城市軌道交通橋梁與鐵路客運專線橋梁剛度設計標準的比較分析

秦清華 邱 凌

(重慶市軌道交通(集團)有限公司，401120，重慶//第一作者，高級工程師)

為建立與城市軌道交通發展相配套的完備的生產、設計、科研能力和體系，中華人民共和國住房和城鄉建設部于2017年發布了GB/T 51234—2017《城市軌道交通橋梁設計規范》(以下簡為“城軌規范”)，原鐵道部于2005年8月10日發布了《新建時速200～250 km客運專線鐵路設計暫行規定》(以下簡為“客專規定”)，國家鐵路局于2014年12月1日發布了TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》。上述規范對不同運營速度的線路、路基、軌道、橋涵、隧道和站場的設計技術標準作了規定。

其中，城軌規范和客專規定中橋梁的設計往往由剛度進行控制，但兩部規范對于具體的剛度標準存在一定差異。本文將城軌規范與客專規定中關于橋梁的剛度設計標準作簡要介紹與對比分析。

1 城軌規范和客專規定適用范圍

城軌規范適用于鋼輪鋼軌制式和跨坐式單軌制式，最高運行速度不超過120 km/h，且梁式橋跨度不大于150 m、斜拉橋和拱橋跨度不大于400 m、結合梁跨度不大于80 m，橋梁主體結構設計使用年限為100 a。

盡管城規規范未對軌道結構形式提出明確建議，但在工程實踐中，城市軌道交通橋梁多出于養護維修工作量的考慮而采用無砟軌道。

客專規定適用于鋼輪鋼軌制式，且各項規定均適用于有砟軌道。該規范要求本線旅客列車運行速度為200～250 km/h，跨線旅客列車運行速度不小于160 km/h，僅適用于跨度小于96 m的橋梁結構，橋梁主要承重結構使用年限為100 a。

目前，城市軌道交通高架橋主要采用箱形截面梁，近期亦開始采用U形截面梁；高架橋跨度通常采用25 m、35 m、40 m，其中以30 m居多，高架橋結構形式采用簡支結構和連續結構，其中以簡支結構為主?？瓦\專線鐵路與此類似，僅在進行橋梁搶修及戰備時采用軍用梁進行代替，鐵路簡支梁常用跨度為24 m和32 m，且多選用雙線整孔箱形截面梁或兩個并置的單線箱形截面梁。

2 橋梁荷載

城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁在設計中均需考慮主力、附加力和特殊荷載，且荷載分類大體相同。表1列出了這兩類橋梁設計荷載中的共性項，表2則列出了這兩類橋梁設計荷載中的差異項。

表1 城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁設計荷載中的共性項

表2 城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁設計荷載中的差異項

剛度標準決定橋梁主要設計參數的選取。兩部規范中由剛度要求對應的荷載組合相同，其中列車豎向靜活載是多項取值的基準，因此有必要對兩部規范中的靜活載取值加以對比。在城軌規范中，列車豎向靜活載圖式按本線列車的最大軸重、軸距及初期、近期和遠期中最長的列車編組確定，并按實際列車編組進行加載。常見的城市軌道交通A、B、C型車活載圖式見城軌規范[2]。

在客專規定中，列車豎向活載采用ZK(中國客運)活載[3]，其標準圖式見客專規定。將其與城軌荷載對比可知，以城市軌道交通常見的6輛編組、A型車為例，在對應于列車長度的136.8 m范圍內，城市軌道交通橋梁的活載總重為3 840 kN，而客運專線橋梁的活載總重為9 145.6 kN。如按常見的32 m簡支梁考慮，則城市軌道交通橋梁的活載總重為1 120 kN，客運專線橋梁的活載總重為2 438.4 kN。由此可見，兩種情況下客運專線橋梁活載均為城市軌道交通橋梁活載的2倍以上。

3 橋梁剛度要求

3.1 豎向撓度

根據城軌規范，由列車豎向靜活載引起的豎向撓度需要滿足表3中規定的限值要求。

表3 列車靜活載作用下的城市軌道交通橋梁豎向撓度限值

根據客專規定，在ZK活載靜力作用下，橋梁梁體的豎向撓度限值如表4所示。此外，計算拱橋和剛架橋的豎向撓度時，除考慮ZK活載外，尚應計入溫度變形的影響，此時需按下列情況之不利者取值：①ZK靜活載撓度與0.5倍溫度變形引起的撓度值之和；② 0.63倍靜活載撓度與全部溫度變形引起的撓度值之和。同時豎向撓度需滿足表4所列限值的要求。

表4 ZK活載靜力作用下的客運專線橋梁梁體豎向撓度限值

對比兩規范的規定可知，客運專線對梁式橋分別規定了單跨布置和多跨布置條件下的撓度限值，且對溫度較為敏感的拱橋和剛架橋，還考慮了溫度的不利影響。城市軌道交通橋梁未將溫度變形納入考量，但對拱橋和斜拉橋專門作了撓度限值方面的規定，這樣降低了豎向撓度要求，也便于與梁式橋進行區分。以長度為32 m的簡支梁為例，客運專線規定ZK靜活載作用下撓跨比限值為L/1 500，城市軌道交通橋梁規定在實際列車作用下撓跨比限值亦為L/1 500，但由于活載取值的差異性，使得客運專線橋梁的實際豎向剛度要求明顯高于城市軌道交通橋梁。

3.2 豎向梁端轉角

城軌規范規定，在列車靜活載作用下，有砟軌道橋梁梁體單端豎向轉角不應大于5‰，無砟軌道橋梁梁體單端轉角不應大于3‰；當無砟軌道橋梁梁體單端豎向轉角大于2‰ 時，應檢算梁端處軌道扣件的上拔力。客專規定則要求在ZK靜活載作用下，有砟軌道梁端豎向轉角不應大于2‰，無砟軌道梁端豎向轉角不應大于1‰。

為分析豎向梁端轉角對列車行車性能的影響，采用地鐵B型車進行了豎向線動力分析，其中輪軌采用赫茲非線性彈性接觸理論，并允許跳軌。車輛模型共10個自由度，且包涵車體和前后轉向架的沉浮和點頭以及輪對的沉浮等車輛振動型式。為避免實際橋梁剛度與規范限值的差異，采用連續布置的正弦波作為不平順輸入以表征橋梁變形的影響，波長范圍為30～40 m，幅值按照表3確定。當車速為120 km/h，得到車輛響應結果列于表5。

表5 連續布置的正弦波不平順對應的地鐵列車動力響應

由表5可知，最不利波長為36 m。在此不平順的基礎上，通過疊加豎向梁端轉角引起的附加不平順，來考察由基礎沉降和跨中下撓、梁端上翹引起的轉角不平順。豎向梁端轉角范圍為3‰～9‰。計算得到的地鐵列車動力響應如表6所示。

由表6可知，豎向梁端轉角主要影響輪重減載率，對車體加速度影響不大。如以車體加速度達到的1.5 m/s2為舒適度限值，則梁端轉角允許達到6‰；如以輪重減載率0.60作為安全性標準，則梁端轉角允許達到7.5‰。另一個影響梁端轉角限值的因素是梁端區域的無砟軌道扣件上拔力。根據北京地鐵現場防爬試驗和多年列車運營經驗可知，當一組扣件的扣壓力大于12 kN時方能防止鋼軌爬行。對采用WJ-7型扣件的無砟軌道，當扣件間距為0.629 m、轉角為1‰時，得到扣件上拔力為3.49 kN、下壓力為9.86 kN[4]，因此要求無砟軌道梁端轉角不超過3‰，且在超過2‰后就應檢算扣件上拔力。有砟軌道雖未對扣件上拔力設限，但從保證梁縫處道床的穩定性和滿足乘坐舒適度要求的角度而言，要求梁端轉角不超過5‰。

表6 正弦波不平順疊加梁端轉角對應的地鐵列車動力響應

與城市軌道交通相比，客運專線橋梁對梁端轉角的限值顯得更為嚴格。其中，有砟軌道梁端轉角限值主要參考德國DIN-101標準中的相關規定，并綜合考慮設計活載、動力系數和溫差影響等方面的差異，最終規定ZK靜活載作用下梁端轉角不應大于2‰。無砟軌道梁端轉角限值參考DS 804.5401《橋上無砟軌道的基本原則和一般要求》中“伸縮縫兩側鋼軌支點的豎向錯位不應超過1 mm”的規定以及扣件上拔力的限制。經計算，最不利情況下由錯臺1 mm引起的梁端轉角為1.6‰；ZK靜活載作用下梁端豎向轉角不大于1‰且梁端懸出長度不大于0.75 m時，梁端鋼軌支點可滿足扣壓力為12 kN的小阻力扣件受力要求?？紤]一定安全余量后，以1.0‰ 作為無砟軌道梁端豎向折角的限值。

3.3 梁體扭轉

城軌規范規定，在計入動力系數的列車活載作用下，由橋跨結構整體扭轉產生的梁體同一橫斷面上兩根鋼軌的豎向變形差不應大于6 mm；在列車靜活載作用下，由沿梁縱向3 m長范圍內局部翹曲變形引起的兩根鋼軌的豎向相對變形量不應大于4.5 mm?？蛯Ｒ幎▌t要求在ZK活載作用下，3 m長線路基準范圍內兩根鋼軌的豎向相對變形量不應大于1.5 mm。盡管兩部規范在梁體扭轉限值上存在差異，但由于客專規定僅適用于雙線且跨度不大于96 m的橋式結構，因此梁體扭轉限值通常不控制客運專線橋梁設計；另一方面，部分抗扭剛度較小的大跨度城市軌道交通橋梁，如拱橋、斜拉橋和懸索橋，在風場作用下可能會出現扭轉超限的情況，因此需進行相應檢算。

3.4 橫向水平撓度

城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁均要求在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度力作用下，橋跨結構梁體的橫向水平撓度不宜大于計算跨度的1/4 000。其中，城軌規范規定，列車橫向搖擺力按相鄰兩節車4個軸軸重的15%計，若按地鐵A型車計算，列車橫向搖擺力為96 kN；客專規定中，列車橫向搖擺力為100 kN。由此可知，兩部規范中列車橫向搖擺力相差很小，因此針對橫向水平撓度，兩部規范要求基本一致。

3.5 墩臺橫向剛度

3.6 車橋耦合振動分析

城軌規范規定，針對L大于100 m的橋梁，應按照實際運營列車進行車-橋或風-車-橋耦合振動分析，客專規定則要求對設計橋梁均按實際運營列車進行車-橋耦合動力響應分析。兩部規范對列車走行安全性和乘坐舒適性的要求基本相同，在實際計算過程中，對橋面振動加速度的限值亦相同。

3.7 徐變上拱

城軌規范規定，L不大于50 m、鋪設無砟軌道的預應力混凝土梁后期徐變變形量不大于10 mm，當L大于50 m時，則后期徐變變形量不大于L/5 000。客專規定要求常用跨度的簡支梁鋪軌后徐變上拱值不大于20 mm(有砟軌道)或10 mm(無砟軌道)。兩部規范針對混凝土梁徐變變形的限值相當，目的都是為了保證軌面的平順性。

3.8 自振頻率

城軌規范未對橋梁結構的豎向自振頻率加以限制，而客專規定為避免橋梁激烈振動，以及保證高速行車安全，對豎向自振頻率規定了限值。

4 結論

(1) 城軌規范和客專規定在車輛活載、動力響應以及乘客乘坐舒適度等方面的差異是造成兩部規范對橋梁剛度要求不同的主要原因。

(2) 城軌規范適用于跨度不大于400 m的梁式橋、拱橋和斜拉橋，并分別針對這3種橋式規定了靜活載作用下的豎向撓度限值。客專規定適用于跨度不大于96 m的梁式橋，在規定豎向撓度限值時，除靜活載外還考慮了溫度變形的影響。兩部規范在車輛活載、動力響應以及乘客乘坐舒適度等方面存在的差異，使得客運專線橋梁的實際豎向剛度要求明顯高于城市軌道交通橋梁。

(3) 城市軌道交通橋梁和客運專線橋梁均需滿足豎向梁端轉角限值要求。對有砟軌道梁端轉角加以限制的目的是保證梁縫處道床的穩定性和滿足乘坐舒適度要求，對無砟軌道梁端轉角加以限制的目的是保證扣件上拔力。其中針對客運專線橋梁的要求相對更為嚴格。

(4) 城軌規范和客專規定均對梁體扭轉進行了限制，且兩部規范的具體限值不同。但客運專線梁體扭轉往往不控制設計，而城市軌道交通則在部分大跨度橋梁上需據此確定抗扭剛度。

(5) 結構橫向剛度的限值均需考慮梁體水平撓度、墩頂水平位移等因素，且兩部規范對該限值的要求基本相當。

(6) 兩部規范對墩頂水平撓度、徐變上拱等剛度指標限值的要求基本一致。

(7) 總體而言，鐵路運輸因其高密度、大運量、全天候運營的要求，對運行計劃和運輸秩序要求極高，且隨著客運專線里程的迅猛增長，少維修乃至免維修正日益成為鐵路養護維修部門的迫切需要，因此鐵路橋梁的設計長期以來采取了相對較高的標準。通過與城市軌道交通橋梁設計標準進行對比，并結合橋梁長期使用性能的監測結果，發現鐵路橋梁部分剛度控制標準仍存在優化空間，今后應加強這一方面的研究。