刚构)桥是我国铁路桥梁常用的桥型之一，但跨度多在200 m以内。目前已建成200 m以上跨度桥梁3座，南三龙铁路及南三龙合福联络线上的闽江特大桥和玉磨铁路阿墨江特大桥主跨均为216 m，为目前我国此类桥型的最大跨度。桥梁收缩、徐变变形控制是混凝土连续梁(刚构)桥跨度进一步突破需解决的关键问题。

连续(刚构)梁－拱组合桥是我国自主研究开发的桥式，采用拱结构加劲方式提高了连续(刚构)梁的结构刚度，降低了桥梁长期变形。目前该桥型已经在我国铁路桥梁建设中得到了较为广泛的应用；其中主跨200 m以上已建桥梁19座，在建桥梁8座。主跨300 m的汉十铁路崔家营汉江特大桥为我国目前该桥型最大跨度桥梁。

部分斜拉桥是采用斜拉索对连续(刚构)梁结构进行加劲的一种桥式，拉索拉力既可平衡施工期间主梁内力，又能为成桥后的主梁提供弹性约束来减小梁体变形。近年来部分斜拉桥在国内铁路建设中的应用逐渐增多，已统计到跨度200 m以上桥梁37座，其中已建桥梁10座，在建桥梁27座。福平铁路乌江特大桥(主跨288 m)为我国目前此类桥型的最大跨度桥梁；拟建的珠肇高铁荷麻溪特大桥主跨将达290 m。

混凝土拱桥充分利用混凝土拱肋的承压能力，跨越能力强又可充分适应山区地形特点，是山区铁路建设中的适宜桥型。目前我国已建及在建200 m以上跨度混凝土拱桥共计10座，其中沪昆高铁北盘江特大桥(主跨达到445 m)为此类桥型的最大跨度记录。

总体来说，我国在大跨度铁路混凝土桥的建造技术方面已取得丰富成果，各类桥式的最大建造跨度已与理论极限跨径[11－12]相当，如图1所示。从跨越能力上来看，混凝土连续梁(刚构)桥主要应用于200 m以内跨度桥梁，连续(刚构)梁－拱组合桥和部分斜拉桥的适用最大跨径在300 m左右，混凝土拱桥的最大跨度在450 m左右。

图1 铁路混凝土桥不同桥式适用跨度范围

3 铁路200 m以上跨度混凝土桥梁设计参数取值

对我国大跨度铁路混凝土桥几何参数、力学性能参数和经济性参数进行了调研统计[13]，总结了各类桥式的参数取值范围。

3.1 预应力混凝土连续刚构(梁)桥

预应力混凝土连续刚构(梁)桥关键技术参数及其取值范围如表2所示。

表2 预应力混凝土连续刚构(梁)桥设计参数取值统计

(1)几何参数。支点截面梁高约为L/13～L/14.5(L为主跨跨度)；跨中截面梁高约为支点截面的0.45～0.53倍；边中跨跨度比取值范围在0.52～0.60之间。

(2)力学性能参数。双线桥活载作用下主梁的挠跨比通常值在1/3 000～1/5 000之间；主梁横向挠跨比(风力＋摇摆力＋离心力＋温度)通常值为1/10 000～1/20 000；活载梁端转角多集中在0.25‰～0.5‰ rad；恒载作用下梁截面上、下缘应力差一般小于4 MPa。

(3)经济性参数。跨度为L的双线铁路连续刚构(梁)桥梁部每延米混凝土用量约为0.21L－8.3 m3；单线桥约为0.20L－7.7 m3；梁部预应力钢束用量集中在60 kg/m3左右。

3.2 连续刚构(梁)－拱组合桥

混凝土连续刚构(梁)－拱组合桥关键技术参数及其取值范围如表3所示。

表3 混凝土连续刚构(梁)－拱组合桥设计参数取值统计

(1)几何参数。边、中跨跨度比取值范围在0.45～0.5之间；主梁支点梁高通常为L/18～L/20；跨中梁高约为支点梁高的0.33～0.50倍；拱肋基本采用钢管混凝土截面形式，矢跨比取值在1/5～1/6之间；拱肋截面高度通常在L/55～L/65之间。

(2)力学性能参数。活载作用下的竖向挠跨比通常值为1/4 000～1/5 500；活载梁端转角多集中在0.6‰～1.0‰ rad；恒载下作用下梁截面上、下缘应力差在5.0 MPa以内。

(3)经济性参数。在200～300 m跨度范围内，双线铁路梁－拱组合桥的梁部每延米混凝土用量在30～42 m3之间；梁部每立方混凝土钢绞线用量在55～75 kg之间；拱肋用钢量为1 800～3 000 kg/m；每延米桥跨拱肋混凝土用量范围在1.5～3 m3之间。

3.3 混凝土部分斜拉桥

混凝土部分斜拉桥关键技术参数及其取值范围如表4所示。

表4 大跨度混凝土部分斜拉桥设计参数取值统计

(1)几何参数。大跨度铁路混凝土部分斜拉桥边、中跨跨度比大多数为0.52～0.60；主梁支点处梁高约为L/18～L/20，跨中梁高约为支点梁高的0.45～0.60之间；主梁的宽跨比通常为1/20～1/30；无索区长度约为主跨跨径的0.14～0.20倍；桥面以上塔高约为主跨跨度的1/7～1/12。

(2)力学性能参数。活载作用下竖向挠跨比基本在1/1 300～1/1 600之间，梁端转角多集中在0.7‰ ～1.5‰rad；斜拉索承担的竖向荷载的比例约为30%；拉索的疲劳应力幅一般在50～75 MPa以内；斜拉索安全系数多在2.0～2.2之间。

(3)经济性指标。在主跨200～290 m范围内，每延米混凝土用量在30.3～37.0 m3之间，每立方混凝土预应力用量约48 kg，每立方混凝土斜拉索用量约21 kg；每延米桥跨桥塔混凝土用量在1.7～4.5 m3之间。

3.4 混凝土拱桥

混凝土拱桥关键技术参数及其取值范围如表5所示。

表5 大跨度混凝土拱桥设计参数取值统计

(1)几何参数。铁路混凝土拱桥的矢跨比多在1/5～1/4之间，拱轴系数多在1.6～3.2之间；拱圈平均宽跨比在1/23左右；肋拱平均高跨比在1/40左右，拱脚和拱顶截面高度比约在1.6～1.8之间。

(2)力学性能参数。主力作用下拱脚截面最大应力与容许应力的比值在0.7～0.9之间；活载作用下拱顶挠跨比主要在1/11 700～1/15 400之间；1/4截面处活载正、负挠度绝对值之和与跨度之比主要集中在1/4 000～1/5 500之间；上承式拱桥对温度变化较为敏感，升、降温15℃引起的拱顶变形值大致在L/5 000左右。

(3)经济性参数。在跨度340～445 m范围内，拱圈每延米混凝土用量在54～62 m3之间；主拱每立方混凝土劲性钢骨架的用量约为190 kg；每延米桥跨拱上立柱混凝土用量范围在10.6～15.3 m3之间。

4 大跨度铁路混凝土桥规范指标修订建议

桥上轨道静态长波不平顺和徐变限值是大跨度铁路混凝土桥设计的关键技术指标。随着桥梁跨度的不断增加，现有设计规范《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)[14]中针对中小跨度桥梁制定的技术标准已无法适应大跨度铁路桥梁的建设需求，亟需对两项技术指标的限值合理取值进行研究。

4.1 桥上轨道静态长波不平顺限值

现行规范对轨道高低不平顺采用300 m基线150 m矢距差不超过10 mm作为限值要求。这一限值标准主要针对路基段轨道验收提出；对于大跨度桥梁来说，温度、混凝土收缩、徐变变形等作用在桥梁内形成了初始长波不平顺，且这一变形值随温度和时间不断变化，较难满足现行规范的限值要求，已成为制约铁路混凝土桥向更大跨度发展的控制性因素。

现有实践表明，部分已建成大跨度铁路桥梁虽竖向刚度指标不满足现行规范对中小跨度桥梁不平顺限值的要求，但实际运营情况良好。轨道长波不平顺限值主要是为了控制列车运行的舒适度。我国高速铁路桥梁动态验收中对于时速250 km的线路需要管理到70 m波长，时速300、350 km线路需要管理到120 m波长；为保证线路达到动态验收要求，采用的弦长必须涵盖120 m波长范围。60 m弦测法的有效测量波长范围在40～120 m之间，输出的不平顺与车体加速度之间相关性最好，用于长波不平顺管理最合适[15]。根据综合检测车实测车体垂向加速度和60 m弦测不平顺之间的相关性，以1.0 m/s2作为车体垂向加速度限值标准，提出时速250、300、350 km条件下，60 m弦测不平顺限值分别取10 mm、8 mm和7 mm作为大跨度铁路桥梁桥上轨道静态长波不平顺控制标准。图2所示为我国时速250 km以上大跨度桥梁60 m弦高低不平顺值的统计情况，满足该限值指标要求。

图2 时速250 km以上大跨度桥梁60 m弦高低不平顺值统计

4.2 徐变变形限值

现行规范针对跨度超过50 m的无砟轨道桥梁提出竖向残余徐变变形限值规定，要求最大竖向变形不超过跨度的1/5 000且不应超过20 mm。这一标准对于大跨度桥梁是过于严格的。

从行车舒适性角度，现行规范提出线路竖曲线半径容许值以控制列车竖向加速度，时速350 km铁路的竖曲线半径容许值为25 000 m。对于主跨100 m的桥梁，若竖向残余徐变变形为L/5 000，轨面变形曲线的换算半径将达到62 500 m，远大于时速350 km铁路的竖曲线半径限值，完全满足高速铁路运行的要求。当跨度进一步加大，工后徐变仍采用20 mm控制大跨度桥梁设计是过于严格的。

基于大跨度混凝土桥梁徐变变形限值的调研情况，基于综合刚度控制标准，建议大跨度铁路混凝土桥梁徐变变形限值可取为L/5 000。

5 结论

本文对我国当前200 m以上跨度铁路混凝土桥应用概况、设计参数取值和设计技术标准进行了系统分析研究，主要研究结论如下:

(1)预应力混凝土连续刚构(梁)桥、连续刚构(梁)－拱组合桥、部分斜拉桥和混凝土拱桥是我国大跨度铁路混凝土桥主要采用的桥式。混凝土连续梁(刚构)桥主要应用于200 m以内跨度桥梁，连续(刚构)梁－拱组合桥和部分斜拉桥的适用最大跨径在300 m左右，混凝土拱桥最大跨度在450 m左右。

(2)现行规范中的轨道长波不平顺和徐变变形限值指标无法适用于大跨度铁路混凝土桥结构设计；建议采用60 m弦中点弦测法作为桥上轨道静态长波不平顺检测标准，对时速250 km、300 km及350 km等级线路桥梁，分别取10 mm、8 mm和7 mm作为不平顺指标限值；大跨度铁路混凝土桥梁徐变变形限值指标建议取为L/5 000。