蒙西至華中地區鐵路常用跨度簡支梁設計方案比選

梅 山 徐升橋 沈 平 劉玉亮 徐立松

(中鐵工程設計咨詢集團橋梁工程設計研究院，北京 100055)

研究范圍為蒙西至華中地區鐵路煤運通道有砟軌道跨度32 m、24 m、20 m、16 m、12 m后張法預應力混凝土簡支T梁(無聲屏障)，有砟軌道跨度32 m、24 m、20 m、16 m、12 m后張法預應力混凝土簡支T梁(設聲屏障)。適用于新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道單、雙線橋梁，滿足大機養護要求的最小曲線半徑1 200 m，結構承載力允許最小曲線半徑800 m，特殊困難條件下，單線梁最小曲線半徑600 m。

1 設計原則

1.1 設計活載

列車活載采用中－活載(2010)ZH標準(z=1.1)，活載圖式如圖1。

圖1 列車活載

動力系數按《鐵路橋涵設計基本規范》公式(4.3.5－3))計算，即:1+μ=1+α×6/(30+L)

其中α取2，L為計算跨度。

1.2 人行道

無聲屏障區段人行道采用角鋼欄桿形式，角鋼支架利用預埋于梁體擋砟墻中的T形鋼與梁體連結，有聲屏障區段人行道采用整體橋面形式。

1.3 線間距

雙線線間距按4.0 m和4.2 m進行設計。

2 材料的選用

2.1 混凝土

根據強度及抗裂要求及經濟性比選，梁體混凝土強度等級:無聲屏障梁采用 C55，有聲屏障梁采用C60。

2.2 預應力筋

縱向預應力筋和橋面板處橫向預應力筋采用直徑為15.2 mm的鋼絞線，抗拉強度為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa。

橫隔板處橫向預應力筋采用直徑16 mm預應力混凝土用鋼棒，抗拉強度1 420 MPa，彈性模量為2.0×105MPa，松弛率2%，其技術條件符合GB/T5223.3—2005的要求。

3 設計方案及比選

3.1 橋面布置

單線梁由2片梁、雙線梁由4片梁組成，雙線梁按照線間距4.2 m設計，當線間距為4.0 m時，通過調整中梁與中梁間濕接縫的寬度適應線間距的變化。橋面布置考慮最小曲線半徑1 200 m時，擋砟墻內側距離線路中心不小于2.2 m，滿足大機養護的要求，人行道寬度采用1.05 m。無聲屏障區段人行道采用角鋼支架方案，橋面布置見圖2、圖3;設聲屏障區段人行道采用整體橋面方案，橋面布置見圖4、圖5。整孔梁采用橋面板和橫隔板濕接縫連成整體，無聲屏障梁僅橫隔板處設置橫向預應力筋，設聲屏障梁除橫隔板外，橋面也設置橫向預應力筋，橋面橫向預應力筋順橋向設置，間距為1 m。擋砟墻高度:直線梁及曲線梁內側高度450 mm，曲線梁外側高度580 mm。

圖4 設聲屏障單線梁橋面布置(單位:mm)

3.2 預制梁構造

(1)無聲屏障區段梁

方案一:預制梁梁高與通橋(2012)2201梁保持一致。邊梁橋面寬2.28 m，中梁橋面寬1.7 m，腹板厚度24 cm，預制梁跨中截面結構尺寸見圖6。擋砟墻現澆，為便于安裝人行道支架預埋T形鋼及防水層保護層施工，預制梁時預制擋砟墻高度8 cm，系列各跨度梁高見表1。

圖5 設聲屏障雙線梁橋面布置(單位:mm)

表1 方案一各跨度梁高 m

方案二:優化梁高方案，預制梁參照山西中南部鐵路系列梁基礎上進行優化，按設計活載對預應力筋配置進行優化，橋面防水層及保護層厚度加厚至6 cm。預制梁跨中截面結構尺寸見圖7。擋砟墻高度450 mm，與梁體一同預制，曲線梁外側加設擋砟塊。系列梁各跨度梁高見表2。

表2 方案二各跨度梁高 m

圖6 方案一無聲屏障邊梁及中梁跨中截面構造(單位:mm)

圖7 方案二無聲屏障邊梁及中梁跨中截面構造(單位:mm)

(2)有聲屏障區段梁

設聲屏障區段人行道采用整體橋面方案，外側現澆橋面板與預制橋面板搭接，橋面設置橫向預應力筋。梁高與通橋(2012)2201保持一致，跨度32 m，梁高2.7 m，預制梁跨中截面結構尺寸見圖8。

圖8 設聲屏障邊梁及中梁跨中截面構造(單位:mm)

3.3 設計指標

各方案計算結果見表3～表4(以跨度32 m梁為例)。

表3 預制梁主要指標

表4 橋面板主要指標

設計指標均滿足規范相關要求，方案二因橋面板厚度較薄，采用鋼筋直徑較粗，鋼筋及混凝土應力均大于方案一。

3.4 工程數量及造價

從主要工程數量上比較，方案一梁體混凝土數量略高于方案二，但因為梁高相對較高，橋面較厚，普通鋼筋數量明顯低于方案二，預制梁含筋率方案一為134.9 kg/m3，方案二為166.8 kg/m3，預應力筋數量也略有減小。聲屏障梁含筋率為189.9 kg/m3。梁體混凝土強度等級方案一為C55，方案二為C60。

每孔跨度32 m梁概算指標顯示，單線梁的造價方案一和方案二基本相當，雙線梁的造價方案一優于方案二。

3.5 方案綜合比較

方案一和方案二的主要差別為梁的高度，方案一比方案二梁高高10 cm。在單片預制梁重滿足鐵路運輸的基礎上，適當采用較高的梁高，可以增大梁的剛度，降低梁體混凝土強度等級，對活載系數的提高也具有更好的適應性。

兩方案比較，方案一由于梁高較高，橋面板較厚，混凝土數量雖大于方案二，但混凝土強度等級比方案二低，且鋼筋及預應力鋼絞線數量均較小，綜合造價優于方案二。方案一梁高與聲屏障梁等高，對有無聲屏障區段墩臺墊石高度沒有影響，方案二梁高比聲屏障梁低10cm，需要通過墩臺支承墊石的高度進行調整，對設計和施工均會造成不利影響。方案一邊梁的輪廓尺寸與通橋(2012)2201相同，預制梁模板可以通用，中梁的輪廓尺寸與通橋(2012)2201相比，橋面窄20cm，其它部位相同，模板僅需局部改造即可利用。綜合考慮，推薦采用方案一。

4 設聲屏障梁結構構造及主要設計指標

本設計為后張法預應力混凝土多片式T梁，單線采用兩片梁，雙線采用四片梁。多片T梁采用橋面板及橫隔板連接的措施聯成整體，在隔板處施加橫向預應力。橋面兩側設人行道，人行道寬1.05 m。人行道采用整體橋面形式，橋面板設置橫向預應力。聲屏障設置于人行道外端，聲屏障內側至線路中心線距離為3.5 m。兩側現澆橋面板與預制梁之間采用疊合搭接方案，現澆懸臂板與邊梁之間設置橫向預應力，橫向預應力筋采用3根一束鋼絞線，順橋向間距1 m，錨具采用低回縮錨具。每片預制T梁的重量控制在148t以內，滿足運架需要。

單線鐵路橋面寬7.6 m，雙線鐵路橋面寬11.8 m。本設計按照雙線線間距4.2 m進行設計，考慮雙線設計線間距4.0 m(含)至5.0 m(含)的荷載影響，當設計線間距與本設計不符時可通過調整中梁間濕接縫寬度，以滿足實際線間距的需要。如設計線間距大于5.0 m則需要根據實際情況進行特殊設計。橋上設計線間距變化不得大于15cm，可采用最大線間距全橋等寬布置。如設計線間距變化大于15cm，應進行特殊設計。

32 m梁計算跨度32 m，全長32.6 m，梁高2.7 m，軌底至梁底建筑高度為3.4 m。預制單線梁及雙線邊梁頂寬為2.28 m，雙線中梁頂寬1.6 m，下緣寬均為0.88 m。直線梁和曲線梁內側擋砟墻高450 mm，曲線梁外側擋砟墻高800 mm。曲線外側及直線重車線側擋砟墻頂加設擋砟塊。橋面鋪設防水層和保護層，擋砟墻內側防水層及保護層總厚度60 mm，擋砟墻外側人行道處防水層及保護層總厚度40 mm。電纜槽可設置于人行道上，放置于聲屏障內側。

接觸網支柱均設于橋墩上，梁端現澆橋面板局部加寬，聲屏障從接觸網支柱外側繞過，接觸網支柱處現澆橋面板預留缺口，缺口大小按照G200型鋼立柱輪廓尺寸及底部內側邊距離線路中心線3.1 m進行預留。

避車臺設置于梁端橋面板局部加寬處，與接觸網支柱處橋面加寬合并處理，聲屏障內側距離線路中心線4.25 m。檢查梯設置于接觸網支柱內側預留缺口中，缺口上采用花紋鋼蓋板覆蓋。鋼蓋板搭接在梁端現澆橋面板的擋水臺上，一端采用螺栓固定在擋水臺上，另一端自由伸縮。

五種跨度梁跨中截面最大彎矩計算結果詳見表5。

表5 跨中截面最大彎矩 kN·m

五種跨度梁支點截面最大剪力見表6。

表6 支點截面最大剪力 kN

梁體主要設計指標見表7。

表7 跨中截面主要設計指標

預應力混凝土梁梁體在持續的預壓應力作用下，由于混凝土徐變使其變形持續增長，梁體會逐漸向上拱起，設計按照預應力筋終張拉后90 d鋪設軌道設備等二期恒載進行計算，梁體各時間段上拱度如表8所示。

表8 梁體上拱度 mm

為抵消預應力引起的梁體上拱度，保證梁體線形滿足使用要求，制梁時須根據實際情況及鋪砟時間在橋面板和梁底預設反拱。

5 結束語

研究結果表明，在單片預制梁重滿足鐵路運輸的基礎上，適當采用較高的梁高，可以增大梁的剛度，降低梁體混凝土強度等級，對活載系數的提高也具有更好的適應性。方案一雖然混凝土數量略大，但混凝土強度等級比方案二低，且鋼筋及預應力鋼絞線數量均較小，綜合造價優于方案二。且方案一梁高與聲屏障梁等高，邊梁預制梁模板可以通用，中梁模板僅需局部改造即可利用。聲屏障模板可以和部通圖通用。綜合考慮，推薦采用方案一。計算分析結果表明，設計方案合理，各項設計指標均滿足現行規范要求，同時整體橋面方案大大提高了橋梁結構的耐久性。

［1］ TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］

［2］ TB10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范［S］