鐵路常用跨度標準梁技術發展與創新

楊鵬健,周勇政,高 策,王凱林

(1.中國國家鐵路集團有限公司建設管理部,北京 100844； 2.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司鐵路工程技術標準所,北京 100038)

1 概述

至2019年底，全國鐵路營業里程達13.9萬km，其中高速鐵路突破3.5萬km，高居世界第一，高速鐵路橋梁約占線路長度的50%以上[1]。我國地域廣闊，氣候、環境差異大，地形地質條件復雜，隨著鐵路建設快速發展，我國已成為鐵路橋梁運營里程最長、在建規模最大、遇到情況最復雜的國家。傳統的橋梁建造技術(如現澆梁、連續梁等)存在進度慢、造價高、質量控制難度大、不利于養護維修等不足，難以適應大規模鐵路建設需要。同時，鐵路橋梁尤其是高速鐵路橋梁需要嚴格控制梁的強度、剛度、動力性能、墩臺的縱橫向剛度及工后沉降等標準[2-5]，以此來保證線路運營的平順性、安全性和乘客舒適性。

為解決橋梁建設面臨的難題，鐵路行業開展了大量理論研究、工程設計和現場試驗工作[6-7]，通過對不同梁型、不同施工方法的技術經濟分析，采用制運架一體化建造技術的標準梁具有設計建造周期短、施工質量易控制、建造成本低、對環境影響小、便于養護維修等優點，最終確定為我國鐵路橋梁的主要型式。

目前，標準梁通用圖涵蓋高速鐵路簡支箱梁、客貨共線鐵路簡支箱梁和T梁等常用跨度梁型，標準梁占我國高鐵橋梁總里程的95%以上，總量超過50萬孔，多為32 m簡支箱梁。標準梁實現了鐵路橋梁建設的工廠化、標準化和機械化，為我國鐵路橋梁建設作出了重要貢獻。

2 高速鐵路標準梁

我國高鐵標準梁主要為簡支箱梁，按速度等級可分為350 km/h和250 km/h，涵蓋20，24 m和32 m跨度。目前高速鐵路主要采用跨度為32 m簡支箱梁，主要采用沿線路設制梁場集中預制、運梁車沿線路運送、架橋機架設的施工方法，積累了大量的設計、施工和運營經驗[8]。

2.1 時速350 km高鐵簡支箱梁

時速350 km高鐵簡支箱梁通用圖主要有2005版、2008版、2013版和2016版(現行)等4個版本，涵蓋無砟軌道和有砟軌道。

2005版通用圖在大量科研的基礎上，總結了國外高速鐵路和秦沈客運專線整孔箱梁設計、施工經驗，研究確定了整孔箱梁的關鍵設計參數、結構形式、結構尺寸、預應力束布置等，并充分考慮了施工及養護維修條件、景觀效果等。梁頂面采用平坡設計，通過設置保護層來調整橋面排水和適應不同無砟軌道形式，無砟和有砟橋面寬均為13.4 m。

2008版通用圖為滿足箱梁過隧需要，針對有列車通過時橋上沒有人員通行、接觸網支柱設置于橋面板外邊緣、接觸網支柱外側不設檢查車通道的情況，綜合考慮使用、維修、經濟造價、景觀、施工工藝等因素，將橋面寬度優化為：無砟橋面12.0 m，有砟橋面12.6 m。

2013版通用圖，為解決橋面布置緊張問題，系統總結現場應用經驗，進一步優化設計，無砟和有砟梁橋面寬度統一為12.6 m。

2016版通用圖，主要推廣應用HRB400高強鋼筋。根據工程建設需要，以利用現有施工設備和模板為原則，箱梁結構尺寸及橋面布置與2013版通用圖保持一致，橋面寬維持12.6 m不變。本次修訂充分發揮了高強鋼筋的作用，通過調整普通鋼筋間距、直徑等方式，使每孔箱梁比2013版節省普通鋼筋用量3.8t，顯著提高了經濟性。

各版本時速350 km無砟軌道高速鐵路32 m雙線簡支箱梁主要技術參數見表1。

表1 時速350 km無砟軌道高速鐵路簡支箱梁參數

2.2 時速250 km高鐵簡支箱梁

時速250 km高鐵簡支箱梁通用圖主要有客專(單箱單室和單箱雙室)和客兼貨兩個系列。

目前鐵路建設中普遍采用單箱單室梁(2229系列)通用圖，有2009版和2016版(現行)2個版本，涵蓋有砟軌道和無砟軌道。2009版通用圖編制過程中，對單箱單室和單箱雙室結構形式進行比選，綜合考慮梁體受力、施工方便、造價等因素，最終確定采用單箱單室結構，橋面寬12.2 m、梁高2.6 m。2016版箱梁通用圖結構尺寸與2009版保持一致，主要推廣應用HRB400高強鋼筋，并對梁體鋼筋的布置進行了優化設計，充分發揮了高強鋼筋的作用，通過調整普通鋼筋間距、直徑等方式，使箱梁普通鋼筋用量降低11%～13%。

近年來，單箱雙室梁和客兼貨梁在實際工程中使用極少，未組織修訂。各版本時速250 km無砟軌道高速鐵路32 m雙線簡支箱梁主要技術參數見表2。

表2 時速250 km無砟軌道高速鐵路簡支箱梁參數

3 客貨共線鐵路標準梁

我國客貨共線鐵路標準梁主要包括簡支T梁和簡支箱梁，按速度等級可分為200 km/h和160 km/h。簡支T梁涵蓋12，16，20，24 m和32 m跨度，簡支箱梁涵蓋20，24，24 m(與32 m梁等高)和32 m跨度，主要采用制梁場集中預制、運梁車運輸和架橋機架梁的施工方法。

3.1 客貨共線鐵路簡支T梁

客貨共線鐵路簡支T 梁單片預制梁體積小、質量小，便于集中預制、分片運輸和架設，且對線路曲線半徑和線間距的變化具有較好的適應性，在既有客貨共線鐵路中應用廣泛。

20世紀90年代以來，基于線路中心距擋砟墻最小距離、預應力管道至結構邊緣最小距離、普通鋼筋凈保護層厚度、設計活載圖式等標準的變化及現場應用實踐經驗的總結，客貨共線鐵路簡支T梁通用圖先后發布了6個版本。

專橋2059為我國發布的第一部客貨共線鐵路T梁通用圖，橋面寬度3.9 m，為單線設計，雙線線間距4 m，可將兩片單線梁并置，2片梁采用橫隔板混凝土濕接縫連接。

2001版根據既有線提速實踐經驗對梁體橫向剛度的要求，橫隔板處增加了橫向預應力，并增加了部分橋面板連接。廣深準高速鐵路[9]及既有客貨共線鐵路提速至160 km/h過程中，原T梁采用專橋2059通用參考圖，梁體橫向有載頻率不滿足規范要求，因此對梁體進行了橫向加固，增加了橫隔板和部分橋面連接，并增加了橫向預應力，一孔單線32 m T梁加固使用混凝土7.1 m3，鋼筋1 250 kg，鋼絞線87 kg，梁體質量增加至130 t。同時，由于2059系列T梁腹板較薄，運營過程中發現部分存在腹板混凝土沿管道開裂現象。

2005版根據橋規增加了鋼筋保護層厚度(從30 mm增至35 mm)、預應力管道保護層厚度，滿足大機養護要求(橋面寬度從3.9 m增至4.9 m)，調整了混凝土軸心抗壓強度，混凝土共增加11 m3，梁體質量增至139.3 t。雙線線間距4 m時，采用雙單線并置，4片梁采用橫隔板及全部橋面混凝土濕接縫連接。

2012版依據防水層技術條件[10]，簡支T梁橋面防護層厚度從4 cm增至6 cm，梁體質量增至142.2 t；2016版采用高強鋼筋，減少了鋼筋用量；2017版采用了ZKH荷載，人行道結構為預埋T形鋼連接工字形鋼橫梁，上鋪U形槽，U形槽上鋪RPC蓋板，梁體質量未發生變化。各次修訂T梁剛度和豎向基頻變化不大，橫向基頻有所改善，主要設計參數見表3。

表3 各版本客貨共線鐵路32 m跨度T梁主要技術參數(邊梁、曲線)

通過表3可知：

(1)各版本T梁因梁高不變，梁體質量增加，豎向基頻略有降低；專橋2059無橫向連接，2001版部分橋面設置橫向連接，2005版及以后橋面均設置了橫向連接，橫向基頻顯著提高。

(2)現行簡支T梁，設計活載為ZKH荷載，腹板厚度受預應力管道至結構邊緣距離要求的限制；橋面寬度受大機養護要求的限制，線路中心距擋砟墻內側邊≮2.2 m；梁高受結構強度、剛度、抗裂安全性以及梁端錨穴布置構造要求的限制，現行通用參考圖結構設計技術經濟合理，不具備大幅度優化條件。

3.2 客貨共線鐵路簡支箱梁

隨著高速鐵路簡支箱梁建造技術的成熟，客貨共線鐵路簡支箱梁建造技術逐漸發展并應用。客貨共線鐵路簡支箱梁通用圖有2014版和修訂版，涵蓋無砟軌道和有砟軌道，在滬通鐵路、青連鐵路得到應用。

2012年起，鐵路工作者對客貨共線箱梁橋面布置、截面形式、結構尺寸、大噸位錨具應用[11]等進行了系統研究，2014年首次編制發布了客貨共線鐵路簡支箱梁通用參考圖。2017年以來，在相關科研課題研究基礎上，對箱梁梁高、截面尺寸、橋面布置、預應力體系進行了優化，提出了700 t級客貨箱梁運架設備，開展了客貨共線鐵路簡支箱梁全壽命技術經濟對比分析，并于2018年對2014版客貨共線鐵路簡支箱梁通用圖進行全面修訂[12]。

修訂版客貨共線鐵路簡支箱梁通用圖采用ZKH荷載進行結構計算，調整了預應力布置和結構配筋；與2014版通用圖相比，時速200 km、32 m簡支箱梁梁高由2.7 m調整為2.6 m；電力、通信、信號電纜均在橋面布置，方便施工。取消遮板，人行道欄桿和聲屏障通過現澆邊墻與梁體連接，節省了混凝土和鋼筋用量；降低預應力筋重心高度，提升預應力筋使用效率。單線箱梁采用斜腹板，腹板在梁端向箱內變厚，提升了脫模施工的效率。各版本客貨共線鐵路32 m雙線簡支箱梁主要技術參數如表4所示。

表4 各版本客貨共線鐵路簡支箱梁主要技術參數

同時，考慮客貨共線有砟軌道不平順譜、徐變變形、墩臺不均勻沉降共同影響的情況下，分析CRH2列車以最高速度240 km/h作用于32 m簡支箱梁[13]，橋梁動力響應和動車組動力響應均在容許值之內，列車行車安全性滿足要求，列車乘坐舒適度合格。

3.3 客貨共線鐵路簡支箱梁與T梁技術對比

簡支箱梁具有結構整體受力性能好，附屬設施置于整體橋面安全可靠且維護工作量小等優點，現場施工工程量小、質量易于保障。以時速200 km客貨共線32 m簡支梁為例，簡支箱梁與T梁主要技術指標對比如表5所示。由表5可知，箱梁的靜活載撓跨比、梁端轉角、基頻等指標均優于T梁，可以更好地適應列車運營需求。

表5 時速200 km客貨共線鐵路簡支梁技術參數對比

3.4 客貨共線鐵路箱梁與T梁經濟性對比

科研結果表明[14]，考慮全壽命成本，箱梁比T梁低15%左右(含下部基礎)。同時，通過理論分析、模擬項目對比、實際工程調研等方面對簡支箱梁和T梁的建設成本進行對比，分析了全壽命周期成本以及包括接觸網立柱等在內的總成本，如表6所示。結果表明：從建設成本上講，簡支箱梁梁部工程造價高于無聲屏障T梁，低于有聲屏障T梁。考慮采用箱梁后不設護輪軌、接觸網立柱工程量減小等因素，建設項目工程造價不高于采用T梁時工程造價。客貨共線雙線箱梁全壽命周期總成本比T梁低約27%(不含下部基礎)，客貨共線單線箱梁全壽命周期總成本比T梁低約28%(不含下部基礎)，具有顯著的技術經濟優勢。

表6 客貨共線32 m簡支梁全壽命周期成本對比(單、雙線)

4 鹽通梁

4.1 鹽通梁通用圖

為了給雅萬高鐵提供技術支撐，從路網重要性、線路長度和橋隧比、施工進展等因素分析，選取鹽通鐵路試點，于2018年編制發布了鹽通鐵路簡支梁通用圖，涵蓋無砟軌道24 m和32 m跨度。與國內現行高鐵簡支箱梁相比，鹽通梁充分考慮工程實際，采用BIM信息化手段優化鋼筋布置；采用自動張拉、自動壓漿等新技術，提升高速鐵路簡支箱梁智能建造水平；并采用了大噸位錨具[11]，優化了截面尺寸，降低了工程數量。梁高由3.0 m變為2.8 m，跨中腹板厚度由0.45 m變為0.36 m，底板寬度由5.5 m變為5.4 m，底板厚度由0.28 m變為0.27 m，梁體質量由790 t變為696 t。

4.2 靜力性能

鹽通梁主要技術指標與現行32 m高速鐵路無砟軌道簡支箱梁(以下簡稱“2322A”)、聯調聯試實測數據和規范限值對比如表7所示。與2322A相比，鹽通梁豎向剛度、基頻有所減小，梁端轉角及徐變變形有所增大，但變化幅度均不大。從數據對比分析結果看，鹽通梁結構仍存有一定安全儲備。

表7 鹽通梁與2322A主要設計參數對比

4.3 動力性能

鹽通梁車橋動力仿真分析結果如表8所示，結果表明：梁高降低后，動力性能主要指標有所下降，但幅度不大。鹽通梁輪重減載率、脫軌系數、輪軌橫向力等安全性指標均滿足規范要求，安全性滿足要求；斯普林舒適度指標略有降低，仍滿足規范限值，舒適性滿足要求。

表8 鹽通梁與2322A動力性能參數對比

4.4 經濟性分析

以32 m簡支箱梁為例，與2322A相比，鹽通梁梁體質量每孔減少94 t，節省投資約4.5萬元；每孔梁支座費用減少約0.4萬元，合計節省投資約4.9萬元。同時，橋梁下部基礎尚有優化空間，且尚未包含預應力束根數減少而引起的張拉臺班費減少等。具體工程數量對比見表9。

表9 鹽通梁與2322A工程數量對比

5 高速鐵路40 m簡支箱梁

近年來，高鐵橋梁建設需求和設計建造技術有了新的發展：隨著中西部高鐵建設的持續推進，地質地形復雜、深水高墩鐵路橋梁日益增加，下部結構造價在橋梁建設總費用中的比重不斷增大，研究大跨度簡支箱梁建造技術，可提升高鐵橋梁的技術經濟性；在公路及河道密布地區，大跨度簡支梁可提高橋梁跨越能力，豐富現有標準梁跨度序列，與小跨連續梁現澆方式相比，有利于保障質量、節省工期。高速鐵路40 m簡支箱梁有助于豐富標準梁跨度序列，對于提高橋梁跨越能力、提升鐵路橋梁建造水平具有重要意義。

5.1 高速鐵路40 m簡支箱梁通用圖

從2015年起，我國對40 m簡支箱梁的合理結構形式、結構設計、提運架設備、BIM和信息化技術應用、技術經濟性等開展了系統研究[15]，形成了高速鐵路40 m簡支梁建造成套技術，完成了足尺試驗梁工藝試驗、受力性能試驗及破壞性能試驗，并完成了40 m簡支箱梁和運架設備的試用評審，在鄭濟高鐵得到成功應用。

在總結科研成果和工程實踐經驗的基礎上，擬編制40 m箱梁通用圖，適用于時速350 km高速鐵路，涵蓋無砟軌道和有砟軌道兩種軌道結構形式，梁高3.2 m，梁長40.6 m，計算跨度39.3 m。40 m箱梁采用了大噸位錨具，腹板厚度由2322A的0.45 m減小為0.36 m，降低箱梁自重；既保留了2322A遮板方案，又增加了現澆邊墻方案，有聲屏障區段，每孔梁邊墻方案較遮板方案節省混凝土14.88 m3，節省鋼筋3.79 t；不同于2322A橋面3列排水方式，40 m簡支箱梁橋面采用2列排水方式，箱內不設泄水管，避免箱內積水病害；采用BIM信息化手段優化了鋼筋布置。

5.2 靜力性能

40 m簡支箱梁和現行32 m高鐵簡支箱梁技術參數對比如表10所示，結果表明：40 m箱梁基頻小于32 m箱梁，靜活載撓跨比和梁端轉角大于32 m箱梁，殘余徐變上拱與32 m箱梁基本相當，各項指標均滿足規范要求。

表10 40 m簡支箱梁和現行32 m高鐵簡支箱梁技術參數對比

5.3 動力性能

40 m簡支箱梁動力仿真分析結果如表11所示，結果表明：40 m簡支箱梁輪重減載率、脫軌系數、輪軌橫向力、豎向及橫向舒適度指標均滿足規范要求，動力性能與32 m簡支梁總體相當。

同時，國內外研究結果表明，等跨布置的簡支梁箱梁的跨度與動車組的車長的比值關系是影響車橋動力響應的重要因素。我國動車組車長25 m，40 m梁的跨度為車長的1.5倍，避免了一階車橋共振。與32 m梁相比，在列車作用下，40 m簡支梁動力系數較小，可以更好地適應高速鐵路發展需要。

表11 40 m簡支箱梁與2322A動力性能參數對比

5.4 經濟性分析

40 m簡支箱梁工程數量見表12，其梁部造價82.6萬元(2.06萬元/m)、通橋(2016)2322A梁部造價63.58萬元(1.99萬元/m)，40 m箱梁每延米造價高約3.5%。40 m箱梁和32 m箱梁相比，生產周期和運架時間基本相同，40 m簡支箱梁梁場制運架設備投資增加約 15%。但采用40 m箱梁可以減少橋墩數量，墩高越高，下部結構費用節省越大，整體經濟性越好。

表12 40 m簡支箱梁和現行32 m高鐵簡支箱梁工程數量對比

6 發展展望

隨著我國鐵路橋梁設計、建造技術快速發展，在不斷總結工程實踐經驗和科研成果基礎上，高速鐵路常用跨度簡支箱梁、客貨共線鐵路常用跨度簡支箱梁和T梁通用圖不斷完善和發展，并根據實際需要，探索了鹽通梁、高速鐵路40 m簡支箱梁等通用圖，推動了鐵路橋梁技術進步。為進一步適應鐵路高質量發展需要，建議從以下方面開展研究。

(1)進一步加強橋梁標準和關鍵技術的基礎研究工作，全面總結高鐵橋梁工程實踐經驗和聯調聯試成果，對關鍵設計參數進行深化研究，如動力系數、梁端水平折角、殘余徐變限值、橋墩墩頂縱向線剛度限值、相鄰橋墩沉降控制標準、斷軌力等橋上無縫線路作用力等，提升鐵路橋梁的技術經濟性。

(2)充分吸收和總結前期經驗，開展高速鐵路常用跨度簡支梁通用圖優化設計工作，在總結高鐵40 m 梁、鹽通梁經驗的基礎上，圍繞大噸位錨具、高強度預應力筋和裝配式橋面附屬設施應用對高鐵箱梁進行全面修訂，將現行32 m 梁腹板由450 mm 減為360 mm，進一步提升箱梁的技術經濟性。

(3)推動BIM 技術在鐵路工程建設中的應用，推廣梁場信息化、機械化技術，提升橋梁智能建造水平，促進鐵路橋梁高質量發展。