市域鐵路簡支箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張 晗

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102627）

1 引言

市域鐵路，又稱為通勤鐵路、市郊鐵路，指的是大都市市域范圍內(nèi)的客運(yùn)軌道交通系統(tǒng)，服務(wù)于城市與郊區(qū)、中心城市與衛(wèi)星城、重點(diǎn)城鎮(zhèn)間等，服務(wù)范圍一般在50～100 km，其車站距離短、密度大，設(shè)計(jì)速度宜為 100～160 km/h，平均站間距原則上不小于3 km。市域鐵路屬于廣義城市軌道交通的范疇。為推動都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展，國務(wù)院辦公廳于2020年12月印發(fā)了《關(guān)于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展的意見》[1]，預(yù)計(jì)“十四五”期間將掀起市域鐵路建設(shè)的高潮。相較于近10年來我國高速鐵路和城際鐵路的蓬勃發(fā)展，市域鐵路在我國起步較晚，尚屬于探索階段[2-5]。

截止目前，已經(jīng)投入運(yùn)營的市域鐵路僅有溫州市軌道交通S1線、溫州市軌道交通S2線、鄭州地鐵17號線（鄭許線）、臺州市域鐵路S2線等，數(shù)量較少。國內(nèi)外對市域（郊）鐵路的研究較少，尚未形成體系，市域鐵路橋梁設(shè)計(jì)仍處于一事一議的階段，項(xiàng)目個(gè)性化突出、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、工程投資大、工程控制標(biāo)準(zhǔn)參差不齊、建設(shè)管理及后期運(yùn)營管理難度大。

我國建成和在建的市域鐵路標(biāo)準(zhǔn)跨度簡支梁多以整孔預(yù)制架設(shè)簡支箱梁為主，本文針對整孔預(yù)制架設(shè)跨度30 m、35 m和40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁開展研究，通過對比分析確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

2 梁高選擇

2.1 梁高初步擬定

以30 m雙線簡支箱梁為例，采用Midas Civil軟件分別對ZS荷載與城市軌道交通B型車荷載作用下的簡支梁進(jìn)行建模計(jì)算，ZS荷載圖式與城市軌道交通B型車荷載圖式如圖1和圖2所示[6-7]。ZS荷載與城市軌道交通B型車荷載作用下的彎矩結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖1 ZS荷載圖式

圖2 城市軌道交通B型車荷載圖式

圖3 ZS荷載作用下30 m簡支梁彎矩示意圖（單位：kN·m）

圖4 城市軌道交通B型車荷載作用下30 m簡支梁彎矩示意圖（單位：kN · m）

由圖3和圖4可知，ZS荷載作用下，30 m簡支箱梁的跨中彎矩值為5 227 kN · m；城市軌道交通B型車荷載下，30 m簡支箱梁的跨中彎矩值為3 884 kN · m。分析可得：市域鐵路ZS荷載跨中彎矩約為B型車荷載跨中彎矩的1.4倍。

我國城市軌道交通30 m簡支梁的梁高基本采用1.8 m，考慮到市域鐵路ZS荷載跨中彎矩為城市軌道交通B型車荷載跨中彎矩的1.4倍，將市域鐵路30 m簡支梁的梁高初步取為1.85 m。經(jīng)調(diào)研可知，350 km/h高速鐵路無砟軌道跨度32 m簡支梁的梁高為2.8 m，無砟軌道跨度40 m簡支梁梁高為3.2 m，跨度每增加8 m，梁高增加0.4 m；公路小箱梁跨度每增加5 m，梁高增加0.2 m。綜合高速鐵路簡支梁和公路小箱梁的梁高隨跨度的變化趨勢，對市域鐵路的研究也按跨度每增加5 m，梁高增加0.2 m展開試設(shè)計(jì)，即市域鐵路跨度35 m簡支梁梁高初步取為2.05 m，跨度40 m簡支梁梁高初步取為2.25 m。

2.2 合理梁高選擇

市域鐵路簡支梁的合理梁高主要由安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性控制，安全性主要由受力和變形控制[8]。為了合理確定梁高，梁高在初擬梁高基礎(chǔ)上下浮動5 cm進(jìn)行對比計(jì)算，簡支梁的受力和變形計(jì)算結(jié)果如表1所示（其中荷載類型為，主力：恒載+活載；主+附：恒載+列車靜活載+溫度力）。對采用不同梁高的梁體工程數(shù)量及費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算對比，對比結(jié)果如表2所示。

表1 雙線梁梁部受力和變形計(jì)算結(jié)果

表2 雙線梁梁部工程量表

由表1可知，在梁高1.80 m、1.85 m和1.9 m情況下，跨度30 m雙線簡支梁的受力和變形均可以滿足規(guī)范要求。由表2可知，梁高由1.80 m增加至1.85 m時(shí)，混凝土方量增加1 m3，鋼絞線用量減少0.1 t，考慮到混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束的單價(jià)，1.85 m梁高較1.80 m梁高工程造價(jià)低。為節(jié)省工程量并有利于運(yùn)梁車通行，市域鐵路跨度30 m雙線簡支梁梁高宜采用1.85 m。同理，跨度35 m簡支箱梁宜采用2.05 m，跨度40 m簡支箱梁梁高宜采用2.25 m。

3 鋼絞線經(jīng)濟(jì)性對比

隨著高強(qiáng)鋼絞線技術(shù)的不斷成熟，部分項(xiàng)目已開始嘗試采用高強(qiáng)鋼絞線。高強(qiáng)鋼絞線與普通鋼絞線在抗拉強(qiáng)度、腐蝕性能和工程造價(jià)等方面存在明顯差異[9]。簡支梁設(shè)計(jì)主要受跨中強(qiáng)度控制，高強(qiáng)2 200 MPa鋼束的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1 980 MPa，普通1 860 MPa鋼束的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1 674 MPa，高強(qiáng)2 200 MPa鋼束和普通1 860 MPa鋼束相比，普通鋼束用量約為高強(qiáng)鋼束用量的1.18倍（鋼束設(shè)計(jì)強(qiáng)度1 980 / 1 674 = 1.18）。

合理梁高確定后，對采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa和高強(qiáng)2 200 MPa鋼絞線的雙線整孔預(yù)制箱梁進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 雙線梁梁部每延米造價(jià)

由圖5可以看出，采用高強(qiáng)鋼束比普通鋼束的梁體造價(jià)稍低，且簡支箱梁跨度越大，高強(qiáng)鋼絞線經(jīng)濟(jì)性越明顯。

4 支座到梁端的距離

簡支梁支座到梁端的距離對梁的影響較顯著，會直接影響梁的變形、內(nèi)力、穩(wěn)定性以及承載能力。因此，需要在設(shè)計(jì)中合理考慮和優(yōu)化支座到梁端的距離。

支座到梁端距離主要受上支座鋼板尺寸和梁底支座局部承壓控制[10-11]。TB 10092-2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.1.5條中規(guī)定，C50混凝土局部承壓容許應(yīng)力為[σ]=13.4×β，混凝土局部承壓應(yīng)力提高系數(shù)β不應(yīng)大于 3，混凝土局部承壓應(yīng)力計(jì)算公式為[10]：

式（1）中：P為豎向設(shè)計(jì)荷載，N；D為滑板材料按照45°傳力擴(kuò)散角通過鋼件傳遞到梁底的直徑范圍，mm。

結(jié)合市域鐵路橋梁工程實(shí)例，跨度30 m、35 m和40 m雙線整體預(yù)制簡支箱梁支座噸位分別為3 500 kN、4 000 kN和4 500 kN，簡支箱梁的局部承壓驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

表3 局部承壓驗(yàn)算統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，跨度30 m、35 m和40 m雙線預(yù)制箱梁在滿足梁底混凝土局部承壓受力條件下，支座中心到梁端最小距離分別為0.45 m、0.5 m和0.55 m。推薦跨度30 m、35 m和40 m市域鐵路雙線預(yù)制箱梁支座中心到梁端的最小距離按0.55 m考慮。

5 支座橫向間距

結(jié)合近年來對城市軌道交通、市域鐵路常用跨度簡支梁的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成果[12-13]，采用桿系有限元法，分別對3.1 m、3.6 m和3.9 m三種不同支座橫向間距的箱梁建立模型進(jìn)行環(huán)框分析，以選擇最優(yōu)支座中心間距，確定合理墩頂尺寸，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 雙線梁運(yùn)營階段梁端頂板裂縫驗(yàn)算

由橫向計(jì)算結(jié)果可知，在運(yùn)營荷載作用下，支座中心橫向間距采用3.6 m時(shí)，頂板裂縫接近規(guī)范限值，支座中心橫向間距最優(yōu)。推薦市域鐵路30 m、35 m和40 m雙線簡支箱梁支座中心橫向間距按3.6 m設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論

通過對市域鐵路常用跨度簡支箱梁梁高、支座到梁端的距離以及支座橫向間距設(shè)計(jì)進(jìn)行的研究，并對高強(qiáng)鋼絞線和普通鋼絞線經(jīng)濟(jì)性的對比分析，得出研究結(jié)論如下。

（1）通過安全性和經(jīng)濟(jì)性分析，市域鐵路跨度30 m、35 m和40 m雙線簡支梁梁高建議采用1.85 m、2.05 m和2.25 m。

（2）市域鐵路簡支梁采用高強(qiáng)鋼束比普通鋼束梁體造價(jià)稍低，且簡支箱梁跨度越大，高強(qiáng)鋼絞線經(jīng)濟(jì)性越明顯，但梁體綜合造價(jià)相差不大。

（3）為滿足梁底支座局部承壓驗(yàn)算要求，市域鐵路跨度30 m、35 m和40 m雙線預(yù)制箱梁支座中心到梁端的最小距離建議按0.55 m設(shè)計(jì)。

（4）市域鐵路跨度30 m、35 m和40 m雙線簡支箱梁支座中心橫向間距建議按3.6 m設(shè)計(jì)。