重載鐵路預應力混凝土梁橋設計及經濟性分析

甘肅綜合鐵道工程承包有限公司 甘肅蘭州 730000

摘要：重載鐵路運輸的運能大、效率高、運輸成本低，因此受到了世界各國的廣泛好評。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量比重大的國家更是發(fā)展迅速。本文結合工程實例，就重載鐵路預應力混凝土梁橋的設計和經濟性進行了相關論述，在今后同類設計中有一定的參考價值。

關鍵詞：重載鐵路；預應力混凝土梁橋設計；經濟性分析

重載鐵路通常采用大功率機車、大軸重貨車和長大單元列車編組，從而能夠大幅提高列車的運輸重量，高效的利用既有運輸設備，充分發(fā)揮鐵路大宗、集中、長距離、全天候的運輸優(yōu)勢，從而達到大運輸、高效率、低成本的經濟運輸目的。2005年國際重載協會理事會提出認定重載鐵路新標準為能滿足下列條件中至少2條：①列車牽引質量≥0.8萬t；②在長度≥150km的線路上，年運量，4000萬t；③貨車軸重≥27t。由于重載鐵路運輸具有運能大，效率高、運輸成本低的優(yōu)點，在大宗物資運輸方面具有不可替代的優(yōu)勢，因此重載鐵路運輸已成為當今世界鐵路發(fā)展及研究的重要方向之一。

一、工程實例

某鐵路設計的列車牽引質量10000t、軸重達300kN、全長1300km，年運量2億t，正線長度923.995km，相關配套改建工程，共計90.986km，共有橋梁148座，總長216.2km，橋梁占線路長度的21.3%。依據2005年國家重載協會理事會提出的重載鐵路標準可知，該鐵路明顯屬于重載鐵路的范疇。該鐵路設計的參數主要包含以下幾點：第一，設計速度：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：單線鐵路橋面寬4.9m，雙線鐵路橋面寬8.9m（線間距4.0m時），橋面兩側設人行道，人行道寬度分為0.8、1.05m二種。第四，設計荷載：

①結構恒載

按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）第4.2.1條進行計算，二期恒載含線路設備、道砟、人行道支架、步板、聲屏障、電纜槽、擋砟塊、現澆橋面板及橫隔板濕接縫的重力。聲屏障自重按4kN/延米計算，設計采用的二期恒載值為：單線直線梁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：設計列車活載采用“中-活載（2005）ZH標準（Z=1.2）”，動力系數按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）4.3.5-3公式計算，即：1+μ=1+12/（30+L），其中L為梁的計算跨度。

列車活載：圖式人行道荷載：豎向靜活載值為4.0kPa，計算主梁時人行道活載不與列車活載同時組合。人行道板按豎向集中荷載1.5kN計算。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《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）第4.3.6條計算。橫向搖擺力、附加力、特殊荷載取值按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（TB10002.1—2005）計算。

③荷載組合

主力組合、主力+附加力組合，取最不利組合，并對特殊荷載進行檢算。

二、預應力混凝土連續(xù)梁設計及分析

（一）重載列車作用下連續(xù)梁整體受力適應性研究

為適應跨越鐵路、公路、市政道路、河流，高山深谷區(qū)等復雜工點，本線設計系列重載預應力混凝土連續(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澆等方法，具有架設便捷、跨度大，技術成熟的特點。

1.設計原則

（1）梁體構造：采用直、曲線梁合并設計，雙線梁線間距大于4m時，保持箱體底寬不變，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原則布置，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調整，支座按徑向布置。

（2）預應力筋：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(xù)梁常用的三向預應力體系，主要依據為：參照本線設計標準，連續(xù)梁橋面寬度較窄，且翼緣板懸臂長度較小，箱體橫向結構受力普通鋼筋混凝土滿足規(guī)范要求，橋面不設橫向預應力。

國內外大量連續(xù)梁的監(jiān)控、調查發(fā)現箱體豎向預應力的損失很大，所起到的抗剪作用有限，因而連續(xù)梁設置豎向預應力筋，僅作為安全儲備，不計入豎向和斜向抗剪計算。

3.連續(xù)梁受力適應性研究結論

各跨度連續(xù)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均滿足規(guī)范要求，承載力滿足重載鐵路要求。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。

（二）重載鐵路連續(xù)梁經濟性研究

下面以（32+48+32）m跨度的為例，在相同設計時速下，與采用中-活載的連續(xù)梁進行對比。主要參數對照見下表：

項目梁高/m混凝土用量 /（m3/ m）預應力鋼絞線用量/（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)化設計的情況下，連續(xù)梁結構高度和主要材料用量未現大幅增長。普通鋼筋的用量雖然增加較多，但主要原因為安裝2m高聲屏障引起，在全橋造價增幅小于6%的情況下，承受活載能力大幅提高了20%，在大宗散貨運輸鐵路線上具有大運量兼具經濟性的優(yōu)勢。

總之，本文結合某重載鐵路工程實例，就重載鐵路預應力混凝土梁橋的設計和經濟性進行了相關論述，可以得到如下結論：對于相同跨度梁，本線在ZH活載（系數Z=1.2）的列車活載下，相對于中-活載，在全橋造價增幅小于6%的情況下，承受活載能力大幅提高20%，具有運能大，效率高、運輸成本低的優(yōu)點，在大宗散貨運輸鐵路線上具有大運量兼具經濟性的優(yōu)勢，是未來的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]鐵道部《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（TB10002.1-2005）；

[2]鐵道部《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》（TB10002.3-2005）及局部修訂（鐵建設[2009]22號）；

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