王麗琴

摘 要：高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁，下部結(jié)構(gòu)造價在橋梁建設(shè)費用中的比重較大，大量使用跨度32 m簡支梁時經(jīng)濟性較差；跨度>32 m時若只能采用原位澆筑的簡支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)濟性也較差，且質(zhì)量不易控制。該文分析了既有高速鐵路簡支梁設(shè)計與使用情況，并根據(jù)高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度簡支梁技術(shù)可行性和經(jīng)濟性對比分析研究結(jié)果，給出了分析結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 預(yù)應(yīng)力 混凝土 大跨度 簡支梁

中圖分類號：U24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0072-02

國內(nèi)外高速鐵路橋梁主要采用簡支梁結(jié)構(gòu)，其中預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁具有受力明確、構(gòu)造簡單、耐久性好、施工便捷等優(yōu)點，是高速鐵路橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。

1 高速鐵路橋梁概況

截止2014年底，我國高速鐵路運營里程超過16 000 km，“四縱”干線基本成型，約占世界高速鐵路運營里程的50%，已擁有全世界規(guī)模最大、運營速度最高的高速鐵路網(wǎng)。

我國高速鐵路多采取“以橋代路”策略，各條高速鐵路橋梁所占比例均較高，其中以跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋為主，部分采用跨度24 m簡支箱梁，少量采用跨度40、44、56 m簡支箱梁?？缍?2 m及以下箱梁主要采用沿線設(shè)制梁場集中預(yù)制、架橋機架設(shè)的方法施工，跨度32 m以上簡支箱梁主要采用現(xiàn)場澆筑或節(jié)段拼裝的方法施工。

我國高速鐵路橋梁里程占線路里程的比例最高達82%，其中常用跨度混凝土簡支箱梁橋占橋梁總里程的比例基本在80%以上，最高達96%。橋梁技術(shù)的發(fā)展和進步成為我國高速鐵路建設(shè)工程中的重大技術(shù)突破，并形成了我國自有的技術(shù)標準體系。隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，橋梁設(shè)計理論和建設(shè)技術(shù)也在逐步完善和發(fā)展，其中基于預(yù)制架設(shè)施工模式的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁就是其中重要發(fā)展方向之一。

我國高速鐵路建設(shè)規(guī)模大，橋梁數(shù)量多，設(shè)計、施工技術(shù)成熟，并依托聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作積累了豐富的試驗數(shù)據(jù)，對于高速鐵路橋梁的建設(shè)和發(fā)展也積累了充足的技術(shù)儲備。根據(jù)近年來高速鐵路常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的設(shè)計和試驗研究成果，我們對簡支梁的設(shè)計理論有了更為深刻的認識，為高速鐵路（時速250 km及以上）大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的進一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

高速鐵路跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁，下部結(jié)構(gòu)造價在橋梁建設(shè)費用中的比重較大，大量使用跨度32 m簡支梁時經(jīng)濟性較差；跨度>32 m時若只能采用原位澆筑的簡支梁橋或者連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)濟性也較差，且質(zhì)量不易控制。發(fā)展跨度40 m及以上預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，并采用集中預(yù)制、運梁車移運、架橋機架設(shè)的施工模式，將顯著提高橋梁的經(jīng)濟性。我國高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上、采用預(yù)制架設(shè)施工模式的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁技術(shù)，不但能夠提高簡支梁橋的跨越能力，還能夠擴大簡支梁橋的適用范圍，并具有一定的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢。

2 既有高速鐵路簡支梁設(shè)計與使用情況

2.1 設(shè)計參數(shù)及控制指標

對于我國高速鐵路用量最大的跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，高速鐵路運營活載靜態(tài)效應(yīng)（動車組）約為設(shè)計活載靜效應(yīng)的35%～40%，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計控制指標已由強度變?yōu)閯偠?。橋梁結(jié)構(gòu)的變形和變位限值主要是為保證橋上軌道結(jié)構(gòu)受力安全性和穩(wěn)定性，同時滿足列車高速運行條件下行車安全及乘車舒適的要求。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，高速鐵路橋梁剛度設(shè)計參數(shù)應(yīng)滿足如下要求。

2.1.1 梁端轉(zhuǎn)角

對于采用無砟軌道的橋梁，由于梁端豎向轉(zhuǎn)角使得梁縫兩側(cè)的鋼軌支點分別產(chǎn)生鋼軌的上拔和下壓現(xiàn)象。當上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時將導(dǎo)致鋼軌與下墊板脫開，當墊板所受下壓力過大時可能導(dǎo)致墊板產(chǎn)生破壞，對于采用有砟軌道的橋梁，還要保證橋梁接縫部位有砟道床的穩(wěn)定性。

2.1.2 豎向自振頻率限值

研究表明梁體固有頻率過低將導(dǎo)致高速列車通過時產(chǎn)生較大振動或共振，頻率過高時橋上軌道不平順引起的車輛動力響應(yīng)明顯增加，因此，對簡支梁豎向自振頻率提出限值。對于運行車長 24～26 m的動車組、L≤32 m混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，給出了不需要進行車橋耦合動力響應(yīng)分析的自振頻率限值。同時，研究發(fā)現(xiàn)對于跨度40 m及以上的簡支梁，由于長列荷載的影響，動力荷載產(chǎn)生的突變效應(yīng)減弱。高速鐵路橋梁設(shè)計的控制性參數(shù)與橋梁跨度有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，選取跨度20、24、32及40 m的簡支箱梁，每種跨度的簡支梁分別選取21種不同尺寸的截面，二期恒載統(tǒng)一按180 kN/m來計算梁體豎向基頻，以此研究分析不同剛度設(shè)計參數(shù)間的關(guān)系。根據(jù)不同剛度限值對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。32 m及以下跨度簡支梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中不需要動力檢算的下限值，40 m箱梁基頻取現(xiàn)行規(guī)范中公式計算的下限值，梁端懸出長度按預(yù)制架設(shè)模式統(tǒng)一取0.55 m，梁端轉(zhuǎn)角限值取1.5×10-3 rad。

綜上分析可以看出：（1）梁體豎向剛度滿足梁端轉(zhuǎn)角限值或滿足基頻限值的情況下，撓跨比遠小于規(guī)范規(guī)定的1/1 600，撓跨比不控制梁體設(shè)計；（2）跨度32 m及以下的預(yù)制簡支梁，基頻為梁體設(shè)計控制指標；（3）跨度40 m預(yù)制簡支梁，基頻和梁端轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系接近，梁體設(shè)計控制指標在基頻和梁端轉(zhuǎn)角方面差別較小，可實現(xiàn)箱梁經(jīng)濟性設(shè)計。

2.2 實梁設(shè)計狀況

以我國高速鐵路跨度32、40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為代表，分析了既有簡支梁的設(shè)計情況。

2.2.1 跨度32 m簡支箱梁

高速鐵路有砟、無砟橋面雙線箱梁二期恒載設(shè)計值分別為 206.5～211.0 kN/m和120.0～180.0 kN/m，受二期恒載影響（不同無砟軌道類型、直曲線及有無聲屏障等），同一圖號的無砟簡支箱梁基頻和殘余徐變拱度略有差異。對于設(shè)計時速350 km高速鐵路32 m無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，預(yù)制梁的梁端轉(zhuǎn)角、基頻的設(shè)計參數(shù)與規(guī)范參數(shù)比值分別為53%，101%～108%，現(xiàn)澆梁相應(yīng)的兩者比值分別為70%和106%～114% 。

2.2.2 跨度40 m簡支箱梁

時速350 km高速鐵路無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，計算跨度為39.1 m，施工方法為原位現(xiàn)澆，截面中心梁高為3.75 m，橋面寬度為12.0 m，質(zhì)量1 130 t。對于設(shè)計時速350 km高速鐵路跨度40 m無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁，梁端轉(zhuǎn)角、基頻的設(shè)計參數(shù)與規(guī)范限值的比值分別為62%和139%。

2.2.3 對比分析

（1）高速鐵路各種箱梁的撓跨比設(shè)計值遠小于規(guī)范規(guī)定的限值；（2）跨度32 m箱梁的豎向基頻設(shè)計值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值，梁端轉(zhuǎn)角富余度較高，基頻限值控制箱梁的設(shè)計；（3）跨度40 m梁與跨度32 m梁的梁端轉(zhuǎn)角設(shè)計值與規(guī)范限值的比值基本相當，40 m梁基頻設(shè)計值與規(guī)范限值的比值大于32 m梁的相應(yīng)比值，跨度40 m梁的豎向基頻有較大優(yōu)化空間。

2.3 實梁測試結(jié)果

將高速鐵路常用跨度簡支梁設(shè)計情況和實測結(jié)果對比可知：（1）撓跨比不是梁體設(shè)計控制指標，跨度32 m以下的簡支梁的設(shè)計參數(shù)由基頻控制，跨度40 m的簡支梁基頻和梁端轉(zhuǎn)角的影響接近；（2）高速鐵路各種箱梁的撓跨比設(shè)計值小于規(guī)范規(guī)定的限值。跨度32 m箱梁豎向基頻設(shè)計值稍大于規(guī)范規(guī)定的基頻限值，跨度40 m箱梁基頻設(shè)計值與規(guī)范限值的差別較大，有較大的優(yōu)化空間；（3）從設(shè)計和運營指標測試結(jié)果來看，我國高速鐵路發(fā)展跨度40 m及以上的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁技術(shù)可行（如圖1）。

3 研究結(jié)論

根據(jù)高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度簡支梁技術(shù)可行性和經(jīng)濟性對比分析研究結(jié)果，得出結(jié)論如下：（1）高速鐵路跨度40 m簡支梁的設(shè)計控制指標已從跨度32 m簡支梁的剛度（基頻） 控制轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸群蛣偠龋ɑl、梁端轉(zhuǎn)角）共同控制；（2）跨度40 m預(yù)制簡支梁的梁高設(shè)計可以控制在3.1 m左右，單孔梁質(zhì)量可以控制在1 000 t以內(nèi)。該梁高與既有跨度32 m簡支梁的梁高接近，便于橋梁跨度布置及美觀設(shè)計；（3）無論是研制新的運架設(shè)備還是對既有的運架設(shè)備進行改造，均可滿足跨度40 m預(yù)制簡支梁的制、運、架施工要求；（4）高速鐵路跨度40 m的預(yù)制簡支梁橋，在墩高10 m左右的常規(guī)地段綜合造價與跨度32 m簡支梁橋相比具有一定經(jīng)濟優(yōu)勢，在高墩、深基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)費用較高的地段綜合造價與跨度32 m簡支梁橋相比經(jīng)濟優(yōu)勢增加；（5）采用跨度40 m預(yù)制簡支梁橋，可提高橋梁的跨越能力、增加橋跨布置的適應(yīng)性、減少墩臺基礎(chǔ)的數(shù)量、擴大簡支梁橋的適用范圍，并可減少施工作業(yè)班次、提高生產(chǎn)效率，工程建設(shè)實際意義顯著。

參考文獻

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 中華人民共和國國家鐵路局.TB 10621-2014，高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.