山西中南部鐵路通道重載連續梁設計

胡國華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程簡介

重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國的廣泛重視，特別是在一些幅員遼闊、資源豐富、煤炭和礦石等大宗貨物運量占有較大比重的國家，如美國、加拿大、巴西、澳大利亞、南非等，發展尤為迅速。世界鐵路重載運輸是從20世紀50年代開始出現并發展起來的，60年代中后期，重載運輸開始取得實質性進展，并逐步形成強大的生產力。目前，重載鐵路運輸在世界范圍內迅速發展，重載運輸已被國際公認為鐵路貨運發展的方向，成為世界鐵路發展的重要趨勢。

世界各國的鐵路由于運營條件、技術裝備水平不同，采用的重載列車形式和組織方式也各有特點。國際重載協會(IHHA)先后于1986年、1994年和2005年三次修訂了重載鐵路標準。加快發展重載運輸對提高鐵路線路運輸能力，促進國民經濟發展，有著十分重要的作用。最近10年來，我國重載技術得到了迅速發展，重載運輸已初具規模。為了適應重載運輸需要，我國鐵路正在不斷提高車輛載重和列車牽引重量。目前，我國的大秦線滿足國際重載協會2005年的重載鐵路新標準，朔黃、京廣、京滬、京哈等干線滿足1994年的標準。

新建山西中南部鐵路通道是國家規劃的大能力運煤通道建設項目，是“十一五”期間國家重點工程，起點為山西省呂梁市，終點為日照港，全長1 260 km。是我國第一條軸重達30 t的雙線重載電氣化鐵路，建成后將成為世界上運量最大的重載鐵路之一。

2 設計概述

連續梁結構應用廣泛，是橋梁常用結構體系。具有變形小、結構剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養護簡單、抗震能力強等優點。一般采用懸臂澆筑的施工方法，不需要大量施工支架和臨時設備，不影響橋下通航、通車，施工受季節、河道水位的影響小，特別適合于跨越既有道路、河流、山谷，施工期水位變化頻繁不宜水上作業的河流以及通航頻繁且施工時需留有較大凈空的河流，減少對現有道路、水路交通的影響。

新建山西中南部鐵路通道采用了大量預應力混凝土連續梁結構。設計考慮全線以重載運煤為主，部分區段開通客車的特點，活載圖式采用中－活載(2005)ZH標準(z=1.2)進行設計，以滿足重載運輸鐵路建設的要求。設計從提高結構使用壽命出發，在結構參數的選取、原材料的選擇以及施工工藝等方面考慮結構耐久性的要求。本系列常用跨度連續梁分單、雙線兩種梁型，施工主要按懸臂澆筑設計，部分跨度根據實際需要采用支架現澆，共計11種梁型，類型及跨度見表1。

表1 連續梁類型及跨度

(1)設計速度:客車160 km/h，貨車120 km/h。

(2)線路情況:直、曲線，雙線時正線線間距4.0～5.0m，最小曲線半徑1200m。

(3)軌道標準:鋪設無縫線路，Ⅲ型軌枕，正線鋼軌60 kg/m。

(4)軌道類型及高度:采用有砟軌道，軌底最小道砟厚度0.35m，軌底至梁頂0.70m。

(5)設計荷載:中 －活載(2005)ZH標準(z=1.2)。

3 設計荷載及參數

(1)恒載

結構自重:容重按26 kN/m3計算。

附屬設施重(二期恒載):

包括鋼軌、軌枕等線路設備，以及道砟、防水層、保護層、人行道支架及步板、聲屏障、擋砟墻、電纜槽等附屬設施重量，單側聲屏障自重按4.0 kN/m計算。雙線梁二期恒載合計直線梁按140～155 kN/m計算，曲線梁按155～170 kN/m計算。單線梁二期恒載合計直線梁按84.4 kN/m計算，曲線梁按91.5 kN/m計算。

基礎不均勻沉降:相鄰兩支點不均勻沉降值見表2。

表2 基礎允許不均勻沉降值

(2)活載

列車活載:采用中—活載(2005)ZH標準(z=1.2)，如圖1。動力系數按《鐵路橋涵設計基本規范》4.3.5條計算，即

圖1 列車活載圖式(單位:m)

橫向搖擺力取120 kN，作為一個集中荷載取最不利位置作用于橋梁結構，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面，對于雙線橋只取一線上的橫向搖擺力。

曲線橋列車靜活載產生的離心力: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《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)第4.3.6條計算。

(3)附加力

風力、列車制動力或牽引力:按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)相應條款計算。

溫度荷載:縱向計算設計合龍溫度取橋位處最低和最高月平均溫度平均值，均勻溫差按升降溫20℃，日照溫差按頂板升溫5℃計算。橫向按支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架計算，按升溫、降溫兩種情況，計算圖式如圖2。

圖2 橫框溫度計算圖式

(4)特殊荷載

列車脫軌荷載、施工荷載、地震力分別按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)、《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)計算。

4 結構設計

4.1 橋面布置

采用有砟橋面，擋砟墻內側距線路中心線距離取2.25m，橋面凈寬滿足大型鐵路養護機械設備作業的要求。為方便橋面附屬設施布置，連續梁上橋面布置與本線簡支T梁相同。

橋面兩側設人行道，人行道采用角鋼支架形式，人行道角鋼支架與預埋在擋砟墻處T形鋼栓接。無聲屏障時人行道寬0.8m，有聲屏障時人行道寬1.3m。單、雙線連續梁橋面布置如圖3、圖4所示。

圖3 單線梁橋面布置(直線有聲屏障)(單位:mm)

圖4 雙線梁橋面布置(曲線無聲屏障)(單位:mm)

4.2 截面尺寸

梁體為單箱單室、變高度、變截面結構，梁底下緣按二次拋物線變化。單線箱梁底寬4.0m，頂寬4.9m。雙線箱梁底寬6.0m，線間距4.0～5.0m時，頂寬8.9～9.9m。線間距大于4m時，相應增加翼緣懸臂板長度。底板厚度按直線線性變化，腹板厚按折線變化，底板、腹板、頂板局部向內側加厚。全聯在端支點、中跨跨中及中支點處設橫隔板，橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。各跨度連續梁截面主要尺寸見表3。

表3 截面尺寸 cm

4.3 主要設計原則

(1)梁體構造

直、曲線梁合并設計，雙線梁線間距大于4m時，保持箱體不變，僅根據線間距的變化相應增加翼緣懸臂板長度。曲線上梁按曲梁曲做布置，梁體輪廓、普通鋼筋、預應力鋼束及管道等沿徑向依據曲率進行相應的調整，支座亦按徑向布置。

為滿足兩端梁端預應力筋張拉操作空間，在梁端預留0.5m深張拉槽。

懸臂施工、支架現澆施工連續梁截面尺寸相同。

支架現澆施工不采用一次現澆施工，按大節段現澆設計，跨中設2m合龍段。一次現澆混凝土量較大，除考慮施工現場混凝土供應能力難以保證外，主要考慮支架所受荷載很大，引起的支架沉降值較大，且支架的不均勻沉降難以控制。采取大節段現澆，不僅可以減少支架的沉降，而且分段處可以作為縱向預應力鋼束的錨固面，給設計配束帶來很大方便。施工時支架可以倒用，可減少支架用量和施工作業面，方便施工。

(2)預應力筋

采用包絡設計，直、曲線梁預應力鋼束的截面布置、形狀、錨下張拉控制應力相同，僅根據受力需要調整預應力鋼束規格，以方便施工。

梁體不設橫向、豎向預應力筋，僅設縱向預應力鋼束。適當加強腹板束，以提高全梁的承載力。設計中沒有采用連續梁慣用的三向預應力體系，主要基于以下方面的考慮:

①本設計連續梁橋面寬度較窄，且翼緣板懸臂長度較小。線路中心線位于腹板附近，活載橫向效應小。同時對比、參考同等類型、同樣橋面寬度或更寬的簡支箱梁，其橋面橫向均不設橫向預應力鋼束。橋面不設橫向預應力，僅配普通鋼筋，結構受力可完全滿足要求。

②國內外很多實例表明，連續梁豎向預應力的損失很大，有的幾乎損失殆盡，其所起到的作用十分有限。因而連續梁設置豎向預應力筋，僅作為一種安全儲備。實際施工普遍存在工期緊張，孔道壓漿不密實。設置豎向預應力筋不僅沒有起到安全儲備的作用，反而在梁體內留下一個個空洞，對截面削弱相當大。設計中在設置豎向預應力筋處很難做到其孔道與橋面板橫向鋼筋、腹板箍筋不沖突，施工時勢必截斷大量梁體普通鋼筋，而施工中又難以做到等強度補強。鑒于豎向預應力筋損失大，易失效，施工質量難以保證，本設計取消豎向預應力筋的設置。

③不設橫、豎向預應力束，施工時不用預埋相應孔道，省去了張拉和施工后的封錨工作。不僅可簡化施工程序，且混凝土一次澆筑成型，能有效保證混凝土密實和施工質量，亦可防止封錨處防水處理不好，對結構耐久性產生不利影響。

(3)普通鋼筋

縱向普通鋼筋按構造配置，采用φ12@100或φ16@150。腹板箍筋除按橫向計算確定外，尚需按斜截面強度計算確定。在頂底板上下層、腹板內外側鋼筋網間設置φ12拉筋，拉筋縱橫向按300 mm×300 mm間距梅花形布置，以保證鋼筋網的整體性和穩定性。為防止彎曲段底板的縱向預應力筋崩出，沿底板預應力鋼筋凸曲線段設置φ12@100防崩鋼筋。

(4)支座

采用鐵路連續梁球形鋼支座，支座設于腹板下方，以有效傳力，并增強梁體橫向穩定性。在支點處橫向局部加寬，以減少支座處局部應力。因梁端留有0.5m深張拉槽，邊支點支座處應做檢算，防止封端前因尺寸過小混凝土發生局部破壞。

4.4 主要計算結果

各跨度連續梁(曲線線間距5.0m)在主力下最小強度安全系數、最小抗裂安全系數、主跨跨中下緣混凝土最小壓應力、殘余徐變拱度、靜活載下梁端轉角、撓跨比等主要計算結果見表4。

表4 計算結果(主力)

由表4中計算結果可知，結構應力、強度、剛度等均滿足規范要求，具有足夠的承載力。結構在靜活載下的梁端轉角、撓跨比均較小，設計主要由強度和應力控制。

5 設計要點

(1)重載鐵路軸重大，與標準中活載相比，其活載效應要增大25%～35%左右。由表3可知，截面高跨比約為1/12，同樣跨度的梁，重載下梁高比標準中活載下要大。當然，混凝土、鋼絞線單位用量指標也比標準中活載下要大。重載鐵路活載效應大，亦應有一定的安全儲備，不可片面追求結構的輕型化，而降低結構的安全度。

因結構沒有配置橫、豎向預應力筋，梁體普通鋼筋量較大，但結構的材料、施工總費用要省。另外，因鋼束布置構造上的原因，采用支架現澆預應力鋼束用量比懸臂施工略偏多。

(2)根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)，梁斜截面主拉應力 σtp為

由上式可知，無論縱向預加應力σcx多大，只要不配置豎向預應力(即σcy=0)，截面總會存在主拉應力。因此，配置豎向預應力可以減少或消除主拉應力。理論上講，配置適當的豎向預應力即可使截面不產生主拉應力。同本文前面所述的原因，豎向預應力筋損失大(尤其當梁高較小時)，施工質量難以保證，易失效。故設計中配置豎向預應力筋僅作為一種安全儲備，一般不考慮其對減少主拉應力的貢獻。

結構不設豎向預應力筋，可通過適當加大腹板厚度和縱向預應力束的配置，將結構主拉應力控制在合適水平。同時應適當加強腹板箍筋，以保證結構安全。當梁高較大或截面尺寸受限時，可配置適當豎向預應力筋，以減少主拉應力。此時應特別注意采用切實有效的措施，以保證豎向預加應力的有效性。

(3)預應力鋼束的平、豎彎角度不宜太大，一般不宜超過15°，并應盡量減少鋼束平彎，以方便施工。齒塊處過大的豎彎角度，不僅增大預應力損失，而且產生的局部應力較大，錨固處易產生裂縫。當然，若角度太小，齒塊的縱向尺寸會較大，往往會給結構布置帶來困難，設計中要綜合考慮。

(4)鋼束應優先錨固在頂板、腹板相交區域，因為此處厚度較大，能可靠承受此處的集中錨固力。鋼束錨固處錨墊板布置應滿足相關產品最小間距要求，且錨板中心距、錨板至結構輪廓距離不應同時取最小值。考慮結構最小保護層要求和布置輪廓最外層普通鋼筋，錨墊板邊緣距結構輪廓60 mm是適宜的。

(5)若齒塊錨固在頂、底板中部，在錨固力作用下齒塊與頂、底板相交處及其后部受拉，易產生裂縫，故齒塊最好能靠近腹板錨固，并以斜面過度與結構頂、腹板或底、腹板連成一體，以便鋼束錨固力快速傳至腹板擴散至全截面受力。考慮到鋼束張拉空間要求，鋼束中心距腹板距離可取0.3～0.5m。

(6)根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)附錄C計算斜截面抗剪強度，腹板箍筋配置偏多。附錄C中抗剪強度公式適用于等高簡支梁，對于變高度連續梁可以參考《公路鋼筋混凝土和預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)計算。

(7)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)規定在檢算破壞階段的截面強度時，可不計預加力產生的二次力的影響。而《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)規定在承載力計算時應考慮次內力。對預應力混凝土連續梁，是否考慮預加力產生的二次力對跨中截面或中支點其荷載效應會增大或減少，設計時應予注意。

6 結束語

本線設計活載為1.2 ZH荷載，載重大。由于活載的加大，在動力、疲勞性能等方面對結構產生較大的影響。根據山西中南部鐵路通道采用的活載標準，在理論計算的基礎上建立平面桿系模型及空間模型進行分析，完成山西中南部鐵路通道常用跨度預應力混凝土連續梁設計。

設計從結構形式、結構靜動力特性等方面進行了深入研究，保證其滿足未來大能力貨運運輸的需要。設計中靜力設計與動力設計相結合，使結構能適應重載鐵路軸重大、運量大的特點，保證列車運行安全性。設計充分考慮了重載鐵路的特點，梁體采用單箱單室截面，受力明確、施工方便、節省材料用量，結構具有良好的抗彎、抗扭剛度，并在保證結構安全可靠的基礎上，對構造細節、預應力鋼束和梁體普通鋼筋布置進行多次優化，具有較好的經濟性，對同類型鐵路橋梁設計具有較大參考意義。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005

［2］中華人民共和國鐵道部．TB10002.3—2005 鐵路橋涵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

［3］中華人民共和國鐵道部．TB10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2011

［4］中華人民共和國交通部．JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土和預應力混凝土橋涵設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2004

［5］中華人民共和國建設部．GB50010—2002 混凝土結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002

［6］范立礎．預應力混凝土連續梁橋［M］．北京:人民交通出版社，1988

［7］張繼堯，王昌將．懸臂澆筑預應力混凝土連續梁橋［M］．北京:人民交通出版社，2004