高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材主要技術(shù)指標(biāo)分析

謝愛華（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京102600）

?

高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材主要技術(shù)指標(biāo)分析

謝愛華
（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京102600）

摘 要：為保障高速鐵路中等跨度橋梁在自然災(zāi)害及突發(fā)事件中的應(yīng)急搶修（建）和短期使用，需研制適應(yīng)高速鐵路橋梁特點的搶修器材。對高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材的適用條件、相關(guān)設(shè)計指標(biāo)、運輸及拼裝架設(shè)要求等進行了分析，提出主要適用跨度為24m和32m；設(shè)計荷載采用ZK活載；設(shè)計時速為貨列80km／h、客列120km／h；梁體橫豎向剛度要求參照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》進行選取；最大單元長度12m，質(zhì)量25t；拼架時間為6h完成一孔32m梁的架設(shè)。該技術(shù)指標(biāo)反映了器材的先進性，也為該器材的設(shè)計提供重要依據(jù)。關(guān)鍵詞：高速鐵路；搶修鋼梁；技術(shù)條件

自1964年世界第1條高速鐵路——東海道新干線在日本開通以來，很多國家相繼建設(shè)了高速鐵路。在高速鐵路中橋梁所占線路總長度的比重是一般普速鐵路的3～4倍，成為高速鐵路工程的主體。據(jù)設(shè)計資料，我國目前建成和在建的高速鐵路橋梁總長平均占線路的50%以上，常用跨度24m及32 m簡支梁橋約占橋梁總長的90%。在國家“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及發(fā)達地區(qū)城際快速客運系統(tǒng)的規(guī)劃中，將建設(shè)客運專線及城際軌道交通1．8萬km，客車速度目標(biāo)值達到每小時200km及以上。我國已成為世界上高速鐵路投產(chǎn)運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。

隨著近年來自然災(zāi)害的增多，我國高速鐵路和既有提速鐵路的中等跨度橋梁防災(zāi)救援問題，已迫在眉睫。本文主要依托中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目《高速鐵路中等跨度橋梁防災(zāi)救援技術(shù)深化研究》成果，對高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材適用的范圍和技術(shù)指標(biāo)進行研究分析。

1　適用跨度分析

橋梁根據(jù)橋長可分為小橋、中橋、大橋和特大橋。中橋橋長為20～100m，在這個跨度區(qū)間里，常用的跨度為24m、32m、40m、48m、56m、64m、80 m和96m八種。從梁型上繼續(xù)分類，24m與32m為簡支箱梁結(jié)構(gòu)，40m和48m的橋跨多為連續(xù)箱梁，56m及以上多采用連續(xù)桁梁、鋼拱橋、結(jié)合梁等，以下承式居多，由于數(shù)量不多，且型式多樣，一種搶修梁難以兼顧所有跨度，且跨度越大搶修難度越大，這類橋梁往往跨越的是江河、峽谷等搶修條件困難地區(qū)，搶修工期長，器材耗費多，其應(yīng)急搶修需要專門的搶修器材保障。

對于那些跨度在20m及以下的橋梁，仍可采用既有搶修梁如六四梁、拆裝梁來進行保障，由于搶修跨度小，既有搶修梁的橫豎向剛度能得到一定提高，也可相應(yīng)的提升列車通行速度，但需進行專門的設(shè)計來適應(yīng)高鐵橋梁的梁高、梁寬、雙線等不同于普通鐵路橋梁的地方。

客運專線、城際鐵路、高速鐵路的橋梁中，32 m、24m跨度的簡支梁橋占了絕大多數(shù)。從某設(shè)計院設(shè)計的6條客運專線統(tǒng)計得出，32m、24m常用跨度橋梁占全部橋梁的94．9%（按長度統(tǒng)計），該兩種跨度已形成了系列標(biāo)準(zhǔn)圖，亦形成了相關(guān)的成熟工法，大量的被高鐵設(shè)計采用，因此高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材應(yīng)主要針對該兩種跨度進行研究。

2　采用的活載及限速

從相關(guān)鐵路設(shè)計規(guī)范上來看，《鐵路橋梁搶修（建）技術(shù)規(guī)程（試行）》規(guī)定的設(shè)計活載為東風(fēng)4型內(nèi)燃機車單機隨掛70kN／m均布活載；《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》中規(guī)定的設(shè)計活載為中—活載，該活載是以蒸汽機車為原型提出來的［1］，已使用了40a；對于世界高速鐵路設(shè)計，歐洲采用的為UIC活載，而我國采用0．8倍的UIC活載即ZK活載，我國客運專線、城際鐵路及高速鐵路上運行的列車大多為動力分散式客運列車（動車組MTM）、動力集中式客運列車（SS8電力機車牽引雙層客車）、SS8牽引的輕快貨車（SS8＋LFV）、大型養(yǎng)路機械車組、施工用貨物列車DF4＋C62等，ZK活載已經(jīng)囊括了以上幾種列車荷載［2］。將東風(fēng)4活載、中活載和ZK活載換算成均布活載進行對比，見表1。

表1　列車活載對比表

從表1可以看出，中—活載的等效活載K（1＋u）最大，其次為ZK活載，稍大于東風(fēng)4活載。為了避免設(shè)計浪費，且考慮到高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材，主要是用于替換高鐵梁型，因此建議選擇與高鐵橋梁設(shè)計相一致的ZK活載，它本身是一種概化的圖式，概括了輕型、重型，高速與跨線列車共線運行的活載模式，且有一定的強度儲備。

搶修梁的設(shè)計時速可以提高到何種程度也一直在進行研究。早先我國鐵路的運營時速較低，相應(yīng)的既有搶修梁的設(shè)計時速也很低，隨后也進行過既有搶修梁提速研究和試驗，試驗中八七梁的最高時速達到過64km／h。如今高速鐵路的設(shè)計時速已達到250～350km／h，用于高速鐵路橋梁搶修的梁采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所提高，因此搶修梁的設(shè)計時速也會隨之提高一些。當(dāng)然搶修梁由于為臨時結(jié)構(gòu)，搶修時間有限，且為可反復(fù)拆裝的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體性要弱一些，梁體的橫、豎向剛度以及橋面及軌道質(zhì)量，這些都是影響列車限速的重要因素。建議可以采用我國鐵路大提速前一級干線的設(shè)計列車最高速度，即貨列80km／h、客車120km／h、動車組160 km／h作為高速鐵路中等跨度橋梁的最高設(shè)計時速［2］。由于鋼梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)共振問題，不同車速下的車橋耦合動力響應(yīng)的差別也較大，具體時速還需要根據(jù)不同梁體方案的車橋耦合動力分析及試驗數(shù)據(jù)來確定。

3　建議采用的設(shè)計規(guī)范和相關(guān)設(shè)計指標(biāo)

確定設(shè)計規(guī)范和相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，是進行設(shè)計工作的前提條件。高速鐵路中等跨度搶修梁可參照的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有《鐵路橋梁搶修（建）技術(shù)規(guī)程（試行）》、《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB10002．1—2005）、《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621—2014）和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》四種。《搶規(guī)》是參照99橋規(guī)，并結(jié)合搶修的理念和設(shè)計要求編撰而成，于2003年頒布實施，因此其中有一些規(guī)定與現(xiàn)行的《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB10002．1—2005）不相符。剛剛頒布實施的《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621—2014）中關(guān)于橋涵的規(guī)定，是在《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》的基礎(chǔ)上，同時添加了氣動力計算以及在高時速下結(jié)構(gòu)變形與自振頻率限值等的規(guī)定。搶修梁由于自身特點，在設(shè)計上不可能達到高鐵的標(biāo)準(zhǔn)，搶規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)又相對較低，因此建議高速鐵路中等跨度搶修梁的主要設(shè)計指標(biāo)按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB10002．1—2005）規(guī)定進行。《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的相關(guān)指標(biāo)最高，可與其它2種規(guī)范一起作為參考規(guī)范。高速鐵路中等跨度搶修梁主要設(shè)計指標(biāo)建議采用以下數(shù)值：材質(zhì)／彎曲應(yīng)力／疲勞應(yīng)力，Q345qE／240 MPa／190MPa；豎向剛度＜L／900；橫向剛度，主梁中心距＞L／20；橫向力作用下水平撓度≤L／4 000；橫向自振頻率＞60／L0．8（L單位為m）Hz；豎向振動加速度asmax≤4m／s2；橫向振動加速度ahmax≤1．4 m／s2。

4　梁體結(jié)構(gòu)型式

既有中等跨度搶修鋼梁，如六四梁、拆裝梁均采用鋼枕或木枕的明橋面，梁型為桁架式結(jié)構(gòu)；高速鐵路中等跨度橋梁搶修鋼梁不再采用桁架式結(jié)構(gòu)，考慮到剛度、運輸及拼裝方便等因素，更傾向于采用板梁、U型梁或箱型梁結(jié)構(gòu)，橋面擬采用鋼筋混凝土橋面板或整體鋼面板的型式，單元模塊在劃分時盡可能的大一些，避免桿件零碎，拼裝工作量大，同時提高結(jié)構(gòu)的整體性對受力也更有利。

5　吊裝及運輸要求

我國既有的搶修梁在拼組上講求桿件短小，重量輕，是考慮了人力搬運拼組的原因，從拆裝梁開始，拼組就需要小型機具輔助了；到了八七梁，桿件長度和重量都增大到不再考慮人力拼組了，見表2。從架設(shè)上來說，均是拼組好整跨之后，再進行架設(shè)。拆裝梁拼組好后，采用前端設(shè)導(dǎo)梁拖拉入橋位；八七梁考慮利用本身器材拼組龍門吊和導(dǎo)梁進行整孔拖拉或是頂推架設(shè)；六四梁還提出一種簡易架橋機架設(shè)，由于簡易架橋機亦是需要現(xiàn)場拼組且起重量不大，所以也只能分組架設(shè)，兩片或3片作為一組進行分組架設(shè)，兩片32m梁重在18t左右。從以往的搶修梁的拼組架設(shè)經(jīng)驗來看，因為著重于人力和小型機具的限制，架梁的方案基本上為拖拉和頂推架設(shè)，但拖拉和頂推架設(shè)的前期準(zhǔn)備工作較多，且過程中不確定因素太多，因此不可避免的較為耗時，過多的借助人力，勢必會造成拼組架設(shè)時間的增加。既有搶修梁，限于當(dāng)時的施工技術(shù)條件，以及所設(shè)想的搶修現(xiàn)場條件，將拼架的原則定為人力與小型機具是無可厚非的，如今大型運輸起吊設(shè)備已很常見，百噸吊機也很多，若仍拘泥于人力和小型機具，搶修梁恐怕難以有跨越式的發(fā)展，更無法在搶修時間上得到突破。既有搶修梁更適合在搶修條件非常差的情形下使用，它們與如今提出的高鐵所用的搶修鋼梁各有所長，屬于對立統(tǒng)一的關(guān)系。

表2　既有搶修梁拼組架設(shè)時間、機具表

拋開搶修梁的拼組過程，僅從架設(shè)角度來講，整孔架設(shè)仍是最快捷的架設(shè)方式，無非是采用哪種方法進行整孔架設(shè)，需要根據(jù)施工現(xiàn)場的情形進行分類。最簡單的情形，在墩位不是很高的旱地，可從橋位下方采用大型吊裝設(shè)備直接進行吊裝。在地形相對復(fù)雜、運輸條件不是很好的大江河或深山峽谷，最好的方法還是從橋上進行架設(shè)。保留傳統(tǒng)的架設(shè)方式外，可以主要考慮專用（新式）架橋機架設(shè)，將32 m整孔梁的質(zhì)量控制在65t以內(nèi)（含橋面），采用大型設(shè)備進行架設(shè)的專項方案應(yīng)該不難實現(xiàn)。

由于架設(shè)吊裝方案對于重量的放寬，部件長度可以適當(dāng)加長，這樣對梁體的受力、制造、安裝都有利。常規(guī)的運輸方式為鐵路及公路運輸，兼顧考慮海（河）運、空運。最長單元長度考慮為12m，寬度2．5m，全高2．8m左右。鐵路運輸可考慮平車來裝載，公路運輸可考慮6軸車來運輸，由于客專及高鐵多是在經(jīng)濟發(fā)達、交通便利的地區(qū)，拖車平車這類6軸車的通行應(yīng)該不成問題，若是遇到崎嶇山路等不良路況時，可采用公鐵混合運輸。

6　拼架速度

高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材更傾向于使用結(jié)合梁和箱梁，這樣結(jié)構(gòu)整體性強，且能大大減少零件種類，提高拼裝速度。架設(shè)速度和結(jié)構(gòu)方案、架設(shè)方案、投入的人力和設(shè)備數(shù)量息息相關(guān)，若是采用架橋機架設(shè)，參考高速鐵路32m跨度900t箱梁的架梁時間為4h／孔；若采用地面起重機，在墩身不高、橋下無水時架設(shè)一孔32m的搶修鋼梁應(yīng)該也可以在4h以內(nèi)完成；若是采用拖拉或頂推方案，參考相關(guān)工程實例大概需要8～10h。高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材推薦專用（新式）架橋機架設(shè)方案，拼架時間原則上不應(yīng)低于既有搶修梁的架設(shè)速度（見表2），6h完成一孔32m鋼梁的拼裝架設(shè)，會是一個相對合理、可行性較強的拼架指標(biāo)。

7　結(jié)束語

對于高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材而言，技術(shù)指標(biāo)是反映其先進性的重要依據(jù)。中等跨度橋梁搶修器材的主要研究指標(biāo)推薦為：設(shè)計荷載，ZK活載；設(shè)計限速，貨列80km／h、客列120km／h、動車組160km／h；設(shè)計跨度，24m、32m；豎向剛度＜L／900，asmax≤4m／s2；橫向剛度，主梁中心距＞L／20；橫向力作用下水平撓度≤L／4 000；f＞60／L0．8（L單位為m）Hz；ahmax≤1．4m／s2；最大單元長度／質(zhì)量，12m／25t；拼架速度，4～6h。這些研究指標(biāo)可以為中等跨度橋梁搶修器材的相關(guān)設(shè)計提供參考依據(jù)，也有助于不斷提高鐵路橋梁應(yīng)急搶修技術(shù)水平。

參考文獻

［1］張玉玲，戴福忠，陶曉燕，等．鐵路列車中活載圖示適用性

分析和建議［C］／／鐵道科學(xué)技術(shù)新進展——鐵道科學(xué)研究院五十五周年論文集．北京：中國鐵道出版社，2005：165－168

［2］高占軍．快速鐵路橋梁搶修器材主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)條件研究［J］．鐵道建筑技術(shù)，2012（1）：1－5

封面照片說明

十八局集團三公司承建的松樹溝特大橋橋隧相連。

（伍振 劉鳳翥 攝）

An Analysis of the Main Technical Indexes for the Rush－Repair of Medium－Span Bridges of High－Speed Railways

Xie Aihua
（China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co．Ltd．，Beijing 102600，China）

Abstract：To ensure the rush－repair（－erecting）and the short－term use of the medium－span bridges of high speed railways in natural disasters and other emergencies，rush－repair materials and equipment suitable for the characteristics of high－speed railway bridges have to be studied and developed，in which case the suitable conditions and the corresponding design targets of the rush－repair materials and equipment，the requirements in their transportation，assembly and erection are analyzed in the paper，with the main suitable sizes of span of 24mand 32msuggested．The design load adopts the ZK live load；the design speed for freight trains is 80km／h，passenger trains 120km／h；the horizontal and vertical stiffness requirements of the beam body are based on the Basic Norms for the Design of Railway Bridges and Culverts；the maximum length of a unit is 12m，25tons in weight；it takes 6hours to complete the erection of a 32mbeam．The technical index shows that the equipment is advanced，which also provides important grounds for the design of the equipment．

Key words：high－speed railway；steel girders for rush－repair；technical conditions

作者簡介：謝愛華（1981—），女，高級工程師，主要從事交通戰(zhàn)備研究工作 xieaihua＠t5y．cn

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2014G008－B）

收稿日期：2015－11－23

中圖分類號：U445．7

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672－3953（2016）01－0030－04

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．008