高速鐵路標準簡支箱梁設計優化

鄧運清,徐升橋,侯建軍,陳海濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

高速鐵路是當代高新技術的集成，是鐵路現代化的重要標志，正日益改變著人們的出行和生活方式，助力國家經濟社會發展。高速鐵路標準簡支箱梁已在我國高速鐵路建設中得到應用推廣，確保了高速鐵路建設工期、工程質量和運營安全，為我國高速鐵路的快速建設做出了重要的貢獻。

隨著我國高速鐵路網進一步完善，根據《中長期鐵路網規劃》(2016～2025)，“十三五”期間，我國將建設“八縱八橫”骨干鐵路通道，到2020年，我國高速鐵路通車里程超過3萬km[1]，高速鐵路標準簡支箱梁仍將有15萬孔的用量，而且我國高速鐵路作為我國與世界各國交流的一張名片，高速鐵路走向世界是大勢所趨，開展高速鐵路標準簡支箱梁設計優化研究[2-4]，對我國高速鐵路乃至世界高速鐵路的發展有重要意義。

2 設計優化基礎

高速鐵路標準簡支箱梁作為列車運行的重要基礎設施，保證線路的高平順性、高穩定性和旅客乘坐的舒適性，應具有優良的靜動力性能，我國目前大量采用跨度32 m預應力混凝土簡支箱梁[5-6]，動力性能指標控制結構設計，在滿足承載能力的同時，對梁體基頻、梁體撓跨比、梁端轉角、殘余變形等參數提出限值要求[7-8]。

2.1 動力設計指標

我國高速鐵路大量采用跨度32 m簡支箱梁，規范中通過增大箱梁豎向自振頻率，提高共振速度，減小運營速度范圍內的振動響應。相關研究表明，采用更大跨度簡支箱梁，車-橋動力響應明顯降低，結構動力設計指標影響較小，梁體自振頻率不控制設計，將會有更好的經濟性[8-9]。

2.2 運架設備

隨著近幾年我國高速鐵路的建設，高速鐵路標準簡支箱梁制運架設備取得了巨大突破[5，10]，預制梁架設質量從130 t提升至900 t，各種型式運架設備已廣泛應用于工程建設中，運架設備的提升能力不再成為制約高速鐵路標準簡支箱梁發展的瓶頸，為高速鐵路標準簡支箱梁向大跨度方向發展提供保障。

2.3 新工藝新材料

箱梁設計過程中錨具選取多為15孔以下錨具，隨著《鐵路工程預應力筋用夾片式錨具、夾具和連接器技術條件》的完善和近些年大噸位錨具在工程建設中的推廣應用，有效解決了大噸位錨具錨下局部應力問題，如吉圖琿高鐵長春永寧特大橋支架現澆簡支箱梁首次采用27孔大噸位錨具，時速160，200 km客貨共線鐵路簡支箱梁通用圖設計中采用25孔大噸位錨具等。箱梁采用大噸位錨具可有效地減少結構腹板厚度、減輕結構自重，降低工程造價；有效地減少預應力鋼束的配置，簡化箱梁的施工工藝，為高速鐵路標準簡支箱梁設計優化提供了方向[11-16]。

3 設計優化研究

3.1 40 m大跨簡支箱梁設計研究

高速鐵路標準簡支箱梁設計在結構滿足強度和抗裂性能要求的前提下，重點在橋梁的動力性能分析。等跨布置的簡支箱梁結構車橋豎向振動主要體現在3個方面：高速列車通過時對橋梁周期性激勵、等跨布置簡支梁變形對車輛周期性激勵以及兩者的耦合振動響應。理論和試驗研究表明，對不同跨度的簡支梁，高速列車速度效應引起的豎向強振規律是一致的，強振頻率主要與速度和車輛有關。

列車以一定速度通過簡支梁橋時，其作用類似于頻率為速度(V)/車輛定長(Lc)的激振源，激振的大小與梁體的跨度、剛度有關。與此對應的一階共振速度為

式中，f為橋梁的自振頻率；Lc為車長(一般為25 m)；Lb為梁的跨度；E為混凝土彈性模量；I為箱梁慣性矩；m為每米箱梁質量；V為列車速度，km/h。

相關研究[17]表明：對于不同跨度的簡支梁，高速列車速度效應引起的豎向強振規律是一致的，高速列車車橋耦合振動響應與列車長度、橋梁跨度具有直接關系，當梁跨與車長比L/l=k+0.5(k=1、2、3、…)時，梁體不發生共振，車橋動力響應最小，對于我國CRH系列高速列車長度確定的條件下(25 m)，常用跨度簡支箱梁跨度為37.5 m時不會發生共振，同時結合我國鐵路梁跨傳統的8 m模數，高速鐵路如采用40 m跨度簡支箱梁，自振頻率對梁體動力系數影響較小，且發生共振時梁體最大動力系數較小，梁體自振頻率不控制設計，為橋梁設計提供了較大的空間。

3.1.1 設計指標

(1)二期恒載

分析國內采用的無砟軌道結構類型及橋面附屬設施布置，目前混凝土結構的整體式聲屏障結構應用較少，且橋面附屬設施正在向輕型化方向發展。綜合計算，高速鐵路無砟軌道箱梁橋面二期恒載最大不超160 kN/m，故設計值采用100～160 kN/m計算。

(2)梁端轉角

根據TB10621—2014《高速鐵路設計規范》[18]規定，梁端懸出長度<0.55 m時，梁端轉角限值為1‰，0.55 m<梁端懸出長度<0.75 m時，梁端轉角限值1.5‰。考慮到40 m大跨簡支箱梁支座安裝及梁端局部受力需要，適當增大支點距離梁端距離為650 mm，該梁端懸出長度在0.55～0.75 m，梁端轉角限值建議根據“懸出長度在1.0‰～1.5‰之間進行線性插值”，取1.25‰。

(3)自振頻率

跨度40 m簡支箱梁設計梁體自振頻率不控制設計，但基頻應滿足規范中自振頻率最低限值的要求[1]：n0=23.58L-0.592[18](L為梁的跨度)。

(4)殘余徐變

為控制跨度40 m簡支箱梁殘余徐變上拱，二期恒載上橋時間按照終張拉后90 d計算，并考慮大跨簡支箱梁跨中設置鋸齒塊構造方式降低殘余徐變，設計豎向殘余徐變變形控制在10 mm以內。

3.1.2 截面參數

(1)橋面寬度

根據鐵道部經濟規劃研究院《關于印發高速鐵路簡支箱梁橋面寬度方案研討會專家意見》(經規標準函[2012]188號)，對于時速350 km高速鐵路，不考慮橋面人行道檢查車走行通道，橋面寬度為12.6 m。

(2)腹板厚度

箱梁腹板厚度設計不僅要滿足梁體的抗彎、抗剪強度要求，又要提供足夠的抗扭剛度，在滿足承載能力的同時，也要保證預應力管道有足夠的保護層厚度，以避免管道出現縱向裂縫[19-21]。既有鐵路整孔簡支箱梁設計采用較小噸位的錨具，一般為控制在15孔以下，腹板采用雙排管道布置，使得腹板構造要求最小厚度為450 mm。同等條件下采用大噸位錨具，可以減小腹板的構造厚度，腹板采用22孔～27孔錨具時，相應管道直徑為120 mm，腹板構造厚度可減小為360 mm，腹板厚度減小可有效降低結構自重。

(3)截面梁高

由于跨度32 m及以下簡支梁設計基本控制因素為TB10621—2014《高速鐵路設計規范》[18]滿足動力相應的自振頻率限值，跨度40 m簡支梁設計梁體自振頻率不控制設計，故40 m梁剛度不控制設計，主要為強度及徐變控制。對于跨度40 m簡支箱梁，梁高在2.8 m以上，其基頻都可以滿足規范中自振頻率最低限值的要求，分別對梁高2.8，3.0，3.2 m進行比較分析。箱梁截面和預應力布置見圖1～圖3，不同梁高截面計算指標對比見表1。

圖1 跨度40 m簡支箱梁跨中截面(單位：mm)

圖2 跨度40 m簡支箱梁鋼絞線布置(單位：mm)

圖3 跨度40 m簡支箱梁鋸齒塊錨固布置(單位：mm)

梁高/m施工方法混凝土數量/m3鋼絞線數量/t靜活載位移/mm靜活載梁端轉角/rad靜活載撓跨比徐變上拱/mm控制因素3.2預制374.514.30811.970.97‰1/32826.2—3.0預制368.415.43613.781.1‰1/28516.7—2.8預制362.416.65816.031.3‰1/24517.4梁端轉角超限3.2現澆377.015.16811.460.94‰1/33945.9—

注：1.殘余徐變變形考慮30%的變異系數，按照不大于7 mm控制；2.現澆施工箱梁支點距離梁端距離考慮張拉空間需要，采用850 mm；3.表中徐變上拱二期恒載按100 kN/m計算，其他指標均按160 kN/m計算。

綜合上述，高速鐵路跨度40 m標準簡支箱梁采用預制架設法施工，梁高采用3.0 m和3.2 m時，其梁體基頻、梁體撓跨比、梁端轉角、殘余變形等參數均滿足規范限值要求，但考慮到預制和現澆不同施工方法情況下，梁體高度外形保持一致，高速鐵路跨度40 m標準簡支箱梁梁高采用3.2 m。簡支箱梁設計中跨中設置鋼束錨固鋸齒塊，可以降低鋼絞線材料用量，同時更有利于控制后期殘余徐變變形。

3.2 跨度32 m箱梁設計優化

3.2.1 考慮利用既有設備、梁高不變開展截面優化

針對目前我國高速鐵路常用的跨度32 m簡支箱梁，在考慮既有模板和配套設備充分利用的前提下，保持箱梁高度不變，采用大噸位錨具開展設計優化。

(1)腹板厚度優化

既有鐵路整孔簡支箱梁設計采用12孔錨具，腹板采用雙排管道布置，腹板構造厚度采用450 mm設計。腹板采用22孔～27孔錨具進行設計優化，相應管道直徑為120 mm，腹板構造厚度可減小為360 mm。

(2)箱梁截面調整

由于高速鐵路跨度32 m簡支箱梁用量較大，目前與箱梁相應的配套模板和吊裝設備已經成型，設計優化充分考慮不影響既有內模和設備吊具調整，采用內模不變，調整外模內移方式，達到減小腹板厚度目的。設計優化前后的截面尺寸見圖4、圖5。

圖4 跨度32 m簡支箱梁優化前截面尺寸(單位：mm)

(3)鋼絞線布置優化

目前大噸位錨具在工程建設中得到了推廣應用，本次設計優化箱梁腹板采用單排管構造，擬采用22孔～27孔鋼束布置方式，可以有效地減小結構腹板厚度，節省混凝土和鋼絞線的用量；同時也能大幅減少箱梁預應力鋼束束數，簡化制梁過程的張拉工藝，有效地縮短箱梁制造周期。鋼絞線布置見圖6。

圖5 跨度32 m簡支箱梁優化后截面尺寸(單位：mm)

圖6 跨度32 m簡支箱梁設計優化鋼束布置(單位：mm)

(4)優化結果對比

針對高速鐵路跨度32 m整孔簡支箱梁，對比分析采用大噸位錨具和常規小錨具設計的主要工程量及計算指標，具體計算結果見表2。

表2 箱梁主要工程量及計算指標對比

注：1.殘余徐變變形考慮30%的變異系數，按照不大于7 mm控制；2.表中徐變上拱二期恒載按100 kN/m計算，其他指標均按160 kN/m計算；3.徐變上拱按照橋面二期恒載60 d上橋計算。

由表2對比分析結果可知，采用大噸位錨具進行設計優化后，跨度32 m簡支箱梁在混凝土、鋼絞線等材料用量降低，對梁體基頻、梁體撓跨比、殘余變形、梁端轉角等參數影響較小，均能滿足限值要求。

設計優化后簡支箱梁由于使用大噸位錨具，簡化了制梁過程中的張拉工藝，目前已經投入使用的箱梁自動張拉設備能夠滿足鋼絞線張拉過程中箱梁對稱同步張拉要求，可以有效避免箱梁橫向受力不均勻受壓導致梁端裂縫產生。

3.2.2 梁高優化進一步探討

(1)靜力計算

TB10621—2014《高速鐵路設計規范》給出了跨度32 m以下橋梁不進行動力檢算的自振頻率限值，規范中通過增大梁體的動力設計指標(豎向自振頻率)，達到提高共振速度、減小運營速度范圍內的振動響應目的。跨度32 m標準簡支箱梁設計優化后豎向自振頻率能夠滿足規范限值，基于考慮混凝土彈性模量提高、二期恒載差異和橋面無砟軌道結構等影響，實際試驗測試結果中梁體頻率高于設計值30%～40%。綜合考慮，可進一步優化箱梁，在不考慮既有模板利用的情況下，對梁高3.0，2.9，2.8，2.7 m進行計算指標對比分析，具體指標對比見表3。

表3 箱梁主要工程量及計算指標對比

注：1.殘余徐變變形考慮30%的變異系數，按照不大于7 mm控制；2.徐變上拱二期恒載按100 kN/m計算，其他指標均按160 kN/m計算；3.徐變上拱按照橋面二期恒載60 d上橋計算。

由表3可知，梁高2.7 m時，殘余徐變超限，梁高采用2.8 m時，對梁體撓跨比、殘余變形、梁端轉角等參數均能滿足限值要求。梁高2.9 m以下時梁體豎向自振頻率不滿足TB10621—2014《高速鐵路設計規范》中給出的橋梁不進行動力檢算的限值要求，需要單獨進行動力計算。

(2)動力計算

根據簡支梁橋的車-橋耦合振動仿真計算結果，選取10跨簡支梁、15 m高橋墩組成的多跨簡支梁橋進行計算，動力響應評價結果見表4。

由表4可知，跨度32 m標準簡支箱梁梁高采用2.8 m以上時，CRH3高速列車以設計速度350 km/h和檢算速度420 km/h通過，橋梁的動力響應均在容許值以內；列車豎、橫向振動加速度滿足限值要求；列車行車安全性滿足要求；在橋梁設計速度下運行，列車的乘坐舒適性能夠達到“良好”標準以上；在檢算速度下通過，列車的乘坐舒適性能夠達到“合格”標準以上。

表4 車-橋系統動力響應評價結果匯總

以上計算結果均是基于梁體本身為理論平順狀態，但在實際運營中，預應力混凝土梁不可避免存在徐變拱度，盡管通過調整扣件可以調整線路的平順性，但在徐變較小時，不可能隨時調整線路的平順性到理論狀態，因此應考慮梁體存在一定的徐變。考慮4 mm徐變拱度后，3.0 m和2.9 m梁高方案的舒適性滿足1.2倍設計速度檢算要求，2.8 m梁高方案的舒適性滿足1.1倍設計速度檢算要求。

綜上檢算速度為1.2倍設計速度時，梁高可取3.0 m，優化后梁體混凝土數量為279.5 m3，減少36.6 m3，梁重減少92 t，剛度與現有通用圖相當。檢算速度為1.1倍設計速度時，梁高可取2.8 m，優化后梁體混凝土數量為274.6 m3，減少41.5 m3，梁重減少104 t。

4 結語

在我國高速鐵路建設中，預應力混凝土標準簡支箱梁用量較大，對于鐵路建設工期、工程投資和運營安全影響巨大，通過總結高速鐵路箱梁設計、施工、運營經驗，開展高速鐵路標準簡支箱梁設計優化研究，可降低工程造價，節省建設周期；預制架設簡支梁跨度增大到40 m，將擴大高速鐵路預應力混凝土簡支梁橋的適用范圍，有助于進一步推進我國高速鐵路的建設，加快實現中國高速鐵路“走出去”的戰略部署，意義重大。