境外普速鐵路中小跨度橋梁結(jié)構(gòu)選型與實踐

馮 印

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

隨著我國“一帶一路”倡議不斷推進，基礎(chǔ)設(shè)施合作取得重大進展。由于基礎(chǔ)設(shè)施在促進生產(chǎn)要素流動，帶動經(jīng)濟社會發(fā)展，提升后發(fā)經(jīng)濟體整體福利水平等方面具有的獨特作用[1]，越來越多的重大基建項目在沿線得到實施，例如雅萬高鐵、中老鐵路、亞吉鐵路、蒙內(nèi)鐵路等，中國鐵路“走出去”的愿景正在逐步得到落實，其具備的高度戰(zhàn)略意義不斷得到凸顯[2]。

目前，我國鐵路對外輸出的多為普速鐵路，設(shè)計時速大多不超過160 km，橋梁工程多采用國內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)形式，有力地促進了中國標(biāo)準(zhǔn)、裝備在海外的推廣應(yīng)用，同時在實踐中也不斷發(fā)現(xiàn)，“中國制造”系統(tǒng)性對外輸出，部分出現(xiàn)了設(shè)計、采購、建造、運營與項目所在國建設(shè)環(huán)境、施工條件等匹配性不足的問題。

研究不同國別橋梁結(jié)構(gòu)選型的屬地化特點，重點關(guān)注不同結(jié)構(gòu)形式的可施工性與經(jīng)濟性，總結(jié)不同國別項目橋梁設(shè)計的理念。研究內(nèi)容與當(dāng)前境外項目緊密結(jié)合，使得境外項目橋梁設(shè)計選型更能因地制宜，增強我國工程設(shè)計咨詢對國際市場的適應(yīng)性。

1 普速鐵路橋梁選型

調(diào)研目前數(shù)個境外普速鐵路項目，均由國外咨詢公司進行前期設(shè)計，如尼泊爾梅馬鐵路、幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路、馬來西亞金新鐵路、玻利維亞礦山鐵路等。通過梳理可知不同地區(qū)、不同場地中小跨度鐵路橋梁，結(jié)構(gòu)形式存在部分差異，也存在部分共性。普速鐵路橋梁以中小跨度為主，跨徑在12～40 m，混凝土梁和鋼混結(jié)合梁均有使用，其中，以混凝土梁作為主導(dǎo)梁型。

1.1 混凝土梁

境外項目普速鐵路混凝土橋梁多以“I”形和“T”形梁為主要梁型，也不乏并列多片箱梁和“U”形梁，跨度較大時也采用單箱單室箱梁。結(jié)構(gòu)體系以簡支為主，也采用先簡支后連續(xù)的橋梁體系。施工方法以橋頭預(yù)制架設(shè)為主，通過輪胎吊機進行吊裝，橋梁占比較大、橋群集中時，也采用梁場預(yù)制，通過公路或鐵路路基運輸至橋址安裝。箱梁常采用節(jié)段預(yù)制拼裝工法，該工法不僅滿足降低起吊質(zhì)量的需求，也是橋梁綠色建設(shè)的代表性工法[3-4]。

尼泊爾梅吉至馬哈卡利單線電氣化鐵路，設(shè)計速度160 km/h?；炷亮褐饕捎每缍?2.85，19.78 m預(yù)應(yīng)力I形簡支梁，如圖1所示，以及跨度31.42 m節(jié)段預(yù)制拼裝整孔箱形簡支梁。

圖1 尼泊爾I形梁(跨度19.78 m)截面(單位：m)

馬來西亞金馬士至新山既有鐵路復(fù)線電氣化改造，設(shè)計速度160 km/h。多片混凝土I形、T形簡支梁預(yù)制架設(shè)后，后澆墩、臺頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土，形成墩、臺、梁固結(jié)的連續(xù)剛架體系，如圖2所示。

圖2 馬來西亞T形梁(跨度33.40 m)截面(單位：m)

幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路為單線重載鐵路，重車方向時速80 km。5片跨度23.46 m混凝土小箱梁并置，小箱梁采用精軋螺紋筋錨固于墩頂，如圖3所示。

圖3 幾內(nèi)亞組合箱梁截面(單位：m)

玻利維亞莫塔庫西托至穆通至布施港港口鐵路為單線內(nèi)燃牽引鐵路，最高行車速度70 km/h。5片跨度11.50 m預(yù)制的鋼筋混凝土I形梁并置，后澆橋面板及梁端橫隔板，如圖4所示。

圖4 玻利維亞I形梁截面(單位：m)

1.2 鋼混結(jié)合梁

鋼混結(jié)合梁可充分發(fā)揮鋼材抗拉、混凝土抗壓的性能，在國外橋梁中廣泛使用。鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，可工廠制作、現(xiàn)場拼裝，施工簡捷，尤其適用于制造能力有限、設(shè)備較為落后的不發(fā)達地區(qū)。幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路采用跨度30 m上承板式簡支結(jié)合梁，鋼板梁運輸至橋位后輪胎吊吊裝，再現(xiàn)澆混凝土橋面板，如圖5所示。

圖5 幾內(nèi)亞上承板式簡支梁橫截面(單位：m)

玻利維亞莫塔庫西托至穆通至布施港港口鐵路采用跨度12.60，18.90，25.20 m多種跨度鋼混結(jié)合簡支梁，工字鋼縱梁外包混凝土形成SRC梁，如圖6所示。

圖6 玻利維亞鋼混結(jié)合梁(跨度25.20 m)截面(單位：m)

2 境內(nèi)外橋梁選型主要區(qū)別

境外普速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各設(shè)計咨詢公司對項目的背景、條件的理解也不盡相同，總體來講在關(guān)注點方面，與國內(nèi)的設(shè)計理念存在一些區(qū)別。

境外項目橋梁結(jié)構(gòu)選型注重與施工設(shè)備的匹配，鐵路橋梁理念偏向于公路的輕型化設(shè)計與建造方式，以實現(xiàn)功能為主要目標(biāo)，把項目安全、經(jīng)濟性放在首要考慮位置。

2.1 注重與施工的匹配

境外項目在橋梁結(jié)構(gòu)選型初期，已把項目所在國所具備的施工方法、設(shè)備納入考慮，尤其是大型起吊、運輸設(shè)備。

幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路橋涵以小跨度為主[5]，梁體選型時把架設(shè)設(shè)備設(shè)計納入到設(shè)計圖紙中，使得施工具有較好的可操作性。梁體選擇時考慮梁長、梁重、架設(shè)方式與輪胎吊機回轉(zhuǎn)半徑、吊臂長度的配合，如圖7所示。

圖7 幾內(nèi)亞跨度30 m結(jié)合梁吊裝示意(單位：m)

馬來西亞金新鐵路復(fù)線改造項目，采用預(yù)制I形梁上現(xiàn)澆整體橋面板的橋梁結(jié)構(gòu)形式，并列的I形梁頂已預(yù)留了現(xiàn)澆橋面板的預(yù)制模板鋪設(shè)位置，使得施工具有較好的可操作性，如圖8所示。

圖8 馬來西亞鐵路橋梁頂模板鋪設(shè)示意(單位：m)

2.2 功能、經(jīng)濟為導(dǎo)向

歐洲、美國等發(fā)達國家普速鐵路的興建在20世紀(jì)中葉基本完成，而“一帶一路”沿線國家的基建水平不高[6]，目前世界范圍內(nèi)修建普速鐵路的需求主要分布在“一帶一路”沿線發(fā)展中國家，項目所在國建造鐵路的資金實力往往極為有限，投資成為決定項目成敗的關(guān)鍵因素之一。

普速鐵路以客、貨兼運為主，以實現(xiàn)點至點的功能為目標(biāo)，對旅客乘坐舒適度要求較低，對后期維養(yǎng)設(shè)施的考慮也較少，既可滿足使用目的，也盡可能降低工程造價。在以功能、經(jīng)濟為主要目標(biāo)的約束下，結(jié)構(gòu)變形達到最基本的安全要求即可，這樣可使得橋梁結(jié)構(gòu)的體量盡量最小，尤其是下部結(jié)構(gòu)體量。

調(diào)研普速鐵路的橋梁維養(yǎng)、附屬等設(shè)施，避車臺、墩頂圍欄等均未見采用，墩帽尺寸也未考慮維養(yǎng)、更換支座的需求，在一定程度上犧牲了維養(yǎng)的便捷性，但從降低工程造價角度來評判，維修工作能夠符合當(dāng)前的經(jīng)濟條件[7]，比較符合項目所在國的實際需要。

3 選型外部約束條件

境外干線鐵路項目，橋梁通常以中小跨度為主要橋型，研究影響中小跨度橋梁結(jié)構(gòu)選型的外部因素，用來輔助境外鐵路橋梁選型，具有積極的參考價值。橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇充分考慮橋位特點、地質(zhì)水文條件、當(dāng)?shù)夭牧蟻碓?、施工方法、使用功能、運營條件、地區(qū)習(xí)慣做法等因素[8-10]，其中，建筑材料料源與價格、現(xiàn)場施工設(shè)備與工法、建造場地環(huán)境條件，成為制約橋梁選型的最主要外部約束條件。

3.1 建筑材料

境外項目所在國工業(yè)發(fā)展極為不均衡，建筑材料制造往往存在障礙，材料價格差異較大，如圖9所示。工程材料費用是工程造價費用的主要組成部分[11]，材料費一般占鐵路工程建安費的60%～70%[12]，合理、準(zhǔn)確的確定建筑材料價格是境外鐵路項目工程造價的核心工作之一。

圖9 不同國別水泥與鋼筋價格比較

橋梁選型之前需考察料源、價格，項目所在區(qū)域是否具備生產(chǎn)項目所需主要建筑材料的能力，比如鋼筋、水泥、鋼鉸線、鋼板等，建筑材料本地與進口價格進行比較，何種選擇最具經(jīng)濟性。建筑材料在滿足技術(shù)條件要求的前提下盡量就地取材，充分利用項目所在國資源[13]。

境外項目因所在國的生產(chǎn)與供應(yīng)能力，導(dǎo)致其建材價格遠遠高于進口價格且進口受限，進行經(jīng)濟與時效的比較十分必要，且可能會對結(jié)構(gòu)選型產(chǎn)生較大的制約。幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路當(dāng)?shù)厮鄡r格是國內(nèi)4倍之多，鋼材價格與國內(nèi)接近，經(jīng)測算孔徑3 m混凝土箱涵綜合單價約5萬元人民幣/橫延米，3 m拼接型鋼波紋管涵綜合單價約1萬元人民幣/橫延米，可研設(shè)計中大量采用鋼板波紋管涵，大幅節(jié)省工程造價。

3.2 施工需求

境外項目多以總承包的模式實施，設(shè)計以向總承包商提供經(jīng)濟可行的方案為主要目標(biāo)，設(shè)計與施工的結(jié)合緊密且重要。施工方案需結(jié)合境外項目的特點進行因地制宜的設(shè)計，國內(nèi)常用的梁場預(yù)制梁體、鐵路運輸梁體、架橋機快速架設(shè)的方法因前期投入場地大、設(shè)備體量大、準(zhǔn)備工作多等缺點[14-15]，反而在境外喪失了其本有的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，相反橋位現(xiàn)澆、橋頭預(yù)制吊裝、節(jié)段預(yù)制拼裝等工法因其適應(yīng)性強、設(shè)備要求低等優(yōu)勢，在境外鐵路的橋梁架設(shè)中具有使用價值。

玻利維亞穆通鐵路采用5片I形梁，通過現(xiàn)澆整體橋面板連接成整體結(jié)構(gòu)，全線預(yù)制梁多達2.3萬片，同時還需整體現(xiàn)澆橋面板，大大延緩了施工工期。我國企業(yè)在優(yōu)化設(shè)計階段響應(yīng)施工方需求，采用雙片T形梁結(jié)構(gòu)，如圖10所示，預(yù)制0.92萬片，大大縮減了梁場規(guī)模和架設(shè)工期，即使增加了約2.2%的工程費用，總體比較經(jīng)濟效益仍具有優(yōu)勢。

圖10 玻利維亞跨度12 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁截面(單位：m)

幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路可行性研究中，考慮到現(xiàn)場起吊設(shè)備的能力約100 t，采用了鋼混結(jié)合梁及并置小箱梁，我國企業(yè)在優(yōu)化設(shè)計中考慮了該技術(shù)要點，采用了24 m T形梁和30 m鋼混結(jié)合梁兩種形式，也是基于當(dāng)?shù)氐脑O(shè)備起吊能力。

3.3 場地條件

項目橋址的場地條件，比如軟基、震區(qū)、強風(fēng)、近海等因素，均會對橋梁選型產(chǎn)生重要影響。軟基往往不宜選擇連續(xù)結(jié)構(gòu)，近海環(huán)境不宜選擇鋼結(jié)構(gòu)，強震地區(qū)選擇結(jié)構(gòu)整體性較好、結(jié)構(gòu)柔性較大的結(jié)構(gòu)更有利。

玻利維亞礦山鐵路大部分位于沼澤地區(qū)，橋址分布大量軟基，可研設(shè)計選擇了小跨度的簡支I形梁作為主要橋梁結(jié)構(gòu)。尼泊爾鐵路部分線路位于高烈度地震區(qū)，可行性研究中推薦采用部分輕型鋼梁或鋼混梁，可較好地滿足抗震需求。馬來西亞金新鐵路考慮到現(xiàn)場的河道均較窄且地質(zhì)良好，采用了先預(yù)制架設(shè)I形梁，再墩梁現(xiàn)澆固結(jié)的小跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)，較好地匹配了場地具體條件，如圖11所示。

圖11 馬來西亞金新鐵路后澆墩梁固結(jié)示意

4 境外橋梁選型基本思路

橋涵選型國內(nèi)、外的基本思路、步驟大致接近，但關(guān)注點、側(cè)重點有所不同，需在境外橋梁選型的過程中給予關(guān)注的，恰恰是國內(nèi)工程師不引起注意的重點，將對差異的控制事先主動地采取決策措施，以盡可能地減少以至避免目標(biāo)值與實際值的偏差[16]。

境外工程項目受各種客觀條件和時間因素的制約，其所在國政治、經(jīng)濟、文化等特點都可能會對建設(shè)成本造成影響[17]，橋涵選型宜在充分調(diào)研自然條件、當(dāng)?shù)亓?xí)慣做法、類似工程實踐、施工設(shè)備等情況下，做出符合當(dāng)?shù)貙嶋H的個性化設(shè)計[18]。

境外鐵路中小跨度橋梁選型大致遵循以下思路。

(1)研究合同或標(biāo)書，明確項目功能需求。

(2)現(xiàn)場踏勘和調(diào)查，了解主材價格和場地條件。

(3)施工調(diào)研，聽取施工方建議、交流意見。

(4)總體方案構(gòu)思，尋找與各方匹配度較好的技術(shù)方案。

(5)經(jīng)濟比選，結(jié)合本地、國際兩個市場進行經(jīng)濟方案比選，選擇總體價格最優(yōu)方案。

與高速鐵路圍繞著更加注重橋梁結(jié)構(gòu)整體性、結(jié)構(gòu)輕型化、低噪聲和施工方便不同[19]，境外普速鐵路中小跨度橋梁方案比選中宜關(guān)注場地條件和施工方案的配合，最后的落腳點在經(jīng)濟性方面。境外項目往往資金較為緊張，研究的最終目標(biāo)是選擇經(jīng)濟的技術(shù)方案，同時能滿足功能需求。對于普速鐵路而言，五新技術(shù)的應(yīng)用往往會增加工程造價[20]，在境外普速鐵路中應(yīng)慎重使用。

5 結(jié)論

輸出中國的鐵路設(shè)計、建造經(jīng)驗，需進行比較分析、因地制宜，研究部分境外普速鐵路橋梁選型的邊界、約束條件，用以指導(dǎo)境外項目橋梁結(jié)構(gòu)形式比選，得出主要結(jié)論如下。

(1)境外普速項目橋梁結(jié)構(gòu)選型更加注重與施工方案的結(jié)合，通常在橋梁長度短、分布分散、長度占比低的情況下，施工架設(shè)方案對梁體體量的選擇具有指導(dǎo)作用。

(2)境外項目所在地因市場、料源等問題，建筑材料價格離散且差異較大，常見的基本建筑材料因價差的影響，往往會產(chǎn)生與國內(nèi)不同的橋梁結(jié)構(gòu)選型方式與思路。

(3)境外項目考慮到橋梁占比較小且分散，“一址一橋”的定制化設(shè)計，使得不同場地條件下梁型的選用針對性更強，可將軟基、地震等納入更為細(xì)致的考量。

(4)境外項目橋梁選型宜將功能、經(jīng)濟列為首要目標(biāo)，以最經(jīng)濟的方案達成基本的使用功能，使項目從經(jīng)濟上更具可行性。