中國鐵路標準預應力混凝土簡支T梁對歐洲鐵路荷載的適應性分析

王 博

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

近幾年中國參與的國外鐵路工程項目較多，其中不少項目位于土耳其境內，為了開拓土耳其鐵路工程項目市場，研究中國鐵路標準梁在歐洲標準的車輛荷載下的適應性就顯得尤為重要。本文介紹了歐洲標準車輛荷載作用下國內標準T梁的強度以及自振頻率等，希望為有同類設計要求的項目提供參考和借鑒。

2 歐洲鐵路橋梁荷載介紹

2.1 荷載分類

歐洲鐵路橋梁采用極限狀態法設計，荷載分類如下:

永久作用(G)，如:結構自重、固定設備和路面鋪裝以及由于收縮和不均勻沉降產生的作用;

可變作用(Q)，如:作用在梁面的交通荷載、風荷載、雪荷載等;

偶然作用(A)，爆炸或車輛撞擊等。

2.2 橋梁上的列車荷載

［EN 1991—2］規定的列車荷載如下。

豎向荷載:Load 71、SW(SW/0和SW/2)、“空載”和HSLM荷載;

活載土壓力;

動態響應;

離心力;

擺動力;

牽引力和制動力;

列車通過時產生的空氣動力作用。

2.3 豎向荷載的特征值

軌道交通作用通過荷載模型來確定，鐵路荷載分為5種荷載模型，具體如下:

荷載模型71(SW/0荷載模型用于連續梁橋)代表在鐵路主干線上的常規荷載;

荷載模型SW/2代表重載;

荷載模型HSLM代表速度超過200 km/h的客車荷載;

荷載模型“空載”代表空載列車的影響;

Load71由常規軌道交通產生的豎向荷載的靜力效應，軸載分布和特征值如圖1所示。

圖1 荷載模型71豎向荷載標準圖式(單位:m)

在比正常軌道交通重或輕的軌道交通線上，圖1中的特征值應乘以系數α。乘以系數α后的荷載稱為“分類豎向荷載”。α的取值如下:0.75，0.83，0.91，1.00，1.10 ，1.21，1.33，1.46。

以下所列荷載也應乘以相同的系數α:

活載土壓力效應;

離心力;

擺動力(僅當α≥1時乘以α);

牽引力和制動力;

結構和軌道對于可變作用的組合效應;

脫軌荷載;

連續梁橋的荷載模型SW/0。

撓度計算時，應使用分類豎向荷載和乘以α的其他作用(計算乘客舒適度時 α 取為1)［1～2］。

3 通橋(2005)2101-Ⅰ預制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)梁體受力狀態分析

根據歐洲規范，車輛荷載的動力系數按下式計算［3］

式中 Lφ——梁的計算跨度，m。

作用于梁體上的動力系數為1.125。

本次計算重要性系數取值依次為0.8、1.0、1.2以及1.4，按照不同的重要性系數進行加載，判斷出32 m簡支T梁能滿足哪種“分類豎向荷載”。

3.1 32 m簡支T梁(直線)橋面布置(圖2)

圖2 160 km/h雙線T梁橋面布置(直線)(單位:mm)

3.2 設計荷載

(1)活載采用Load71荷載模型，荷載圖示參見圖1。

(2)一期恒載，結構容重采用26 kN/m3;

(3)二期恒載包括線路設備、道砟、人行道支架、步板、電纜槽、擋砟塊、現澆橋面板以及橫隔板濕接縫的重力。二期恒載采用值如下:邊梁43.87 kN/m;中梁31.33 kN/m。

3.3 材料及設備

3.2.1 混凝土

(1)梁體混凝土強度等級為C55。

(2)封錨混凝土采用補償收縮混凝土，強度等級同梁體。

3.2.2 預應力鋼束

縱向預應力鋼束、橫向預應力鋼束均采用公稱直徑為15.2 mm的鋼絞線，抗拉強度為1 860 MPa，彈性模量為195 GPa。

3.2.3 錨具

縱、橫向預應力鋼束錨具均采用夾片式錨具，其技術條件應符合國家現行標準對預應力筋用錨具的要求，錨墊板采用配套錨墊板，張拉千斤頂采用配套千斤頂。

3.4 設計安全系數及應力控制指標

設計安全系數及各階段應力指標按照鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范控制。

3.5 32 m簡支T梁(直線)空間計算

為確定雙線T梁在活載作用下的空間受力性能，采用Midas進行空間分析，確定結構的自振頻率以及荷載橫向分布系數。雙線簡支T梁Midas模型如圖3所示。

［EN 1991—2:2003］對簡支梁豎向自振頻率規定如下:

簡支梁豎向自振頻率不應低于下列限值［4］

簡支梁豎向自振頻率不應高于下列限值

式中 n0——簡支梁豎向自振頻率限值，Hz;

L——簡支梁跨度，m。

根據上式計算32 m簡支T梁豎向自振頻率不應小于3.03 Hz，不應大于7.09 Hz。

［EN 1990—2002］對簡支梁橫向自振頻率規定如下:

結構橫向一階自振頻率不應小于1.2 Hz。

圖3 160 km/h雙線T梁Midas模型

3.5.1 梁體自振頻率

豎向自振頻率3.59 Hz，振型見圖4。

圖4 160 km/h雙線T梁豎向自振振型

橫向自振頻率［5］9.22 Hz，振型見圖5。

圖5 160 km/h雙線T梁橫向自振振型

根據Midas分析結果，通橋(2005)2101-Ⅰ預制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)梁體自振頻率滿足歐洲標準及中國鐵路規范要求。

3.5.2 荷載橫向分布系數計算

雙線列車活載作用下，梁體彎矩圖見圖6。

圖6 梁體彎矩圖

根據Midas分析結果，邊梁及中梁分擔的荷載比例為24.9%，25.1%，25.1%，24.9%。因此應用BSAS進行平面計算分析時，中梁和邊梁按照均分活載計算。

3.6 主梁計算

簡支T梁為分片式連接，計算采取分別計算邊梁和中梁的方法確定梁體的各種力學指標是否滿足運營荷載的要求，每片梁分擔的活載按照Midas分析結果，中梁和邊梁均分活載。

梁體計算過程中，橫隔板采用集中荷載加載到梁單元上，月平均溫度取±25℃。

用BSAS軟件分別對靜活載引起的撓度［6－8］、運營階段梁體的各項安全性指標等進行計算，并對結果進行比較分析。

(1)靜活載撓度(表1)

表1 梁體活載撓度

根據歐洲規范Load 71荷載作用下最大豎向撓度不應超過L/600，尚應滿足結構動力性能方面的要求。

綜上所述，通橋(2005)2101-Ⅰ預制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)梁體撓度及轉角滿足歐洲標準及中國鐵路規范要求。

(2)梁體強度及應力檢算［9-10］(表2)

表2 梁體強度及應力檢算

4 結語

綜合以上邊梁和中梁在運營狀態下分析結果，可以得出在重要性系數值0.8～1.4的車輛荷載作用下，結構的變形、梁體自振頻率同時滿足2種規范要求，在重要性系數α＞1.0的車輛荷載作用下梁的強度安全系數，不滿足我國鐵路規范要求。因此，通橋(2005)2101-Ⅰ預制后張法簡支T梁(直線，時速160 km，跨度32 m)，可應用于重要性系數不大于 1.0采用Load71荷載圖示的鐵路線路上。

［1］EN 1991—1—1:Densities，Self weight and imposed loads［S］.

［2］EN 1991—2:Traffic loads on bridges［S］.

［3］EN 1990—Eurocode:Basis of structural design［S］.

［4］EN 1992—2:Bridges［S］.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋梁設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋梁鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］朱爾玉.現代橋梁預應力結構［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［8］范立礎.橋梁工程(上)［M］.北京:人民交通出版社，1983.

［9］廖元裳.鋼筋混凝土橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1997.

［10］李廉錕.結構力學［M］.北京:高等教育出版社，1996.