重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析

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摘要：重載鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低，因此受到了世界各國(guó)的廣泛好評(píng)。尤其在一些幅員遼闊、資源豐富且煤炭和礦石等大宗貨物運(yùn)量比重大的國(guó)家更是發(fā)展迅速。本文結(jié)合工程實(shí)例，就重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了相關(guān)論述，在今后同類設(shè)計(jì)中有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)性分析

重載鐵路通常采用大功率機(jī)車、大軸重貨車和長(zhǎng)大單元列車編組，從而能夠大幅提高列車的運(yùn)輸重量，高效的利用既有運(yùn)輸設(shè)備，充分發(fā)揮鐵路大宗、集中、長(zhǎng)距離、全天候的運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到大運(yùn)輸、高效率、低成本的經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸目的。2005年國(guó)際重載協(xié)會(huì)理事會(huì)提出認(rèn)定重載鐵路新標(biāo)準(zhǔn)為能滿足下列條件中至少2條：①列車牽引質(zhì)量≥0.8萬(wàn)t；②在長(zhǎng)度≥150km的線路上，年運(yùn)量，4000萬(wàn)t；③貨車軸重≥27t。由于重載鐵路運(yùn)輸具有運(yùn)能大，效率高、運(yùn)輸成本低的優(yōu)點(diǎn)，在大宗物資運(yùn)輸方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，因此重載鐵路運(yùn)輸已成為當(dāng)今世界鐵路發(fā)展及研究的重要方向之一。

一、工程實(shí)例

某鐵路設(shè)計(jì)的列車牽引質(zhì)量10000t、軸重達(dá)300kN、全長(zhǎng)1300km，年運(yùn)量2億t，正線長(zhǎng)度923.995km，相關(guān)配套改建工程，共計(jì)90.986km，共有橋梁148座，總長(zhǎng)216.2km，橋梁占線路長(zhǎng)度的21.3%。依據(jù)2005年國(guó)家重載協(xié)會(huì)理事會(huì)提出的重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)可知，該鐵路明顯屬于重載鐵路的范疇。該鐵路設(shè)計(jì)的參數(shù)主要包含以下幾點(diǎn)：第一，設(shè)計(jì)速度：客車160km/h，貨車為120km/h（C96、C80為100km/h）。第二，線路情況：雙線，正線直、曲線，最小平面曲線半徑800m，線間距4.0～5.0m。第三，橋面寬度：?jiǎn)尉€鐵路橋面寬4.9m，雙線鐵路橋面寬8.9m（線間距4.0m時(shí)），橋面兩側(cè)設(shè)人行道，人行道寬度分為0.8、1.05m二種。第四，設(shè)計(jì)荷載：

①結(jié)構(gòu)恒載

按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）第4.2.1條進(jìn)行計(jì)算，二期恒載含線路設(shè)備、道砟、人行道支架、步板、聲屏障、電纜槽、擋砟塊、現(xiàn)澆橋面板及橫隔板濕接縫的重力。聲屏障自重按4kN/延米計(jì)算，設(shè)計(jì)采用的二期恒載值為：?jiǎn)尉€直線梁84.14kN/m；單線曲線梁92.49kN/m；雙線直線梁169.24kN/m；雙線曲線梁184.33kN/m。

②活載

列車活載：設(shè)計(jì)列車活載采用“中-活載（2005）ZH標(biāo)準(zhǔn)（Z=1.2）”，動(dòng)力系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）4.3.5-3公式計(jì)算，即：1+μ=1+12/（30+L），其中L為梁的計(jì)算跨度。

列車活載：圖式人行道荷載：豎向靜活載值為4.0kPa，計(jì)算主梁時(shí)人行道活載不與列車活載同時(shí)組合。人行道板按豎向集中荷載1.5kN計(jì)算。離心力：曲線橋梁上的離心力大小等于列車豎向靜活載乘以離心力率C，水平向外作用于軌頂以上2.2m處，離心力率C按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）第4.3.6條計(jì)算。橫向搖擺力、附加力、特殊荷載取值按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）計(jì)算。

③荷載組合

主力組合、主力+附加力組合，取最不利組合，并對(duì)特殊荷載進(jìn)行檢算。

二、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計(jì)及分析

（一）重載列車作用下連續(xù)梁整體受力適應(yīng)性研究

為適應(yīng)跨越鐵路、公路、市政道路、河流，高山深谷區(qū)等復(fù)雜工點(diǎn)，本線設(shè)計(jì)系列重載預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。連續(xù)梁采用變高度單箱單室形式，采用懸臂澆筑或支架現(xiàn)澆等方法，具有架設(shè)便捷、跨度大，技術(shù)成熟的特點(diǎn)。

1.設(shè)計(jì)原則

（1）梁體構(gòu)造：采用直、曲線梁合并設(shè)計(jì)，雙線梁線間距大于4m時(shí)，保持箱體底寬不變，僅根據(jù)線間距的變化相應(yīng)增加翼緣懸臂板長(zhǎng)度。曲線上梁按曲梁曲做原則布置，梁體輪廓、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束及管道等沿徑向依據(jù)曲率進(jìn)行調(diào)整，支座按徑向布置。

（2）預(yù)應(yīng)力筋：梁體不設(shè)橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋，僅設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。適當(dāng)加強(qiáng)腹板束，以提高全梁的承載力。設(shè)計(jì)中沒有采用連續(xù)梁常用的三向預(yù)應(yīng)力體系，主要依據(jù)為：參照本線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)梁橋面寬度較窄，且翼緣板懸臂長(zhǎng)度較小，箱體橫向結(jié)構(gòu)受力普通鋼筋混凝土滿足規(guī)范要求，橋面不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。

國(guó)內(nèi)外大量連續(xù)梁的監(jiān)控、調(diào)查發(fā)現(xiàn)箱體豎向預(yù)應(yīng)力的損失很大，所起到的抗剪作用有限，因而連續(xù)梁設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋，僅作為安全儲(chǔ)備，不計(jì)入豎向和斜向抗剪計(jì)算。

3.連續(xù)梁受力適應(yīng)性研究結(jié)論

各跨度連續(xù)梁（曲線線間距5.0m）在主力下最小強(qiáng)度安全系數(shù)、最小抗裂安全系數(shù)、主跨跨中下緣混凝土最小壓應(yīng)力、殘余徐變拱度、靜活載下梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比等主要計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，承載力滿足重載鐵路要求。結(jié)構(gòu)在靜活載下的梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比均較小，設(shè)計(jì)主要由強(qiáng)度和應(yīng)力控制。

（二）重載鐵路連續(xù)梁經(jīng)濟(jì)性研究

下面以（32+48+32）m跨度的為例，在相同設(shè)計(jì)時(shí)速下，與采用中-活載的連續(xù)梁進(jìn)行對(duì)比。主要參數(shù)對(duì)照見下表：

項(xiàng)目梁高/m混凝土用量 /（m3/ m）預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量/（kg/m3）鋼筋/（kg/m3）

中-活載3.75（3.05）11.8249.62217.60

采用ZH活載，系數(shù)Z=1.23.8（2.8）11.5448.50266.93

比值（ZH/中）1.013（0.918）0.980.981.23

由上表可知，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的情況下，連續(xù)梁結(jié)構(gòu)高度和主要材料用量未現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。普通鋼筋的用量雖然增加較多，但主要原因?yàn)榘惭b2m高聲屏障引起，在全橋造價(jià)增幅小于6%的情況下，承受活載能力大幅提高了20%，在大宗散貨運(yùn)輸鐵路線上具有大運(yùn)量兼具經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)。

總之，本文結(jié)合某重載鐵路工程實(shí)例，就重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了相關(guān)論述，可以得到如下結(jié)論：對(duì)于相同跨度梁，本線在ZH活載（系數(shù)Z=1.2）的列車活載下，相對(duì)于中-活載，在全橋造價(jià)增幅小于6%的情況下，承受活載能力大幅提高20%，具有運(yùn)能大，效率高、運(yùn)輸成本低的優(yōu)點(diǎn)，在大宗散貨運(yùn)輸鐵路線上具有大運(yùn)量兼具經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，是未來的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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