高速鐵路無砟軌道單線簡支箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

楊鵬健

(中國鐵路總公司建設(shè)管理部,北京　100844)

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高速鐵路無砟軌道單線簡支箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

楊鵬健

(中國鐵路總公司建設(shè)管理部,北京100844)

摘要：結(jié)合350km/h高速鐵路常用跨度無砟軌道單線簡支箱梁通用參考圖設(shè)計(jì),介紹該箱梁在梁高、橋面寬度、二期恒載、支座橫向中心距、梁端構(gòu)造等方面的受力分析以及從景觀性、經(jīng)濟(jì)性方面闡述腹板斜率、外輪廓圓弧倒角等細(xì)部構(gòu)造,并通過計(jì)算分析選定合理值。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；單線梁；簡支箱梁；設(shè)計(jì)

1概述

為適應(yīng)我國鐵路快速客運(yùn)網(wǎng)的建設(shè)需要，對(duì)于部分接入、引出地區(qū)樞紐或大型客運(yùn)站的單線線路，也應(yīng)考慮具備列車高速通行的基礎(chǔ)條件。隨著鐵路建設(shè)的深入推進(jìn)，高速鐵路單線橋梁的應(yīng)用范圍日趨廣泛[1]。

高速鐵路常用跨度單線簡支箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需結(jié)合疏解線、聯(lián)絡(luò)線的功能特點(diǎn)，重點(diǎn)分析梁體的截面形式、設(shè)計(jì)參數(shù)、控制指標(biāo)，以便確定更為完善的設(shè)計(jì)方案和較為靈活的適用范圍。在滿足350 km/h速度目標(biāo)值的同時(shí)，還應(yīng)考慮最小曲線半徑1 200 m及相應(yīng)行車速度的構(gòu)造要求，以及鋪設(shè)不同類型無砟軌道引起的橋面二期恒載變化。在保證結(jié)構(gòu)安全和使用功能的前提下，更好地體現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性[1]。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1梁高確定

高速鐵路雙線橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)日臻成熟，已經(jīng)形成了較完備的理論體系。目前，對(duì)于單線橋梁的多項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)尚無明確規(guī)定，其合理梁高的選取是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(1)已建客運(yùn)專線鐵路單線簡支箱梁的梁高統(tǒng)計(jì)[2-5]

已發(fā)布的單線簡支箱梁通用參考圖有：通橋(2006)2328并置梁(適用于350 km/h客運(yùn)專線鐵路雙線并置梁)、通橋(2008)2211A(適用于250 km/h客運(yùn)專線鐵路單線梁)。建設(shè)項(xiàng)目各單位設(shè)計(jì)的單線簡支箱梁圖有：合蚌、盤營、滬寧、廣深港等線路的梁圖。其跨度32 m箱梁的梁高見表1。

從表1可以看出，設(shè)計(jì)速度200 km/h及以上客專的32 m單線簡支梁因速度目標(biāo)值不同，靜活載撓跨比在1/4 000～1/6 500，梁高在2.6～3.05 m。

表1　不同單線簡支箱梁圖梁高對(duì)比

(2)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

我國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)[6]( 以下簡稱“高鐵規(guī)范”)規(guī)定了單線簡支梁的梁體豎向撓度限值按雙線橋限值的0.6倍取用，即0.6×L/1 600=L/2 667。德國、法國等相關(guān)規(guī)范規(guī)定梁端支座斷面轉(zhuǎn)角單線橋0.3‰(相當(dāng)于撓跨比f/L=1/10 600)，雙線橋0.5‰(相當(dāng)于撓跨比f/L=1/6400)。“高鐵規(guī)范”的規(guī)定說明單線簡支梁豎向剛度要求比雙線大。相關(guān)規(guī)范的對(duì)比如表2所示。

表2　不同高速鐵路規(guī)范單線梁限值對(duì)比

(3)箱梁豎向剛度

在研究單線箱梁的相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，必須考慮與雙線箱梁的剛度匹配，避免出現(xiàn)“跳車”現(xiàn)象，保證高速列車行車的平穩(wěn)性與乘坐的舒適性。32 m雙線簡支梁“通橋(2008)2322A”設(shè)計(jì)的靜活載撓跨比1/5 278，本次研究，選取2.6、2.8、3.0 m梁高進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，主要指標(biāo)比較見表3。梁高2.6、2.8、3.0 m的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表3　主要設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比(二恒取100 kN/m)

(4)動(dòng)力特性及列車走行性分析

建立車輛(機(jī)車)空間振動(dòng)分析模型，根據(jù)計(jì)算模型與原理，分析全橋模型在3種車型(德國ICE3動(dòng)力、國產(chǎn)動(dòng)力分散獨(dú)立式高速列車、日本500系動(dòng)力分散獨(dú)立高速列車)通過橋梁時(shí)的車橋系統(tǒng)空間動(dòng)力響應(yīng)[7]。

針對(duì)不同梁高(2.6、2.8、3.0 m)、腹板斜率(1∶4、1∶5、1∶6、1∶10)、底板寬度(300、320、340 cm)等情況，二期恒載選取60～120 kN/m分別組合，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，本次僅從沖擊系數(shù)及橫、豎向動(dòng)移在同車速段、同列車類型情況下進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4　不同梁高對(duì)主梁的沖擊系數(shù)及豎、

在設(shè)計(jì)車速段，2.8 m梁高的沖擊系數(shù)、豎向位移較其他略大、橫向位移相當(dāng)；在檢算車速段，2.8 m梁高的上述3項(xiàng)指標(biāo)較其他均略小。

(5)工程數(shù)量及經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見表5。

表5　主要材料及概算對(duì)比(二恒取100 kN/m)

經(jīng)分析比較，選取梁高2.8 m，不但各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，而且車橋動(dòng)力響應(yīng)在檢算速度段更優(yōu)，具備良好的經(jīng)濟(jì)性。從已建項(xiàng)目的運(yùn)營實(shí)踐，該梁高也綜合已建項(xiàng)目成果，并得到了充分的統(tǒng)一，具備標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.2橋面布置

(1)全面分析已有設(shè)計(jì)成果

表1中已建項(xiàng)目的橋面寬度6.45～8.4 m，線路中心至防護(hù)墻內(nèi)側(cè)的凈距1.9～2.2 m；目前雙線簡支箱梁的線路中心至防護(hù)墻內(nèi)側(cè)的凈距，無砟軌道為1.9 m，有砟軌道為2.2 m。通橋(2009)2229無砟和有砟軌道，線路中心至防護(hù)墻內(nèi)側(cè)均采用2.2 m，秦沈客專箱梁則為2.05 m[2]。

(2)考慮施工及運(yùn)營安全

高速鐵路單線簡支箱梁橋面合理寬度不是簡單的雙線橋面寬度與線間距之差，除了雙線所需考慮的限界、風(fēng)壓帶寬度、維修通道寬度外，至關(guān)重要的因素是兩防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈距值的確定，既要考慮施工期間運(yùn)、架設(shè)備的通行寬度要求，還要考慮運(yùn)營期間橋面防排水通道設(shè)置。在施工期間，如果該值偏小，特別是在線路曲線半徑為1 200 m時(shí)，運(yùn)梁車馱梁的橫向傾覆穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求；運(yùn)營期間，如果橋面排水不暢，積水深度淹沒無砟軌道底座，浸泡CA砂漿墊層時(shí)，運(yùn)營安全將受到嚴(yán)重威脅。所以，兩防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈距值不但直接影響施工安全，而且也影響梁體耐久性及運(yùn)營安全，必須制定合理的橋面寬度。

(3)滿足相關(guān)專業(yè)要求

橋面除布置軌道結(jié)構(gòu)外，還承載著電力、電化、通信、信號(hào)、聲屏障等相關(guān)設(shè)施，相關(guān)專業(yè)要求也不容忽視。

經(jīng)過理論計(jì)算分析并充分借鑒高速鐵路雙線簡支箱梁橋面寬度成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合合蚌客?，F(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，最終確定防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈距為4.4 m，橋面寬度7.4 m。具體布置見圖1[8]。

圖1　橋面布置(單位：mm)

2.3二期恒載范圍及分級(jí)

根據(jù)單線梁所處直、曲線不同區(qū)段、軌道結(jié)構(gòu)類型、是否設(shè)置聲屏障(或風(fēng)屏障)、欄桿類型等不同，組合方式共有32種，其值處于60.7～114.4 kN/m。為滿足不同橋面構(gòu)造要求，二期恒載的分布范圍按60～120 kN/m考慮，由于單線梁預(yù)應(yīng)力束的布置對(duì)于二恒重力反應(yīng)較雙線梁敏感，分別對(duì)10、15 kN/m兩種階差進(jìn)行了比較驗(yàn)算，最終采取15 kN/m階差分級(jí)。

2.4支座橫向中心距選取

梁高取2.8 m、頂寬7.4 m、底寬3.4 m時(shí)，不同支座中心距橫向傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果見表6，支座橫向中心距為2.7、2.5、2.3 m時(shí)橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3，滿足規(guī)范要求。其中支座橫向中心距為2.7 m時(shí)，與“通橋(2008)2322A”圖中跨度31.5 m簡支箱梁橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)相當(dāng)。因此本設(shè)計(jì)支座橫向中心距選用2.7 m[1]。

表6　橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)

2.5腹板斜率及外輪廓圓弧倒角設(shè)計(jì)

高速鐵路橋梁注重景觀設(shè)計(jì)，宜采用斜腹板、大圓弧、流線形截面，為此對(duì)腹板斜率及外輪廓圓弧倒角大小進(jìn)行比選[1，9]。

(1)腹板斜率的比較

為方便斜腹板中預(yù)應(yīng)力束的布置，腹板斜率一般大于1/tan30°(約1.73∶1)。在頂板寬度采用7.4 m、底板寬度采用3.4 m、梁高采用2.8 m的前提下，選取斜率4∶1、5∶1、10∶1三種腹板斜率形式比較，如圖2和圖3所示。綜合考慮推薦采用5∶1腹板斜率。

圖2　不同腹板斜率對(duì)比

圖3　梁部和橋墩配置(單位：cm)

(2)外輪廓圓弧倒角的比選

在梁頂寬7.4 m、底寬3.4 m、梁高2.8 m及腹板斜率采用5∶1的前提下，對(duì)外輪廓圓弧倒角R=0.5、0.75、1.0、1.5 m四種情況進(jìn)行比較，見圖4。

圖4　外輪廓圓弧倒角對(duì)比

跨度32 m簡支梁采用不同圓弧倒角時(shí)，梁部混凝土用量對(duì)比見表7。

圓弧倒角越大，混凝土用量越大，圓弧倒角R=1.5 m比R=0.5 m的梁部混凝土用量大13.6 m3，圓弧倒角R=0.75 m比R=0.5 m的梁部混凝土用量大2.5 m3。圓弧倒角大，外形美觀?！巴?2008)2322A”圖中跨度31.5 m雙線簡支梁外輪廓圓弧倒角R=0.75 m。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和美觀，推薦外輪廓圓弧倒角R=0.75 m。

表7　不同圓弧倒角的梁體混凝土用量對(duì)比

2.6梁端局部結(jié)構(gòu)尺寸擬定

目前預(yù)制單線簡支箱梁均采用架橋機(jī)吊裝架設(shè)，吊點(diǎn)設(shè)在梁端頂板上，由于局部應(yīng)力較大，梗脅處常出現(xiàn)可見裂縫。本次設(shè)計(jì)通過調(diào)整吊點(diǎn)縱向位置、橫向間距、吊點(diǎn)附近梗肋倒角半徑等參數(shù)進(jìn)行了7種方案比選，結(jié)果見表8[1]。

從表8可以看出：

(1)隨著吊點(diǎn)橫向間距增大，最大拉應(yīng)力減小。如方案1、方案2，橫向間距由1.3 m增大至2.0 m，最大拉應(yīng)力由6.13 MPa降至4.38 MPa，降低28.5%；

(2)隨著頂板厚度增加，拉應(yīng)力減小。如方案2、方案4，頂板厚度由0.45 m增大至0.50 m，最大拉應(yīng)力由4.38 MPa降至3.67 MPa，降低16.2%；

(3)上梗肋內(nèi)側(cè)倒角半徑增大，拉應(yīng)力減小，如方案3、方案4、方案5，倒角半徑由0.15 m增大至0.25 m，拉應(yīng)力由4.02 MPa降至3.52 MPa，降低12.4%；

(4)在支點(diǎn)附近截面，隨著吊點(diǎn)位置向跨中靠攏，拉應(yīng)力減小，如方案5、方案6，吊點(diǎn)順橋向向跨中移動(dòng)0.15 m，最大拉應(yīng)力由3.52 MPa降至3.22 MPa，降低8.5%；

(5)隨著前后兩吊點(diǎn)縱向間距減小，拉應(yīng)力增大，如方案5、方案7，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)縱向間距由1.0 m減至0.8 m時(shí)，最大拉應(yīng)力由3.52 MPa增大至3.87 MPa，增加9.9%。

表8　吊梁工況不同方案局部應(yīng)力分析

綜合以上因素，本次設(shè)計(jì)采用方案6，即梁端頂板厚度0.5 m，腹板與頂板內(nèi)側(cè)倒角半徑取0.25 m，吊點(diǎn)橫向間距2 m，吊點(diǎn)距梁端距離0.9 m，如圖5所示，最大拉應(yīng)力發(fā)生在上梗肋附近，最大為3.22 MPa。

圖5　梁端吊點(diǎn)布置(單位：mm)

3結(jié)語

時(shí)速350 km高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土無砟軌道單線簡支箱梁的編制，綜合以往設(shè)計(jì)成果及經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步補(bǔ)充完善了常用跨度簡支箱梁系列，能更好地滿足高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營管理需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 鐵路工程建設(shè)通用參考圖-時(shí)速350 km高速鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁設(shè)計(jì)意見書[R].上海：中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

[2]鄧運(yùn)清.客運(yùn)專線簡支箱梁綜述[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(1)：65-71.

[3]鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京:高等教育出版社，2008.

[4]孫大斌，姚君芳.盤營客運(yùn)專線鐵路單線預(yù)制常用跨度簡支梁設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(8)：105-108.

[5]姚君芳，孫大斌.鐵路斜腹板簡支箱梁溫度應(yīng)力計(jì)算方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(8)：109-114.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[7]曾慶元，郭向榮.列車橋梁時(shí)變系統(tǒng)振動(dòng)分析理論與應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[8]桂婞，蘇竹松，劉信斌，等.合蚌客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)主要技術(shù)特點(diǎn)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(6)：41-43.

[9]中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.鐵路工程建設(shè)通用參考圖-時(shí)速350公里高速鐵路單線簡支箱梁圓端形實(shí)體橋墩設(shè)計(jì)意見書[R].上海：中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

Design and Analysis of Simple Supported Box Girder on Ballastless Single Track of High Speed RailwayYANG Peng-jian

(Construction Management Office, China Railway Corporation, Beijing 100844, China)

Abstract：Based on the General Reference Drawing for Simple Supported Box Girder with Common Span on Balastless Single Track for 350 km/h High Speed Railways, this paper focuses on the analysis of stresses with respect to girder height, bridge deck width, secondary dead load, transverse center distance of bearing, girder end structure, and web slope and arc chamfering of outer contour and other micro structures are illustrated in terms of outlook and economy. Furthermore, reasonable values for these parameters are determined through calculation.

Key words：High speed railway; Single track girder; Simple supported box girder; Design

中圖分類號(hào)：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.019

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0086-04

作者簡介：楊鵬健(1985—)，男，工程師， 2005年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：jssbzc@163.com。

收稿日期：2014-10-08； 修回日期：2014-11-13