高速鐵路跨度32 m與40 m預應力混凝土簡支箱梁經濟性比較研究
——以鐵伊鐵路3座橋梁設計為例

李學強 王 東

(中鐵工程設計咨詢集團濟南設計院，濟南 250022)

隨著我國經濟的快速發展，高速鐵路的建設技術日新月異。我國高速鐵路具有規模大、橋梁比重大、長大橋梁多等特點[1-2]，橋梁工程投資占比一般相對較大。現階段，我國高速鐵路中橋梁主要采用整孔簡支箱梁，具有受力簡單、明確、形式簡潔、外形美觀、抗扭剛度大等優點，其跨度多為32 m，40 m跨度相對較少。因此，對兩種跨度進行比選研究具有重大價值。已有部分學者開展相關研究，胡所亭等對常用簡支箱梁從梁體基頻、剛度、跨度方面進行優化研究[3]；葉陽升等從參數研究、結構設計、梁體預制等方面對發展40 m簡支梁橋的意義進行分析[4]；牛斌對不同跨度簡支梁的設計情況以及實梁運營指標測試結果進行對比分析[5]；姚亞茹對40 m簡支箱梁的縱向、橫向及局部應力進行計算[6]；宋瑞等從箱梁共振消振、局部振動響應特性、噪聲預測等方面對32 m和40 m箱梁的振動噪聲進行對比，結果表明40 m箱梁更具優勢[7]；蘇永華等通過提高混凝土強度等級、推遲二期荷載上橋時間、細化二期荷載分級等方法，探索40 m箱梁殘余徐變上拱控制的措施[8]；陳勝利等對鄭濟高鐵40 m簡支箱梁進行水化熱、靜載彎曲等試驗[9-10]。為進一步研究橋梁跨度對其經濟性的影響，選取鐵伊鐵路3座地質條件、橋墩高度、橋梁長度、基礎類型不同的特大橋，對32 m和40 m跨度簡支箱梁橋的工程數量、工程概算進行對比分析。

1 概述

1.1 項目概況

新建鐵伊鐵路位于黑龍江省中部，線路起自鐵力站，終至新建伊春西站。正線全長112.355 km。其中，橋梁長29.152 km，橋梁占比25.94%，按速度250 km/h標準設計。

線路于CK9+859.42～CK10+855.56跨越頭道河及其支流，橋梁長996.14 m。橋址區位于沖洪積平原區，上覆淤泥質粉質黏土、粉質黏土、中砂、粗砂，下伏白堊系下統青山口組泥巖。

線路于CK89+185.855～CK89+918.155跨越幺河，橋梁長732.30 m。橋址大部分位于沖洪積河谷區，上覆粉質黏土、細砂、粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土，下伏燕山期侵入花崗巖、華力西期侵入花崗巖。

線路于CK106+994.650～CK107+530.470跨越規劃新建路，橋全長535.81 m。橋址位于平原區，上覆粉質黏土、粉砂、細圓礫土、粗圓礫土，下伏白堊系下統淘淇河組泥巖。

1.2 研究方法

根據3座橋梁的長度，分別按照32 m和40 m簡支箱梁進行孔跨布設(見表1)，并對兩種方案的橋梁進行下部結構設計，分別計算兩種方案的工程數量和工程造價[11]。

表1 兩種梁型方案橋梁情況

由表1可知，兩種梁型方案橋梁長度相差較小，對橋梁的工程數量及工程概算的對比結果不會產生較大影響。

2 結構設計

2.1 上部結構設計

設計32 m簡支箱梁時，采用“通橋(2016)2229-Ⅰ”《時速250 km高速鐵路預制有砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁》，40 m簡支箱梁截面見圖2。

圖1 32 m簡支箱梁截面(單位：mm)

圖2 40 m簡支箱梁截面(單位：mm)

單孔32 m與40 m簡支箱梁工程數量對比見表2。

表2 兩種梁型工程數量對比

由圖2可知，40 m簡支箱梁橋墩采用圓端形實體橋墩，頂帽橫橋向寬8.0 m，順橋向寬3.6 m，12 m以下橋墩墩頂橫橋向寬6.2 m，順橋向寬2.2 m，采用直坡形式。12 m以上橋墩墩頂橫橋向寬6.2 m，順橋向寬2.5 m，采用1∶45坡比形式。均滿足無縫線路橋墩線剛度要求[13]。

2.2 基礎設計

32 m簡支箱梁方案橋墩樁基均為φ1 m，樁基數量為8根、10根。40 m簡支箱梁方案橋墩樁基為φ1 m、φ1.25 m，樁基數量分別為8根、10根。

(1)頭道河特大橋

采用32 m梁時，墩高≤11.0 m采用8根φ1.0 m樁基，墩高>11.0 m采用10根φ1.0 m樁基；采用40 m梁時，墩高≤11.5 m采用10根φ1.0 m樁基，墩高>11.5 m采用8根φ1.25 m樁基。

(2)幺河1號特大橋

采用32 m梁時，墩高≤19.0 m采用8根φ1.0 m樁基，墩高>19.0 m采用10根φ1.0 m樁基；采用40 m梁時，墩高≤19.0 m采用10根φ1.0 m樁基，墩高>19.0 m采用8根φ1.25 m樁基。

(3)跨規劃新建路特大橋

采用32 m梁時，采用8根φ1.0 m樁基；采用40 m梁時，采用10根φ1.0 m樁基。

3 下部結構工程數量

3座橋梁地震動峰值加速度均為0.05g，抗震設防烈度為Ⅵ度，地震動加速度反應譜特征周期為0.35 s。采用32 m簡支箱梁橋梁抗震設防類別為C類，采用40 m簡支箱梁橋梁抗震設防類別為B類[14]。每處橋梁分別按照32 m箱梁和40 m箱梁建立計算模型，兩種梁型方案的樁基數據統計見表3。

表3 兩種梁型方案樁基數量統計

由表3可知，頭道河特大橋40 m箱梁較32 m箱梁的計算平均樁長增加約3.4 m；由于幺河1號特大橋大部分為嵌巖柱樁，故40 m箱梁與32 m箱梁計算平均樁長基本相同；跨規劃新建路特大橋40 m箱梁較32 m箱梁的計算平均樁長增加約7.0 m。由于部分樁基直徑增加為1.25 m，故采用40 m箱梁較采用32 m箱梁的樁基配筋面積增大。

3座橋梁的下部結構工程數量見表4。

表4 兩種梁型方案下部結構工程數量匯總

40 m與32 m箱梁下部結構工程數量比較見表5。

表5 40 m較32 m箱梁方案下部結構工程數量增減

由表4、表5可知，40 m簡支箱梁下部結構較32 m簡支箱墩臺混凝土量平均減少8.2%，鋼筋量平均增加3.2%，承臺混凝土量平均增加8.8%，鋼筋量平均增加4.9%；樁長平均減少0.6%。

4 工程概算

4.1 上部結構

32 m簡支箱梁單孔造價約81萬元，折合每延米約2.49萬元，40 m簡支箱梁制架單孔造價約114萬元，折合每延米約2.81萬元，40 m箱梁較32 m箱梁每延米概算增加12.84%。32 m箱梁每孔梁支座概算約為6.2萬元，40 m箱梁每孔梁支座概算約為8.3萬元。

3座橋梁上部結構工程概算見表6。

表6 2種梁型方案上部結構概算

每孔40 m簡支箱梁較32 m簡支箱梁概算增加40.7%。從3座橋梁上部結構概算分析， 40 m簡支箱梁較32 m簡支箱梁上部結構工程概算增加10.61%。

4.2 下部結構

根據材料單價及相關技術經濟指標，下部結構概算見表7。

表7 兩種梁型方案下部結構概算 萬元

由表7可知，對40 m簡支箱梁與32 m簡支箱梁的下部結構工程概算進行比較，頭道河特大橋及跨規劃新建路特大橋工程概算分別減少1.15%、2.86%，幺河1號特大橋工程概算增加5.41%。

4.3 全橋對比

32 m簡支箱梁和40 m簡支箱梁結構的初步工程概算如下：頭道河特大橋采用32 m簡支箱梁全橋工程概算為6 336萬元，采用40 m簡支箱梁全橋工程概算為6 619萬元，工程概算增加4.47%；幺河1號特大橋采用32 m簡支箱梁全橋工程概算為3 563萬元，采用40 m簡支箱梁全橋工程概算為3 910萬元，工程概算增加9.74%；跨規劃新建路特大橋采用32 m簡支箱梁全橋工程概算為2 910萬元，采用40 m簡支箱梁全橋工程概算為3 079萬元，工程概算增加5.81%。

5 原因分析

40 m簡支箱梁結構主要通過減少全橋的橋墩、承臺及樁基礎工程量來減少工程概算，不同梁型的工程概算對比分析如下。

(1)頭道河特大橋

上部結構工程概算約占全橋53%，采用40 m簡支箱梁上部結構概算增加9.41%。本橋墩高為7～12.5 m，橋址區地質以粉質黏土、中、粗砂、泥巖為主，樁基礎采用摩擦樁，采用40 m簡支箱梁下部結構工程概算減少1.15%。

(2)幺河1號特大橋

上部結構工程概算約占全橋69%，采用40 m簡支箱梁上部結構概算增加11.88%。本橋墩高為8～20.5 m，橋址區地質以粉質黏土、細、粗、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土、卵石土、花崗巖為主，樁基礎大部分采用嵌巖樁，采用40 m簡支箱梁下部結構工程概算增加5.41%。

(3)跨規劃新建路特大橋

上部結構工程概算約占全橋61%，采用40 m簡支箱梁上部結構概算增加11.11%。本橋墩高為4～7 m，橋址區地質以粉質黏土、粉砂、細圓礫土、粗圓礫土、泥巖為主，樁基礎采用摩擦樁，采用40 m簡支箱梁下部結構工程概算減少2.86%。

綜上，當橋梁長度較長，或樁基以摩擦樁為主時，采用40 m簡支箱梁可以減少下部結構工程量，降低下部結構工程概算。當橋梁長度較短，墩高較高且樁基以嵌巖樁為主時，采用40 m箱梁雙線高速鐵路墩臺頂縱向水平線剛度為550 kN/cm，較采用32 m箱梁時增加約57%，且抗震設防類別為B類[14]，為滿足規范要求，需通過增加橋墩、承臺尺寸，調整樁基長度、樁徑尺寸、樁基根數等措施[15]，使得下部結構工程量不降反增，導致全橋工程概算增加。

6 結語

選取設計項目中3座有代表性的簡支梁橋，分別采用32 m和40 m簡支箱梁橋梁建模進行下部結構計算，并對主要工程數量、工程概算進行對比分析，得出以下結論。

(1)對于地質條件相差不大的橋梁，橋梁長度越長，橋墩墩高越高，采用40 m簡支箱梁時下部結構工程量減少越多，工程投資優化越多。

(2)對于工程地質條件較好，樁基以嵌巖樁為主的橋梁，40 m簡支箱梁對橋梁樁基優化并不明顯，32 m簡支箱梁經濟性更好。

(3)一般情況下，橋梁墩高越高，采用40 m簡支箱梁橋墩工程量減少越多，但為滿足墩頂縱向水平線剛度以及抗震設防類別的要求，需增加橋墩尺寸以及增加樁基長度、樁徑等，使得橋梁基礎工程量增加較多，導致下部結構工程造價增加。