鐵路200 m以上跨度混凝土橋梁設(shè)計參數(shù)取值探討

陳良江 閻武通

(1.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司橋隧咨詢部 北京 100038；2.中國國家鐵路集團工程設(shè)計鑒定中心 北京 100844)

1 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，大跨度橋梁建造需求愈發(fā)突出。混凝土橋梁以其結(jié)構(gòu)剛度大、建造維護成本低、適宜鋪設(shè)無砟軌道等突出優(yōu)點，是大跨度鐵路橋梁建造的首選考慮橋型。

近年來，我國對大跨度鐵路混凝土橋的設(shè)計建造開展了較多的實踐研究[1－2]，目前在建及已建200 m以上跨度混凝土鐵路橋梁已有77座。預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋最大跨度已達216 m(南三龍鐵路閩江特大橋)，連續(xù)(剛構(gòu))梁－拱組合橋最大跨度已達300 m(漢十鐵路崔家營漢江特大橋)，部分斜拉橋最大跨度達到288 m(福平鐵路烏江特大橋)，混凝土拱橋最大跨度已達445 m(滬昆高鐵北盤江特大橋)。

我國對大跨度鐵路混凝土橋已積累了一定的建造經(jīng)驗和技術(shù)成果[3－4]，但總體而言研究尚不夠系統(tǒng)。未來鐵路建設(shè)中，大跨度混凝土橋建造需求仍十分迫切[5]，尚需對我國大跨度鐵路混凝土橋設(shè)計參數(shù)和適用范圍進行系統(tǒng)梳理研究。同時，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中的橋上軌道長波不平順限值[6]和徐變變形控制值等主要針對中小跨度橋梁制定[7－9]，已無法滿足大跨度橋梁建造需求，已成為制約橋梁設(shè)計的關(guān)鍵因素[10]。在我國鐵路大跨度鐵路混凝土橋工程實踐的基礎(chǔ)上，對各類橋式的設(shè)計參數(shù)合理取值進行分析總結(jié)，研究提出適用于大跨度鐵路混凝土橋的橋上軌道長波不平順和徐變變形限值設(shè)計技術(shù)標準，對我國未來大跨度鐵路混凝土橋梁建設(shè)十分必要。

2 鐵路200 m以上跨度混凝土橋梁應(yīng)用情況

目前，我國大跨度鐵路混凝土橋梁主要采用預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋、連續(xù)剛構(gòu)(梁)－拱組合橋、部分斜拉橋和混凝土拱橋四種橋式結(jié)構(gòu)。表1所示為我國目前已建及在建的200 m以上跨度鐵路混凝土橋的統(tǒng)計情況，共統(tǒng)計到77座，其中已建橋梁38座，在建橋梁39座。

表1 我國200 m以上跨度鐵路混凝土橋數(shù)量統(tǒng)計

混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋是我國鐵路橋梁常用的橋型之一，但跨度多在200 m以內(nèi)。目前已建成200 m以上跨度橋梁3座，南三龍鐵路及南三龍合福聯(lián)絡(luò)線上的閩江特大橋和玉磨鐵路阿墨江特大橋主跨均為216 m，為目前我國此類橋型的最大跨度。橋梁收縮、徐變變形控制是混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋跨度進一步突破需解決的關(guān)鍵問題。

連續(xù)(剛構(gòu))梁－拱組合橋是我國自主研究開發(fā)的橋式，采用拱結(jié)構(gòu)加勁方式提高了連續(xù)(剛構(gòu))梁的結(jié)構(gòu)剛度，降低了橋梁長期變形。目前該橋型已經(jīng)在我國鐵路橋梁建設(shè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用；其中主跨200 m以上已建橋梁19座，在建橋梁8座。主跨300 m的漢十鐵路崔家營漢江特大橋為我國目前該橋型最大跨度橋梁。

部分斜拉橋是采用斜拉索對連續(xù)(剛構(gòu))梁結(jié)構(gòu)進行加勁的一種橋式，拉索拉力既可平衡施工期間主梁內(nèi)力，又能為成橋后的主梁提供彈性約束來減小梁體變形。近年來部分斜拉橋在國內(nèi)鐵路建設(shè)中的應(yīng)用逐漸增多，已統(tǒng)計到跨度200 m以上橋梁37座，其中已建橋梁10座，在建橋梁27座。福平鐵路烏江特大橋(主跨288 m)為我國目前此類橋型的最大跨度橋梁；擬建的珠肇高鐵荷麻溪特大橋主跨將達290 m。

混凝土拱橋充分利用混凝土拱肋的承壓能力，跨越能力強又可充分適應(yīng)山區(qū)地形特點，是山區(qū)鐵路建設(shè)中的適宜橋型。目前我國已建及在建200 m以上跨度混凝土拱橋共計10座，其中滬昆高鐵北盤江特大橋(主跨達到445 m)為此類橋型的最大跨度記錄。

總體來說，我國在大跨度鐵路混凝土橋的建造技術(shù)方面已取得豐富成果，各類橋式的最大建造跨度已與理論極限跨徑[11－12]相當，如圖1所示。從跨越能力上來看，混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋主要應(yīng)用于200 m以內(nèi)跨度橋梁，連續(xù)(剛構(gòu))梁－拱組合橋和部分斜拉橋的適用最大跨徑在300 m左右，混凝土拱橋的最大跨度在450 m左右。

圖1 鐵路混凝土橋不同橋式適用跨度范圍

3 鐵路200 m以上跨度混凝土橋梁設(shè)計參數(shù)取值

對我國大跨度鐵路混凝土橋幾何參數(shù)、力學性能參數(shù)和經(jīng)濟性參數(shù)進行了調(diào)研統(tǒng)計[13]，總結(jié)了各類橋式的參數(shù)取值范圍。

3.1 預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋

預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及其取值范圍如表2所示。

表2 預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋設(shè)計參數(shù)取值統(tǒng)計

(1)幾何參數(shù)。支點截面梁高約為L/13～L/14.5(L為主跨跨度)；跨中截面梁高約為支點截面的0.45～0.53倍；邊中跨跨度比取值范圍在0.52～0.60之間。

(2)力學性能參數(shù)。雙線橋活載作用下主梁的撓跨比通常值在1/3 000～1/5 000之間；主梁橫向撓跨比(風力＋搖擺力＋離心力＋溫度)通常值為1/10 000～1/20 000；活載梁端轉(zhuǎn)角多集中在0.25‰～0.5‰ rad；恒載作用下梁截面上、下緣應(yīng)力差一般小于4 MPa。

(3)經(jīng)濟性參數(shù)。跨度為L的雙線鐵路連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋梁部每延米混凝土用量約為0.21L－8.3 m3；單線橋約為0.20L－7.7 m3；梁部預應(yīng)力鋼束用量集中在60 kg/m3左右。

3.2 連續(xù)剛構(gòu)(梁)－拱組合橋

混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)－拱組合橋關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及其取值范圍如表3所示。

表3 混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)－拱組合橋設(shè)計參數(shù)取值統(tǒng)計

(1)幾何參數(shù)。邊、中跨跨度比取值范圍在0.45～0.5之間；主梁支點梁高通常為L/18～L/20；跨中梁高約為支點梁高的0.33～0.50倍；拱肋基本采用鋼管混凝土截面形式，矢跨比取值在1/5～1/6之間；拱肋截面高度通常在L/55～L/65之間。

(2)力學性能參數(shù)。活載作用下的豎向撓跨比通常值為1/4 000～1/5 500；活載梁端轉(zhuǎn)角多集中在0.6‰～1.0‰ rad；恒載下作用下梁截面上、下緣應(yīng)力差在5.0 MPa以內(nèi)。

(3)經(jīng)濟性參數(shù)。在200～300 m跨度范圍內(nèi)，雙線鐵路梁－拱組合橋的梁部每延米混凝土用量在30～42 m3之間；梁部每立方混凝土鋼絞線用量在55～75 kg之間；拱肋用鋼量為1 800～3 000 kg/m；每延米橋跨拱肋混凝土用量范圍在1.5～3 m3之間。

3.3 混凝土部分斜拉橋

混凝土部分斜拉橋關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及其取值范圍如表4所示。

表4 大跨度混凝土部分斜拉橋設(shè)計參數(shù)取值統(tǒng)計

(1)幾何參數(shù)。大跨度鐵路混凝土部分斜拉橋邊、中跨跨度比大多數(shù)為0.52～0.60；主梁支點處梁高約為L/18～L/20，跨中梁高約為支點梁高的0.45～0.60之間；主梁的寬跨比通常為1/20～1/30；無索區(qū)長度約為主跨跨徑的0.14～0.20倍；橋面以上塔高約為主跨跨度的1/7～1/12。

(2)力學性能參數(shù)。活載作用下豎向撓跨比基本在1/1 300～1/1 600之間，梁端轉(zhuǎn)角多集中在0.7‰ ～1.5‰rad；斜拉索承擔的豎向荷載的比例約為30%；拉索的疲勞應(yīng)力幅一般在50～75 MPa以內(nèi)；斜拉索安全系數(shù)多在2.0～2.2之間。

(3)經(jīng)濟性指標。在主跨200～290 m范圍內(nèi)，每延米混凝土用量在30.3～37.0 m3之間，每立方混凝土預應(yīng)力用量約48 kg，每立方混凝土斜拉索用量約21 kg；每延米橋跨橋塔混凝土用量在1.7～4.5 m3之間。

3.4 混凝土拱橋

混凝土拱橋關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及其取值范圍如表5所示。

表5 大跨度混凝土拱橋設(shè)計參數(shù)取值統(tǒng)計

(1)幾何參數(shù)。鐵路混凝土拱橋的矢跨比多在1/5～1/4之間，拱軸系數(shù)多在1.6～3.2之間；拱圈平均寬跨比在1/23左右；肋拱平均高跨比在1/40左右，拱腳和拱頂截面高度比約在1.6～1.8之間。

(2)力學性能參數(shù)。主力作用下拱腳截面最大應(yīng)力與容許應(yīng)力的比值在0.7～0.9之間；活載作用下拱頂撓跨比主要在1/11 700～1/15 400之間；1/4截面處活載正、負撓度絕對值之和與跨度之比主要集中在1/4 000～1/5 500之間；上承式拱橋?qū)囟茸兓^為敏感，升、降溫15℃引起的拱頂變形值大致在L/5 000左右。

(3)經(jīng)濟性參數(shù)。在跨度340～445 m范圍內(nèi)，拱圈每延米混凝土用量在54～62 m3之間；主拱每立方混凝土勁性鋼骨架的用量約為190 kg；每延米橋跨拱上立柱混凝土用量范圍在10.6～15.3 m3之間。

4 大跨度鐵路混凝土橋規(guī)范指標修訂建議

橋上軌道靜態(tài)長波不平順和徐變限值是大跨度鐵路混凝土橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)指標。隨著橋梁跨度的不斷增加，現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)[14]中針對中小跨度橋梁制定的技術(shù)標準已無法適應(yīng)大跨度鐵路橋梁的建設(shè)需求，亟需對兩項技術(shù)指標的限值合理取值進行研究。

4.1 橋上軌道靜態(tài)長波不平順限值

現(xiàn)行規(guī)范對軌道高低不平順采用300 m基線150 m矢距差不超過10 mm作為限值要求。這一限值標準主要針對路基段軌道驗收提出；對于大跨度橋梁來說，溫度、混凝土收縮、徐變變形等作用在橋梁內(nèi)形成了初始長波不平順，且這一變形值隨溫度和時間不斷變化，較難滿足現(xiàn)行規(guī)范的限值要求，已成為制約鐵路混凝土橋向更大跨度發(fā)展的控制性因素。

現(xiàn)有實踐表明，部分已建成大跨度鐵路橋梁雖豎向剛度指標不滿足現(xiàn)行規(guī)范對中小跨度橋梁不平順限值的要求，但實際運營情況良好。軌道長波不平順限值主要是為了控制列車運行的舒適度。我國高速鐵路橋梁動態(tài)驗收中對于時速250 km的線路需要管理到70 m波長，時速300、350 km線路需要管理到120 m波長；為保證線路達到動態(tài)驗收要求，采用的弦長必須涵蓋120 m波長范圍。60 m弦測法的有效測量波長范圍在40～120 m之間，輸出的不平順與車體加速度之間相關(guān)性最好，用于長波不平順管理最合適[15]。根據(jù)綜合檢測車實測車體垂向加速度和60 m弦測不平順之間的相關(guān)性，以1.0 m/s2作為車體垂向加速度限值標準，提出時速250、300、350 km條件下，60 m弦測不平順限值分別取10 mm、8 mm和7 mm作為大跨度鐵路橋梁橋上軌道靜態(tài)長波不平順控制標準。圖2所示為我國時速250 km以上大跨度橋梁60 m弦高低不平順值的統(tǒng)計情況，滿足該限值指標要求。

圖2 時速250 km以上大跨度橋梁60 m弦高低不平順值統(tǒng)計

4.2 徐變變形限值

現(xiàn)行規(guī)范針對跨度超過50 m的無砟軌道橋梁提出豎向殘余徐變變形限值規(guī)定，要求最大豎向變形不超過跨度的1/5 000且不應(yīng)超過20 mm。這一標準對于大跨度橋梁是過于嚴格的。

從行車舒適性角度，現(xiàn)行規(guī)范提出線路豎曲線半徑容許值以控制列車豎向加速度，時速350 km鐵路的豎曲線半徑容許值為25 000 m。對于主跨100 m的橋梁，若豎向殘余徐變變形為L/5 000，軌面變形曲線的換算半徑將達到62 500 m，遠大于時速350 km鐵路的豎曲線半徑限值，完全滿足高速鐵路運行的要求。當跨度進一步加大，工后徐變?nèi)圆捎?0 mm控制大跨度橋梁設(shè)計是過于嚴格的。

基于大跨度混凝土橋梁徐變變形限值的調(diào)研情況，基于綜合剛度控制標準，建議大跨度鐵路混凝土橋梁徐變變形限值可取為L/5 000。

5 結(jié)論

本文對我國當前200 m以上跨度鐵路混凝土橋應(yīng)用概況、設(shè)計參數(shù)取值和設(shè)計技術(shù)標準進行了系統(tǒng)分析研究，主要研究結(jié)論如下:

(1)預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋、連續(xù)剛構(gòu)(梁)－拱組合橋、部分斜拉橋和混凝土拱橋是我國大跨度鐵路混凝土橋主要采用的橋式。混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋主要應(yīng)用于200 m以內(nèi)跨度橋梁，連續(xù)(剛構(gòu))梁－拱組合橋和部分斜拉橋的適用最大跨徑在300 m左右，混凝土拱橋最大跨度在450 m左右。

(2)現(xiàn)行規(guī)范中的軌道長波不平順和徐變變形限值指標無法適用于大跨度鐵路混凝土橋結(jié)構(gòu)設(shè)計；建議采用60 m弦中點弦測法作為橋上軌道靜態(tài)長波不平順檢測標準，對時速250 km、300 km及350 km等級線路橋梁，分別取10 mm、8 mm和7 mm作為不平順指標限值；大跨度鐵路混凝土橋梁徐變變形限值指標建議取為L/5 000。