市域铁路简支箱梁结构设计研究

张 晗

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102627）

1 引言

市域铁路，又称为通勤铁路、市郊铁路，指的是大都市市域范围内的客运轨道交通系统，服务于城市与郊区、中心城市与卫星城、重点城镇间等，服务范围一般在50～100 km，其车站距离短、密度大，设计速度宜为 100～160 km/h，平均站间距原则上不小于3 km。市域铁路属于广义城市轨道交通的范畴。为推动都市圈市域（郊）铁路加快发展，国务院办公厅于2020年12月印发了《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》[1]，预计“十四五”期间将掀起市域铁路建设的高潮。相较于近10年来我国高速铁路和城际铁路的蓬勃发展，市域铁路在我国起步较晚，尚属于探索阶段[2-5]。

截止目前，已经投入运营的市域铁路仅有温州市轨道交通S1线、温州市轨道交通S2线、郑州地铁17号线（郑许线）、台州市域铁路S2线等，数量较少。国内外对市域（郊）铁路的研究较少，尚未形成体系，市域铁路桥梁设计仍处于一事一议的阶段，项目个性化突出、标准化程度低、工程投资大、工程控制标准参差不齐、建设管理及后期运营管理难度大。

我国建成和在建的市域铁路标准跨度简支梁多以整孔预制架设简支箱梁为主，本文针对整孔预制架设跨度30 m、35 m和40 m预应力混凝土简支箱梁开展研究，通过对比分析确定最优结构尺寸。

2 梁高选择

2.1 梁高初步拟定

以30 m双线简支箱梁为例，采用Midas Civil软件分别对ZS荷载与城市轨道交通B型车荷载作用下的简支梁进行建模计算，ZS荷载图式与城市轨道交通B型车荷载图式如图1和图2所示[6-7]。ZS荷载与城市轨道交通B型车荷载作用下的弯矩结果如图3和图4所示。

图1 ZS荷载图式

图2 城市轨道交通B型车荷载图式

图3 ZS荷载作用下30 m简支梁弯矩示意图（单位：kN·m）

图4 城市轨道交通B型车荷载作用下30 m简支梁弯矩示意图（单位：kN · m）

由图3和图4可知，ZS荷载作用下，30 m简支箱梁的跨中弯矩值为5 227 kN · m；城市轨道交通B型车荷载下，30 m简支箱梁的跨中弯矩值为3 884 kN · m。分析可得：市域铁路ZS荷载跨中弯矩约为B型车荷载跨中弯矩的1.4倍。

我国城市轨道交通30 m简支梁的梁高基本采用1.8 m，考虑到市域铁路ZS荷载跨中弯矩为城市轨道交通B型车荷载跨中弯矩的1.4倍，将市域铁路30 m简支梁的梁高初步取为1.85 m。经调研可知，350 km/h高速铁路无砟轨道跨度32 m简支梁的梁高为2.8 m，无砟轨道跨度40 m简支梁梁高为3.2 m，跨度每增加8 m，梁高增加0.4 m；公路小箱梁跨度每增加5 m，梁高增加0.2 m。综合高速铁路简支梁和公路小箱梁的梁高随跨度的变化趋势，对市域铁路的研究也按跨度每增加5 m，梁高增加0.2 m展开试设计，即市域铁路跨度35 m简支梁梁高初步取为2.05 m，跨度40 m简支梁梁高初步取为2.25 m。

2.2 合理梁高选择

市域铁路简支梁的合理梁高主要由安全性、舒适性和经济性控制，安全性主要由受力和变形控制[8]。为了合理确定梁高，梁高在初拟梁高基础上下浮动5 cm进行对比计算，简支梁的受力和变形计算结果如表1所示（其中荷载类型为，主力：恒载+活载；主+附：恒载+列车静活载+温度力）。对采用不同梁高的梁体工程数量及费用进行了计算对比，对比结果如表2所示。

表1 双线梁梁部受力和变形计算结果

表2 双线梁梁部工程量表

由表1可知，在梁高1.80 m、1.85 m和1.9 m情况下，跨度30 m双线简支梁的受力和变形均可以满足规范要求。由表2可知，梁高由1.80 m增加至1.85 m时，混凝土方量增加1 m³，钢绞线用量减少0.1 t，考虑到混凝土和预应力钢束的单价，1.85 m梁高较1.80 m梁高工程造价低。为节省工程量并有利于运梁车通行，市域铁路跨度30 m双线简支梁梁高宜采用1.85 m。同理，跨度35 m简支箱梁宜采用2.05 m，跨度40 m简支箱梁梁高宜采用2.25 m。

3 钢绞线经济性对比

随着高强钢绞线技术的不断成熟，部分项目已开始尝试采用高强钢绞线。高强钢绞线与普通钢绞线在抗拉强度、腐蚀性能和工程造价等方面存在明显差异[9]。简支梁设计主要受跨中强度控制，高强2 200 MPa钢束的设计强度为1 980 MPa，普通1 860 MPa钢束的设计强度为1 674 MPa，高强2 200 MPa钢束和普通1 860 MPa钢束相比，普通钢束用量约为高强钢束用量的1.18倍（钢束设计强度1 980 / 1 674 = 1.18）。

合理梁高确定后，对采用标准强度1 860 MPa和高强2 200 MPa钢绞线的双线整孔预制箱梁进行经济性对比，对比结果如图5所示。

图5 双线梁梁部每延米造价

由图5可以看出，采用高强钢束比普通钢束的梁体造价稍低，且简支箱梁跨度越大，高强钢绞线经济性越明显。

4 支座到梁端的距离

简支梁支座到梁端的距离对梁的影响较显著，会直接影响梁的变形、内力、稳定性以及承载能力。因此，需要在设计中合理考虑和优化支座到梁端的距离。

支座到梁端距离主要受上支座钢板尺寸和梁底支座局部承压控制[10-11]。TB 10092-2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》第3.1.5条中规定，C50混凝土局部承压容许应力为[σ]=13.4×β，混凝土局部承压应力提高系数β不应大于 3，混凝土局部承压应力计算公式为[10]：

式（1）中：P为竖向设计荷载，N；D为滑板材料按照45°传力扩散角通过钢件传递到梁底的直径范围，mm。

结合市域铁路桥梁工程实例，跨度30 m、35 m和40 m双线整体预制简支箱梁支座吨位分别为3 500 kN、4 000 kN和4 500 kN，简支箱梁的局部承压验算结果如表3所示。

表3 局部承压验算统计表

由表3可知，跨度30 m、35 m和40 m双线预制箱梁在满足梁底混凝土局部承压受力条件下，支座中心到梁端最小距离分别为0.45 m、0.5 m和0.55 m。推荐跨度30 m、35 m和40 m市域铁路双线预制箱梁支座中心到梁端的最小距离按0.55 m考虑。

5 支座横向间距

结合近年来对城市轨道交通、市域铁路常用跨度简支梁的设计和试验成果[12-13]，采用杆系有限元法，分别对3.1 m、3.6 m和3.9 m三种不同支座横向间距的箱梁建立模型进行环框分析，以选择最优支座中心间距，确定合理墩顶尺寸，计算结果如表4所示。

表4 双线梁运营阶段梁端顶板裂缝验算

由横向计算结果可知，在运营荷载作用下，支座中心横向间距采用3.6 m时，顶板裂缝接近规范限值，支座中心横向间距最优。推荐市域铁路30 m、35 m和40 m双线简支箱梁支座中心横向间距按3.6 m设计。

6 结论

通过对市域铁路常用跨度简支箱梁梁高、支座到梁端的距离以及支座横向间距设计进行的研究，并对高强钢绞线和普通钢绞线经济性的对比分析，得出研究结论如下。

（1）通过安全性和经济性分析，市域铁路跨度30 m、35 m和40 m双线简支梁梁高建议采用1.85 m、2.05 m和2.25 m。

（2）市域铁路简支梁采用高强钢束比普通钢束梁体造价稍低，且简支箱梁跨度越大，高强钢绞线经济性越明显，但梁体综合造价相差不大。

（3）为满足梁底支座局部承压验算要求，市域铁路跨度30 m、35 m和40 m双线预制箱梁支座中心到梁端的最小距离建议按0.55 m设计。

（4）市域铁路跨度30 m、35 m和40 m双线简支箱梁支座中心横向间距建议按3.6 m设计。