重载铁路预应力混凝土梁桥设计及经济性分析 重载铁路预应力混凝土梁桥设计及经济性分析
徐 辉,张世基,严章荣,孟庆涛
(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁设计研究院,北京 100055)
摘 要：针对国内首条重载铁路山西中南部铁路通道工程的建设,结合系列简支T梁和连续梁的工程设计和经济性分析,得出重载预应力混凝土梁桥的合理设计,通过中活载与重载两种荷载模式下常用跨度简支T梁和系列连续梁的设计、研究,对比分析桥梁上部及下部结构的材料用量和延米造价,确定山西中南部铁路通道工程采用的混凝土梁桥线通图,主要结论如下：(1)预应力混凝土梁部设计在活载采用重载列车时,其材料用量提高值小于其承载能力提高值；(2)活载采用重载列车对下部结构的影响比值较小。
关键词：重载铁路；预应力混凝土；简支梁；连续梁； T梁;箱形梁；设计；经济性
1 工程概况
重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国的广泛重视，特别是在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等，发展尤为迅速。世界铁路重载运输是从20世纪50年代开始出现并发展起来的，60年代中后期，重载运输开始取得实质性进展，并逐步形成强大的生产力。在国际重载协会理事会上，对新申请加入国际重载协会的重载铁路，要求满足以下3条标准中的至少2条：列车牵引质量不小于8 000 t、轴重达270 kN以上、在长度不小于150 km线路上年运量不低于4 000万t[1]。
山西中南部铁路通道工程在这种背景下应运而生，其设计标准：列车牵引质量10 000 t、轴重达300 kN、全长1 300 km，年运量2亿t，完全满足国际重载协会所提的3个标准，是国内真正意义上的第一条重载铁路。山西中南部铁路通道西起山西省吕梁市兴县瓦塘镇，途经河南北部地区，东至山东省日照市日照港，于开工建设，全部建成通车，范围为：正线洪洞北至日照南段(铁路正线里程DK319+000～DK1 279+700)；联络线跨太焦、京广、京九、京沪、兖日等工程，正线长度923.995 km，相关配套改建工程，共计90.986 km，共有桥梁148座，总长216.2 km，桥梁占线路长度的21.3%。
2 设计参数
(1)设计速度：客车160 km/h，货车为120 km/h(C96、C80为100 km/h)。
(2)线路情况：双线，正线直、曲线，最小平面曲线半径800 m，线间距4.0～5.0 m。
(3)桥面宽度：单线铁路桥面宽4.9 m，双线铁路桥面宽8.9 m(线间距4.0 m时)，桥面两侧设人行道，人行道宽度分为0.8、1.05 m二种。
(4)设计荷载[2-5]
①结构恒载
按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—)第4.2.1条进行计算，二期恒载含线路设备、道砟、人行道支架、步板、声屏障、电缆槽、挡砟块、现浇桥面板及横隔板湿接缝的重力。声屏障自重按4 kN/延米计算，设计采用的二期恒载值为：单线直线梁84.14 kN/m；单线曲线梁92.49 kN/m；双线直线梁169.24 kN/m；双线曲线梁184.33 kN/m。
②活载
列车活载：设计列车活载采用“中-活载()ZH标准(Z=1.2)”，如图1所示。
动力系数：动力系数按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—)4.3.5-3公式计算， 即:1+μ=1+12/(30+L)，其中L为梁的计算跨度。
图1 列车活载图式
人行道荷载：竖向静活载值为4.0 kPa，计算主梁时人行道活载不与列车活载同时组合。人行道板按竖向集中荷载1.5 kN计算。
离心力：曲线桥梁上的离心力大小等于列车竖向静活载乘以离心力率C，水平向外作用于轨顶以上2.2 m处，离心力率C按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—)第4.3.6条计算。
横向摇摆力、附加力、特殊荷载取值按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—)计算。
③荷载组合
主力组合、主力+附加力组合，取最不利组合，并对特殊荷载进行检算。
3 常用跨度预应力混凝土简支T梁设计及分析[6]
针对本线的技术特点，设计了常用跨度预应力混凝土简支T梁线通图，涉及16、20、24、32 m共4种常用跨度。
桥面布置见图2，单线桥面宽4.9 m，线间距为4.0 m时，双线桥面宽8.9 m，调整2片中梁间湿接缝宽度，线间距变化范围在4.0～5.0 m。
图2 双线梁桥面布置(曲线)(单位：mm)
3.1 重载铁路简支T梁整体受力适应性研究[7]
(1)设计原则
我国普通客货共线铁路在用的简支T梁共有2个系列通用参考图，设计图号为通桥()2101和通桥()2201[8-9]，分别适用于设计时速160 km和200 km客货共线铁路。两个系列通用参考图主要梁型梁体混凝土强度等级均采用C55，因时速200 km铁路对桥梁刚度要求较高，通桥()2201各跨度梁高比通桥()2101高0.1～0.2 m。重载铁路桥梁刚度要求与时速160 km铁路要求相同，考虑到列车轴重较大，简支T梁设计时跨度32 m和24 m梁高在通桥()2101基础上各增加0.1 m，跨度20 m和16 m梁高与通桥()2101相同，设计中梁体混凝土强度等级采用C60。
(2)结构尺寸
预制梁边梁桥面顶总宽为2.3 m，外侧桥面板厚0.13 m，内侧桥面板厚0.24 m，腹板厚0.24 m，挡砟墙高0.45 m；中梁桥面顶总宽为1.7 m，桥面板厚0.24 m，跨度32 m梁腹板厚0.27 m(跨度24 m及以下梁腹板厚0.24 m)。
(3)预应力筋布置
重载铁路桥梁二期恒载和活载较大，预制梁需要相对较大的预应力度，增加梁体预应力度同时会引起梁体变形加大，影响存梁、运输时支点的设置，各设计指标相互影响，因此预应力布置需要统筹兼顾。重载铁路的特点为年运量大、列车编组长，疲劳荷载作用次数远大于普通铁路，为满足结构使用年限的要求，设计中需调小预应力钢束的应力幅限值，按预应力钢束的应力幅不大于100 MPa进行控制(规范相应值为140 MPa)，预应力筋布置于下翼缘和腹板内，采用曲线布置形式。
(4)简支T梁整体受力适应性研究结论
经计算强度、刚度、裂缝控制主要计算结果均满足规范要求，承载能力满足重载铁路要求。结构在静活载下的梁端转角、挠跨比较小，设计主要由强度和应力控制。
3.2 重载铁路常用跨度简支T梁经济性研究
在相同设计时速、相同跨度的情况下，本线梁与采用中-活载的通桥()2101系列梁的主要指标对比分析见表1。
表1 不同列车活载系列简支T梁对比
项目荷载标准混凝土强度道砟厚度/m梁高/建筑高度/m32m24m20m16m部位混凝土/m3(预制)预应力钢绞线/t(预制)钢筋/t(预制)梁重/t(预制)32m24m20m16m32m24m20m16m32m24m20m16m32m24m20m16m32m24m20m16m混凝土钢材预应力混凝土钢材预应力混凝土钢材预应力混凝土钢材预应力通桥()2101晋中南简支T梁线通图中活载采用ZH活载,系数Z=1.2预制梁体C55,现浇湿接缝C50预制梁体C60,现浇湿接缝C500.30.352.50/3.152.60/3.302.10/2.752.20/2.901.80/2.451.80/2.501.60/2.251.60/2.30每孔梁单线直/曲每孔梁双线直/曲每孔梁单线直/曲每孔梁双线直/曲107.42/107.42207.47/207.47112.38/112.38219.5/219.575.89/75.89146.34/146.3479.13/79.13152.34/152.3459.87/59.87115.41/115.4160.99/60.99117.27/117.2748.00/48.0093.64/93.6448.95/48.9594.99/94.995.63/6.5311.26/13.066.548/7.21613.468/14.8802.930/3.2745.860/6.5483.408/3.6926.816/7.4982.236/2.4304.472/4.8602.686/2.8785.372/5.8521.346/1.4662.692/2.9321.636/1.8303.272/3.66016.141/16.14129.968/29.96821.187/21.18738.689/38.68911.896/11.89614.135/14.13515.205/15.20527.533/27.5339.559/9.55917.881/17.88112.037/12.03721.656/21.6568.029/8.02915.177/15.17710.063/10.06318.165/18.165284.5/284.5548.0/548.0291.2/291.2568.0/568.0201.7/201.7387.9/387.9205.5/205.5395.3/395.3159.7/159.7307.0/307.0158.9/158.9305.2/305.2128.0/128.0248.9/248.9127.5/127.5247.1/247.13.4346.833.5857.1440.5190.9970.8891.4760.179/0.2060.360/0.4150.206/0.2270.426/0.4703.2186.43.3556.6070.5070.9770.861.4110.126/0.1400.253/0.2810.144/0.1560.291/0.3193.026.0023.0726.0370.4870.9450.8271.3430.114/0.1240.230/0.2490.136/0.1450.273/0.2973.0526.1793.1126.2050.5121.0060.8631.4160.089/0.0960.180/0.1940.106/0.1170.214/0.237
注：上述数值均为每延米梁部材料用量，混凝土单位为m3/m，钢材均为t/m。
从表1分析可知：梁部混凝土用量提高系数为1.017～1.044(单线)/1.004～1.046(双线)；钢绞线用量提高系数为1.143～1.193(单线直线)/1.102～1.219(单线曲线)/1.150～1.189(双线直线)/1.133～1.222(双线曲线)；普通钢筋用量提高系数1.686～1.713(单线)/1.408～1.480(双线)。普通钢筋用量异常增大的原因为：通桥()2101梁未考虑声屏障荷载(非声屏障梁不能安装声屏障)，ZH活载(系数Z=1.2)常用跨度梁考虑声屏障荷载(非声屏障梁可以加装声屏障，T梁悬臂板横向钢筋加强)。
预应力混凝土简支T梁梁部设计在活载采用重载列车时，其材料用量提高值均小于其承载能力提高值。
4 预应力混凝土连续梁设计及分析
为适应跨越铁路、公路、市政道路、河流，高山深谷区等复杂工点，本线设计系列重载预应力混凝土连续梁。连续梁采用变高度单箱单室形式，采用悬臂浇筑或支架现浇等方法，具有架设便捷、跨度大，技术成熟的特点。本线选用的连续梁类型及跨度见表2。
表2 连续梁类型及跨度
施工方法悬臂灌注支架现浇梁型双线单线双线跨度/m32+48+3240+56+4040+64+4040+72+4048+80+4860+100+6065+112+6532+48+3240+64+4032+48+3248+80+48
4.1 重载列车作用下连续梁整体受力适应性研究[10]
4.1.1 设计原则
(1)梁体构造：采用直、曲线梁合并设计，双线梁线间距大于4 m时，保持箱体底宽不变，仅根据线间距的变化相应增加翼缘悬臂板长度。曲线上梁按曲梁曲做原则布置，梁体轮廓、普通钢筋、预应力钢束及管道等沿径向依据曲率进行调整，支座按径向布置。
(2)预应力筋：梁体不设横向、竖向预应力筋，仅设纵向预应力钢束。适当加强腹板束，以提高全梁的承载力。设计中没有采用连续梁常用的三向预应力体系，主要依据为：参照本线设计标准，连续梁桥面宽度较窄，且翼缘板悬臂长度较小，箱体横向结构受力普通钢筋混凝土满足规范要求，桥面不设横向预应力。国内外大量连续梁的监控、调查发现箱体竖向预应力的损失很大，所起到的抗剪作用有限，因而连续梁设置竖向预应力筋，仅作为安全储备，不计入竖向和斜向抗剪计算。
4.1.2 结构尺寸
梁体为单箱单室、变高度、变截面结构，梁底下缘按二次抛物线变化，各跨度连续梁截面主要尺寸见表3。
表3 各跨度连续梁截面设计参数
类型双线单线跨度/m中支点/cm跨中/cm梁高腹板顶板底板梁高腹板顶板底板高跨比32+48+323807060702805035401/12.640+56+404808060703205035401/11.740+64+405408060803405035401/11.940+72+406208060803805035401/11.648+80+486709060904105035401/11.960+100+6080601005206035501/12.265+112+65890100701105706035501/12.632+48+323606035602604035301/13.340+64+405206035703204035301/12.3
4.1.3 连续梁受力适应性研究结论
各跨度连续梁(曲线线间距5.0 m)在主力下最小强度安全系数、最小抗裂安全系数、主跨跨中下缘混凝土最小压应力、残余徐变拱度、静活载下梁端转角、挠跨比等主要计算结果均满足规范要求，承载力满足重载铁路要求。结构在静活载下的梁端转角、挠跨比均较小，设计主要由强度和应力控制。
4.2 重载铁路连续梁经济性研究[6]
下面选用几种常用跨度，在相同设计时速、相同跨度的情况下，与采用中-活载的连续梁进行对比，主要指标对比见表4。
表4 不同列车活载系列连续梁对比
跨度/m32+48+3240+64+4048+80+4860+100+60梁高/m中活载3.75(3.05)5.0(2.9)6.6(3.8)7.85(4.85)采用ZH活载,系数Z=1.23.8(2.8)5.4(3.4)6.7(4.1)8.2(5.2)比值(ZH/中)%101.33(91.80)108.00(117.24)101.52(107.89)104.46(107.22)混凝土用量/(m3/m)中活载11.8213.7415.4918.75采用ZH活载,系数Z=1.211.5413.1515.2518.67比值(ZH/中)0.9760.9570.9850.996预应力钢绞线用量/kg/m3中活载49.6250.0242.4949.47采用ZH活载,系数Z=1.248.550.652.3851.71比值(ZH/中)%0.9771.0121.2331.045钢筋/kg/m3中活载217.6180.67171.81173.76采用ZH活载,系数Z=1.2266.93255.41245217.48比值(ZH/中)%1.2271.4141.4261.252
注：括号内数字为连续梁跨中梁高。
结论：在设计优化的情况下，梁高和主要材料用量未现大幅增长。
5 下部结构设计及分析[11]
桥墩采用铁路常用钢筋混凝土圆端形实体与空心桥墩，墩身截面一般采用单一坡比的圆端形，墩身高H从托盘底算起。考虑施工方便及桥梁的景观功能，各跨度的简支梁桥墩外形一致，根据跨度、墩高决定直段长B、圆端直径D及墩身坡n，墩身纵向最小尺寸不小于2.0 m。为简化设计，便于施工，同一跨度的双线桥墩墩身直曲线合并设计，单线桥墩尺寸比较小，直曲线墩身分开设计。当墩身高不大于30 m时，采用实体墩，否则采用空心圆端形桥墩。不等跨的简支梁，墩身采用较大跨度的墩身及托盘，顶帽做成不等高，垫石分开设置。
双线桥墩设计尺寸见表5。
表5 桥墩设计参数
类别跨度/m双线直曲线32+3232+2432+2032+16两线梁垫石中心距D/cm410≤D
墩身混凝土、钢筋应力、墩顶水平线刚度均满足规范要求，基础设计根据需要一般采用桩基础和明挖基础设计。桥墩检算结果见表6。
表6 桥墩检算结果
混凝土最大拉应力(不计地震)/MPa地震力下混凝土最大压应力/MPa地震力下钢筋最大拉应力/MPa0.4711.92252.02
6 主要结论与建议
6.1 主要结论
(1)相对于中-活载(2101梁)，本线ZH活载(系数Z=1.2)常用跨度梁在梁高指标上32 m和24 m梁各增加10 cm，20 m和16 m梁梁高一致，梁体混凝土强度等级由C55提高至C60，混凝土、预应力钢绞线的用量增加在14%以下，普通钢筋的用量增加原因为加装2 m高以下声屏障引起，ZH活载(系数Z=1.2)常用跨度梁较大增加运能，材料用量增幅相对较小，体现了设计精细化、经济性能高的特点，材料的节省符合环保设计的要求。
(2)在优化预应力体系的情况下，重载连续梁相对于中-活载连续梁混凝土用量没有增加，预应力材料用量相对活载提高20%以上的情况下仅增加7%以下，普通钢筋的用量增加因安装2 m高以下声屏障引起，相对于T梁经济上提高的幅度更小。
(3)重载相对于普通中-活载，桥墩墩身数量基本无变化，对桩长的影响增加长度在2 m以下。
(4)从桥梁整体来看，预应力混凝土梁桥在本线桥梁中占比在90%以上，在全桥造价增幅小于6%的情况下，承受活载能力大幅提高20%，在大宗散货运输铁路线上具有大运量兼具经济性的优势，是未来的发展方向。
6.2 建议
目前山西中南部铁路工程为ZH活载(系数Z=1.2)，在运能大的线路区间上研究系数Z>1.2的系列活载模式下的重载梁是必要的，对社会节能环保做出合理设计，保护日益重要的生态环境。
参考文献：
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Design & Economic Analysis of Heavy Haul Railway Prestressed Concrete Bridge
XU Hui, ZHANG Shi-Ji, YAN Zhang-rong, MENG Qing-tao
(Bridge Design and Research Institute of China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)
Abstract：With respect to the construction of the first heavy haul railway in central and southern part of shanxi, this paper addresses the rational design of prestressed concrete beam bridge on heavy haul railway based on the engineering design and economic analysis of series of simple supported T beam and continuous beam. Comparative analysis is conducted of the beam and the upper and lower structure material dosage and the linear meter cost on the basis of the design and research on the live load and overload in conventional span under two load modes of series of simply supported T beam and continuous beam, and to draw out the map of concrete beam bridge and track. The main conclusions are as follows: (1) when the live load of prestressed concrete beam is calculated in the case of the heavy haul train, its material consumption value is less than its carrying capacity improvement value; (2) when the live load is calculated with the heavy haul train, the impact on the infrastructure is smaller.
Key words：Heavy haul railway; Prestressed concrete; Simple supported beam; Continuous beam; T beam; Box beam; Design; Economic
收稿日期：-04-10；
修回日期：-04-29
基金项目：中国中铁股份有限公司科技研究重点项目(-重点-2)
作者简介：徐 辉(1970—)，男，高级工程师，1992年毕业于同济大学桥梁工程系桥梁工程专业，工学学士，E-mail：xuh_hpdi@。
文章编号：1004-2954()12-0053-05
中图分类号：U442.5
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954..12.013
