京張高速鐵路清河站U形軌道梁的設計分析

田楊 嚴章榮 梁磊

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

北京至張家口高速鐵路是國家《中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”高速鐵路網京蘭通道的重要組成部分，是京津冀協同發展的重要基礎工程，也是2022 年北京冬奧會和冬殘奧會的重要交通保障設施。京張高鐵是第一條應用了我國自主研發的北斗衛星導航系統、設計速度為350 km/h 的智能化高速鐵路，也是世界上第一條最高設計速度350 km/h 的高寒、大風沙地區的高速鐵路。

京張高鐵起自北京北站，途經清河站、昌平站、八達嶺長城站、東花園北站、懷來站、下花園北站、宣化北站、張家口站，線路全長174 km。其中，清河站是一座以鐵路客運為主的現代化綜合交通樞紐站，站區橋梁設計的影響因素和限制條件較一般橋梁結構復雜。本文結合京張高鐵清河站站區軌道梁的結構選型與設計，分析軌道梁的幾何參數變化對結構受力的影響，研究豎向荷載作用下單線、雙線U 形軌道梁的力學特性。

1 工程設計概況

京張高鐵清河站是北京市首座在車站內配置3條地鐵線路的鐵路客站。該車站由地下2 層、地上2 層和局部3 層組成。地下二層為地鐵昌平線南延線、19 號線支線的站臺層和設備層；地下一層為城市通廊、高鐵與地鐵換乘空間、地下車庫。地上一層為高鐵進站廳、站臺層和地鐵13 號線站臺；地上二層為高架候車大廳。局部三層為商業服務場所。車站共設5 座站臺共10 股道，其中高鐵站臺4 座共8 股道，地鐵13號線專用站臺1座共2股道。

站區東南側的高鐵軌道梁因橋下換乘空間凈高受限采用了簡支U 形梁。按照與站區股道數相匹配的原則，U 形軌道梁的結構設計分為單線和雙線2 種（圖1），為有砟軌道后張法預應力混凝土簡支梁，梁體采用C55混凝土。

圖1 站區U形軌道梁布置

單線U 形軌道梁跨中底寬5.40 m，單側上翼緣寬0.85 m，槽口寬4.40 m，梁高2.075 m。道床板最小厚度0.51 m，梁端設置端橫梁，端橫梁由道床板向梁底局部加厚構成，最小高度為0.735 m，跨中截面構造見圖 2（a）。

圖2 U形軌道梁跨中截面構造（單位：mm）

雙線U形軌道梁跨中底寬12.60 m，單側上翼緣寬1.65 m，槽口寬10.20 m，梁高2.30 m，道床板最小厚度0.80 m，梁端因凈高要求無法設置端橫梁，故采用了與跨中截面相同的構造。跨中截面構造見圖2（b）。U形軌道梁的梁長有24.9 m 和24.6 m 兩種，計算跨度分別為23.4 m和23.2 m，支座橫橋向中心間距分別為4.6 m（單線）和10.4 m（雙線）。梁體采用支架原位現澆施工。

2 軌道梁結構選型

清河車站軌道梁位于車站地上一層的高鐵站臺層，由于受京張高鐵、地鐵昌平線南延線和19 號線支線等線路高程的控制，高鐵站臺層至地下一層候車廳的凈高和站臺梁的設計高度成為影響軌道梁結構設計的關鍵因素。

為確保地下一層候車大廳有足夠的凈空，同時更有利于車站建筑物結構受力，在軌道梁結構選型時，比選了簡支U 形梁、簡支箱梁和簡支鋼混結合梁3 種結構設計方案。這3 種梁型所需的軌下建筑高度（鋼軌底至梁底）分別為1.462，2.860，2.860 m。顯然，簡支U 形梁所需的軌下建筑高度最小，可為橋下提供更多的空間，在設計方案上具有優勢。

選用與車站建筑結構柱間距等長（即25 m）的混凝土簡支U 形梁可提供在上下建筑高度同時受限條件下結構承載所需的梁體高度，能夠有效滿足站內不同線路條件下高速列車運行的需要。

3 軌道梁力學分析

U 形梁是一種梁板組合的空間整體結構［1-2］。作為一種下承式橋梁結構形式，在上部豎向荷載作用下道床板會發生雙向彎曲和扭轉，主梁會產生彎曲扭轉效應，受力較為復雜［3-6］。

文中U 形軌道梁的有限元分析模型采用四點支承的簡支體系，梁體混凝土和預應力鋼絞線分別用六面體單元和線單元模擬。橋面二期恒載以面荷載集度的形式施加，計算時僅考慮預應力鋼絞線與梁體混凝土的變形協調，暫不考慮二者間的滑移效應。梁體混凝土重度取26 kN/m3，彈性模量取36 GPa。預應力鋼絞線的重度取78.5 kN/m3，彈性模量取195 GPa。單線、雙線U 形軌道梁的橋面二期恒載分別取68.7，119.7 kN/m。

3.1 幾何參數

影響并決定U 形梁結構受力狀態的設計幾何參數有主梁梁高、計算跨度、道床板厚度、道床板的長寬比、腹板厚度等［7］。考慮到清河站U 形軌道梁結構設計的實際情況，本文僅對道床板厚度、寬度及腹板厚度等幾何參數進行分析。為了便于比較分析，計算中暫不考慮預應力效應。

1）道床板厚度

在梁高、跨度等其他幾何參數確定的前提下，道床板厚度直接影響結構受力狀態。厚度過大會顯著增加自重，厚度過小則影響結構安全，因此選取經濟合理的道床板厚度至關重要。選取雙線U 形軌道梁，計算跨中最不利荷載作用下道床板厚度分別取600，700，800 mm 時的梁體跨中下緣縱向正應力和豎向位移，結果見圖3（坐標原點位于梁截面中心線處）。可見，隨著道床板厚度的減小，在相同荷載作用下U 形軌道梁跨中下緣縱向正應力和豎向位移逐漸增大。

圖3 跨中下緣應力與位移

2）道床板寬度

在長度和厚度確定的前提下，道床板寬度對U 形梁結構的橫向受力影響較大。一般來說，道床板的寬度越大豎向荷載作用下板的橫向彎矩和豎向變形也就越大。道床板中的剪力滯現象也主要與道床板的長寬比C（C=主梁的計算跨度/道床板的計算跨度）有關。對比分析跨中最不利活載作用下道床板寬度為12.6 m 和13.6 m 的雙線U 形軌道梁的道床板剪力滯系數（表1）可知，在相同豎向荷載作用下，道床板的長寬比越小，跨中道床板剪力滯系數越大。

表1 道床板剪力滯系數

3）腹板厚度

腹板厚度取值須滿足梁體結構受力需要，并應考慮梁體普通鋼筋、預應力鋼束布設的構造要求和便于施工等因素。一般來說，腹板厚度越大梁體的剛度越大，但腹板厚度過大會增加梁體重量，反而不經濟。比較分析3 種不同腹板厚度（700，800，900 mm）的雙線U 形軌道梁在跨中最不利活載作用下的計算結果可知，跨中區段主梁腹板下端，槽口內側受拉外側受壓，槽口內側的拉應力隨板厚增加而減小，槽口外側的壓應力隨板厚增加而增大。

3.2 豎向荷載作用

槽形梁主梁在豎向荷載作用下受力情況比較復雜，其應力分布與梁體變形密切相關［8］。道床板上的荷載大部分通過主梁傳遞給支座，在主梁腹板內產生豎向應力。此外由于腹板的傾斜，在自重荷載作用下主梁會發生扭轉和縱橫向彎曲，在腹板內會產生剪應力和縱向、豎向正應力，沿腹板厚度方向不均勻分布。

1）結構應力

梁體在結構自重、二期恒載、預應力及列車活載等共同作用下呈現明顯的空間特性。單線、雙線U 形軌道梁的縱向正應力計算結果（表2）表明，受道床板雙向彎曲的影響，在運營階段跨中最不利活載作用下，單線U形軌道梁跨中截面上緣縱向正應力表現為槽口外側高內側低；雙線U形軌道梁由于施加了橫向預應力，跨中截面上緣縱向正應力正好與單線梁相反，表現為槽口外側低內側高。單線U形軌道梁跨中截面上下緣的平均縱向正應力（壓）分別為-13.31，-0.35 MPa；雙線U形軌道梁跨中截面上下緣的平均縱向正應力（壓）分別為-10.99，-0.20 MPa。單線、雙線U 形軌道梁跨中截面道床板下緣縱向正應力在橫橋向大致呈倒U形分布，主梁下緣縱向正應力（壓）最大，主梁至道床板中心縱向正應力逐漸減小。

表2 單線、雙線U形軌道梁關鍵截面縱向正應力

2）梁體豎向變形

運營階段跨中最不利活載作用下，單線、雙線U形軌道梁跨中下緣道床板豎向位移在橫橋向上大致呈U形，見圖4（坐標原點位于梁截面中心處）。道床板邊至道床板中心豎向位移逐漸增加，道床板中心豎向位移最大，單線、雙線U形軌道梁跨中下緣豎向位移平均值分別為-9.04，-8.58 mm。靜活載作用下道床板的豎向撓度大于兩側主梁的豎向撓度，單線、雙線梁跨中靜活載豎向撓度平均值分別為6.87，5.36 mm，撓跨比分別為1/3 406，1/4 366。

圖4 U形軌道梁跨中截面豎向位移

梁體終張拉時，單線U 形軌道梁跨中主梁的上拱度略高于道床板的上拱度，雙線U 形軌道梁因布設了橫向預應力筋，跨中道床板的上拱度略高于主梁的上拱度。單線、雙線U 形軌道梁的梁體平均上拱度分別為4.34，0.49 mm。

3）梁體橫向變形

豎向荷載作用下U 形軌道梁除發生豎向變形外，還會發生橫向變形。一般情況下，主梁在豎向荷載作用下會發生向槽內傾斜的變形，槽口會減小。

圖5 U形軌道梁槽口變形曲線

運營階段跨中最不利活載作用下U 形軌道梁的槽口變形曲線見圖（5）（坐標原點位于梁端），可知單線U 形軌道梁橫橋向最大變形大致位于跨中，最小變形位于梁端橫梁附近，橋軸線方向槽口變形量呈W 形分布；雙線U 形軌道梁橫橋向最大變形位于梁端部，最小變形大致位于跨中，橋軸線方向槽口變形量呈U形分布，跨中區段槽口變形量相差較小。

綜合分析可知，在豎向荷載作用下U 形軌道梁的槽口總體呈縮小的趨勢，道床板上施加橫向預應力有利于控制梁體橫向變形。

3.3 結構自振特性

簡支梁的自振特性與其計算跨度、結構剛度和質量密切相關。當計算跨度、材料彈性模量和截面幾何構造尺寸確定時，梁部結構質量對自振頻率和振型影響較大。模態分析結果表明，單線、雙線U形軌道梁的自振頻率和振型特征存在一定差異，雙線梁的自振頻率較單線梁的小，二者的低階振動形態大體相同，高階振動形態基本不同（見表3）。

表3 結構自振頻率與振型特征

單線梁和雙線梁的前4階振型特征基本一致，第1階、2 階振型以主梁的豎向彎曲振動為主，表現為道床板隨主梁同幅振動，第3 階振型以道床板的豎向振動為主，表現為主梁隨道床板一同振動，第4階振型表現為主梁與道床板同向振動。由于單、雙線U 形軌道梁的結構質量和道床板寬度不同，從第5階振型開始，二者的振動形態不盡相同。

振型分析結果表明，U 形軌道梁的振動主要表現為梁板相互作用共同參與振動，與簡支板梁的振動有所區別［9］。

4 結論

本文通過比選京張高鐵清河站高鐵軌道梁的結構設計方案，研究分析單線、雙線U 形軌道梁的幾何參數及豎向荷載作用下的力學特性。得到以下結論：

1）站內采用U 形軌道梁跨越可提供在上下建筑高度同時受限條件下結構承載所需的梁高，能有效滿足車站內不同線路條件下高速列車運行的需要。

2）豎向荷載作用下單線、雙線U 形軌道梁呈現明顯的空間特性，跨中最不利活載作用下梁體上下緣縱向正應力分布不均。

3）豎向荷載作用下單線、雙線U 形軌道梁的槽口總體呈縮小趨勢，道床板上施加橫向預應力對于控制梁體應力和結構變形有利。

4）單線、雙線U 形軌道梁的低階振動形態大體相同，高階振動形態有所區別。