时速160 km城际铁路简支T梁设计研究

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时速160 km城际铁路简支T梁设计研究

汪鹏翔，刘玉亮，徐升桥

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京　100055)

摘　要：简支T梁在客货共线铁路中广泛应用，将其应用于城际铁路桥梁中需要其满足城际铁路在环境、外观、空间上的要求。设计优化T梁的桥面布置和梁体结构，外侧支架采用钢-混凝土组合板结构，可安装声屏障。克服了常规T梁整体性不足的缺点，在经济上和施工灵活性上继续保持其一贯优势。其在城际铁路桥梁中有推广应用价值，并为其他铁路T梁设计提供借鉴。

关键词：城际铁路；预应力混凝土；简支梁；T梁；设计

1　概况

城际铁路是联系城市群间的快速铁路客运专线，城际铁路的发展一直跟随着快速客运专线铁路的发展。从最早20世纪60年代就开通运营的日本新干线，到20世纪80年代的法国的TGV、德国的ICE和英国的APT开通运营[1]，高速铁路已经取得了几十年的发展经验。与之相比较，中国高速铁路的发展起步较晚，但从2008年京津城际开通至2015年年底中国高速铁路营业里程达1.9万多km，已经超过世界其他国家所有高速铁路通车总里程。在各国高速铁路中，除日本和西班牙少量常用跨度铁路桥梁采用了T梁外，其余大部分采用了简支箱梁。

我国2001年把适当发展城际铁路列入了“十五”规划， 2008 年在调整的《中长期铁路网规划》提出，在环多个经济发达和人口稠密地区建设城际客运系统，覆盖区域内主要城镇[2-4]。早期对城际铁路没有时速规定，2015年3月1日起颁布实施《城际铁路设计规范》(TB10623—2014)，规范规定：城际铁路是指专门服务于相邻城市间或城市群，旅客列车设计速度200 km/h及以下的快速、便捷、的交通设施。为促进桥梁结构在城际铁路中的标准化建设，国家铁路局组织对200 km/h和160 km/h的有砟、无砟轨道常用跨度简支梁进行了设计研究。

2　城际铁路T梁设计意义

城际铁路的定位主要为满足经济发达、人口稠密地区中短途旅客运输需要，其对环保和景观设计都有较高的要求。而桥梁作为城际铁路的主要组成部分，规范中明确了城际铁路桥梁结构应简洁、美观、力求标准化、便于施工和养护维修。

桥梁结构上，预应力混凝土桥梁因为其刚度大、噪声低、温度敏感性低、养护维护简单以及造价低的特点，数量占有绝对优势。铁路常用跨度预应力混凝土简支梁主要采用箱梁与T梁两种形式，简支T梁为分片式组合结构，采用梁场集中预制，分片运输和架设的施工方法。由于单片预制T梁体积小、质量轻，可利用既有铁路进行远距离运输，架设方法灵活[5]，与箱形梁相比，不需要采用专门的大型运输和架梁设备，因此在时速200 km以下的铁路建设中得到了广泛应用。为满足我国大量城际铁路建设的需要，选择科学合理的桥梁形式，对常用跨度预应力混凝土简支箱梁和简支T梁在城际铁路上应用进行了对比，根据《城际铁路常用跨度简支梁的合理结构型式》研究成果，经技术经济综合分析，时速160 km及以下常用跨度简支T 梁经济优势明显，宜优先选用 [6]。

因此，设计安全、经济、美观的城际混凝土简支T梁，为积极响应城际铁路桥梁的标准化建设，促进我国城际铁路建设和应用，具有重要意义。

3　设计内容

3.1　设计目标

160 km/h城际铁路简支T梁包含32、24、20、16 m 4个常用跨度，在设计重点问题上达到如下目标：(1)结构承载力、梁体变形达到新规范要求；(2)满足160 km/h及以下列车动力特性和行车舒适性要求；(3)方便应用于人口稠密的居住区，满足环境保护要求；(4)满足经济性要求；(5)满足耐久性，外观美观性要求，达到简洁、便于维护的目标；(6)满足预制、架设方便快捷的要求，便于大量集中预制和远距离分片架设[7-8]。

3.2　设计难点

国内外客运专线铁路常用跨度简支梁的主导型式是箱形截面梁[9]，我国在客货共线铁路中较多地采用了T形截面梁，客货共线T梁均为有砟轨道桥梁，桥上设护轮轨，挡砟墙外侧设人行道角钢支架铺钢筋混凝土人行道板。当需要在T梁上设置城际铁路广泛要求的声屏障时，通常采用边梁增加现浇桥面板的方式，不仅增加了工程造价，而且效果差、施工不便。因此减少T梁工程量、优化施工工艺、增强T梁整体性成为设计难点。

3.3　技术创新点

(1)T梁人行道采用了钢-混凝土组合板结构，桥面的整体性与箱梁基本相当，可确保桥上检修人员通行的安全，并预留了声屏障安装条件；人行道钢横梁上设有压型钢板，可作为人行道现浇混凝土板的模板，施工便利，质量易于保证。

(2)根据城际铁路的特点，对预制梁的轮廓尺寸及钢筋配置进行了优化，与国内铁路常用的客货共线铁路简支T梁相比，显著地减少了工程数量，特别是设声屏障地段，极大程度降低了工程造价。

(3)人行道钢结构与预制梁的连接采用了防护墙上预埋套筒的连接方案，解决了预制梁模板制作困难的问题，降低了施工难度。

4　主要技术标准

4.1　主要标准

(1)设计速度：160 km/h及以下。

(2)标准段线间距：单线；双线线间距4.0 m。

(3)曲线半径：满足结构承载力的最小曲线半径，800 m(跨度32 m)，300 m(跨度16 m)。

(4)轨道类型：有砟轨道(轨底枕下道砟厚度300 mm)、双块式无砟轨道。

4.2　设计荷载4.2.1　恒载

恒载包括自重、线路设备、轨道板或道砟枕木、人行道钢结构和现浇人行道组合板、现浇防护墙、电缆槽、横隔板和湿接缝、防水层和保护层、声屏障或栏杆重力。有砟轨底至梁顶的计算高度取650 mm，声屏障采用非金属插板式声屏障荷载进行设计。

4.2.2　活载

(1)列车活载：ZC活载，如图1所示。

图1　ZC活载图式(单位：m)

动力系数：

为桥梁计算跨度，m。

(2)人行道竖向静活载值为4.0 kPa，计算主梁时人行道活载不与列车活载同时组合。人行道组合板按竖向集中荷载1.5 kN计算。立柱和扶手按1.0 kN的集中荷载检算。

(3)曲线桥梁上的离心力、横向摇摆力按《城际铁路设计规范》(TB10623—2014)取值。

4.2.3　附加力和特殊荷载

风力、温度力按《铁路桥涵设计基本规范》取值，列车气动力采用0.3 kPa，动力放大系数按2.0计算。列车脱轨荷载根据《城际铁路设计规范》(TB10623—2014)取值，水平脱轨荷载根据《客货共线铁路桥梁不设护轨的技术措施研究》科研研究成果并考虑客车效应按100 kN/m进行设计。

5　结构形式

5.1　桥面结构

单线梁由2片梁、双线梁由4片梁组成，各片梁之间通过桥面板和横隔板处湿接缝连成整体，横隔板处设置横向预应力筋。有砟轨道梁挡砟墙内侧距离线路中心线2.25 m，满足大机养护的要求和考虑曲线段平分中矢要求；无砟轨道挡砟墙内侧距离线路中心1.9 m，满足线路限界要求，无砟轨道桥面根据结构要求预埋连接件。双线曲线加宽时调节中间湿接缝的宽度。单线曲线上无砟轨道桥面布置如图2所示，双线曲线有砟轨道桥面布置如图3所示。

图2　单线曲线上无砟轨道桥面布置(单位：mm)

图3　双线曲线有砟轨道桥面布置(单位：mm)

人行道创新性地采用钢横梁结构与现浇混凝土板组合桥面形式，防护墙下部预埋套筒，钢横梁焊接成整体，采用螺栓与预埋套筒连接。横梁上铺设压型钢板(厚度2 mm)，压型钢板上现浇钢筋混凝土人行道组合板，组合板与现浇防护墙整体现浇。组合板上可设置栏杆或声屏障。人行道组合结构如图4所示。

图4　人行道组合结构

5.2　梁体结构5.2.1　上翼缘尺寸确定

上翼缘的宽度根据桥面板布置和湿接缝的取值确定，通过合理布置各梁片中心距，考虑单片梁梁体截面重心尽可能与腹板中心线一致，以减小预应力横向偏心产生的影响。桥面板结构设计时还考虑了简化模板和方便脱模的要求[10]，以此确定各梁上翼缘宽度。上翼缘的厚度根据受力分析确定。

有砟轨道单线梁腹板中心距2.66 m，双线梁边梁与中梁腹板中心距2.33 m，中梁与中梁之间中心距2.00 m。有砟轨道边梁上翼缘宽2.25 m，中梁上翼缘宽1.70 m。无砟轨道单线梁腹板中心距2.33 m，双线梁边梁与中梁腹板中心距2.165 m，中梁与中梁之间中心距2.00 m。无砟轨道边梁上翼缘宽1.90 m，中梁上翼缘宽1.70 m。有砟轨道、无砟轨道上翼缘最薄处均为185 mm。

5.2.2　下翼缘尺寸确定

下翼缘尺寸应满足预应力筋布置的需要、施工及运营阶段结构受力要求、施工时混凝土灌注的便利、运梁吊梁的稳定性、墩台支座布置、标准化等因素确定，本次设计下翼缘宽度取0.76 m，跨中下翼缘厚度0.30 m。

5.2.3　腹板厚度

T梁的腹板厚度从受力角度上考虑，不仅需要在施工及运营阶段抗弯、抗剪达到设计要求，同时需要提供足够的抗扭刚度[11]，并且提供足够的横向和竖向稳定性。在构造要求上，腹板需要为纵向预应力管道和梁纵横向普通钢筋提供足够的布置空间，还要尽可能地满足施工的方便。边、中梁腹板厚度均采用210 mm。

5.2.4　梁高

满足静力、动力计算要求，满足相关构造要求，考虑城际铁路特点尽量减少梁高，节约桥梁净空。参考既有客货共线铁路T梁，通过对不同的梁高进行计算比较，选取最经济合理的梁高，32 m梁高2.35，24 m梁高1.80，16 m梁为便于检修设备的通过，采用与20 m相同的梁高1.50 m。

5.2.5　截面尺寸

根据上述梁体主要参数和其他构造上的要求，时速160 km城际铁路简支T梁跨中截面尺寸如图5所示。梁端腹板加厚至440 mm，不同跨度梁下翼缘分别加高至1.0、0.8、0.7 m。

图5　跨中截面构造(单位：mm)

5.2.6　横隔板设置

同一孔各片预制梁之间通过桥面板及横隔板湿接缝混凝土联成整体[12]，并在梁端等位置设计横隔板，国内32 m客货共线铁路T梁共设9道横隔板，而采用无砟轨道的日本新干线跨度35 m简支梁在桥面板未设置横向预应力筋的情况下也只设置了4道横梁[13]，日本铁道构造物等设计标准及解说《混凝土构造物》中规定：(1)主梁的支点处应设置端横梁；(2)原则上以15 m以下的间隔设置中间横梁；(3)要适当配置钢筋以加强预应力混凝土梁中的桥面板和横梁的就地灌注部分。考虑到城际铁路活载比客货共线铁路活载小等因素，通过抗扭计算、车桥耦合等分析后，将城际铁路T梁的横隔板减少为4道，中间横隔梁厚350 mm，梁端横隔梁厚1 m。

6　设计计算结果

6.1　纵向平面计算结果

通过优化结构设计尺寸及预应力钢筋的布置，2种轨道形式的4种跨度直、曲线城际T梁各项主要控制指标均满足规范要求，其中32 m有砟轨道设声屏障梁计算结果如表1所示。

6.2　横向桥面板计算结果

桥面板普通钢筋按照结构承载力要求进行配置，在此过程中充分考虑高强度钢筋的应用，以达到 “铁总建设[2013]99号”文关于应用高强度钢筋以达到节能减排的要求，有效减少桥面板厚度，减少工程数量和造价。根据计算结果，桥面板上缘横向钢筋采用φ12 mm的HRB500钢筋，下缘横向钢筋采用φ12 mm的HRB400钢筋，防护墙配置φ14 mm的HRB500 钢筋，钢筋顺桥向间距均为100 mm。桥面板及挡砟墙混凝土及钢筋应力计算结果如表2所示。

表1　32 m有砟轨道设声屏障梁主要计算结果汇总

梁型最小强度安全系数最小抗裂安全系数运营阶段下缘最小压应力/MPa理论残余徐变拱度/mm静活载挠度/mm有砟轨道直线曲线边梁2.041.261.173.5813.18中梁2.111.261.264.3116.78边梁2.051.251.514.2914.84中梁2.141.271.904.5016.94

表2　桥面板横向配筋计算结果

荷载组合控制截面钢筋应力/MPa混凝土应力/MPa裂缝宽度/mm恒载+列车活载+风力外侧悬臂板厚度变截面处126.17.30.12恒载+人行道活载+风力外侧悬臂板厚度变截面处139.98.10.14恒载+列车脱轨荷载外侧悬臂板厚度变截面处345.420.10.34

6.3　空间分析结果6.3.1　整孔梁空间应力分析

采用Ansys建立整孔梁三维实体模型，梁体混凝土、人行道板混凝土部分采用Solid45实体单元；预应力钢束采用Link8杆单元；钢横梁上下翼缘部分采用三维弹性Beam44梁；钢腹板、人行道板下压形钢板采用shell63板单元。混凝土与预应力钢束单元采用节点耦合进行模拟、混凝土与钢横梁相连的部分也采用节点耦合方式连接[14]。运营工况下，有砟轨道运营阶段双线活载时顺桥向应力云图如图6所示。

图6　有砟轨道双线活载时顺桥向应力云图

结构在预应力及荷载作用下以顺桥向受力为主，梁底有较大压应力，张拉阶段，梁底最大压应力21.3 MPa。在活载上桥后，随荷载增加，桥面跨中压应力增大，单线偏载时梁顶产生最大压应力10.9 MPa，均满足规范设计要求。除梁端预应力筋在锚固点产生局部集中拉应力外，所有工况下全梁均受压，无拉应力出现。

6.3.2　挡砟墙、人行道组合结构应力分析

人行道组合板以下的部分挡砟墙与主梁同时预制，人行道组合板以上部分挡砟墙和人行道组合板整体浇筑，与二期恒载同时作用。计算时考虑人行道组合板下面钢支架作用，钢支架的上翼缘与混凝土步板采用节点耦合的方式进行结合。

通过对挡砟墙及人行道组合板纵、横向应力计算结果的对比分析，可知现浇挡砟墙及人行道组合板均有必要设置断缝，且断缝应设置于同一位置，可有效减少挡砟墙及人行道组合板参与主梁纵向受力并减少应力集中。断缝按6 m间距设置，设置断缝的人行道组合板最外侧的钢支架之间增加钢梁，避免断缝处人行道组合板悬臂受力。人行道组合板纵向应力云图如图7所示，现浇部分最大纵向压应力6.78 MPa位于跨中段挡砟墙底端，横向最大拉应力也比较均匀，最大拉应力1.88 MPa位于人行道组合板与挡砟墙相接位置，无应力集中。

图7　单侧人行道组合板纵向应力云图

6.4　动力分析结果

对32 m梁进行车桥动力分析，采用德国高干扰谱样本和德国低干扰谱样本，160 km/h有砟和无砟轨道32 m T梁能够满足在设计车速和1.1倍设计车速下安全、舒适运行。

7　结语

时速160 km城际铁路T梁的设计满足《城际铁路设计规范》对城际铁路桥梁的要求。设计中总结了我国客货共线铁路建设和运营维护的经验，采用多种技术手段，改善了T梁结构，兼有以往铁路T梁的经济性和箱梁整体性好的优点。为运营阶段的检查维护提供条件，在城际铁路建设中具有广阔的应用前景，对其他高速铁路建设具有重要的参考意义。设计中采用的理念和设计方法在实践过程中，将随着城际铁路的发展逐步得到检验与完善。

参考文献：

[1]赵翠霞.我国城际铁路的两种发展模式[J].综合运输，2004(2):46-49.

[2]白宝英.《城际铁路设计规范》之线路设计标准解读[J].铁道标准设计，2015，59(3):29-32.

[3]白琦成.山区高速铁路桥梁设计几个问题探讨[J].铁道标准设计，2011(2):50-55.

[4]孙海富.中国城际铁路技术标准体系对推动城镇化发展的作用[J].工程建设标准化，2014(1):44-47.

[5]柳学发.时速200 km铁路T梁设计研究[J].铁道标准设计，2005(4):31-36.

[6]国家铁路局.TB10623—2014城际铁路设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2015.

[7]刘挺，戴胜勇.简支组装T梁应用于客运专线铁路的探讨[J].铁道标准设计，2009(1):23-25.

[8]刘玉亮.时速200 km客货共线铁路简支T梁梁体变形计算分析及控制措施研究[J].铁道标准设计，2012(9):52-56.

[9]白小崑.京沪高速铁路中小跨度桥梁结构选型初探[J].铁道标准设计，2002(6):35-36.

[10]刘玉亮.重载铁路简支T形梁设计[J].铁道标准设计，2011(9):43-47.

[11]侯建军，邓运清.珠三角城际轨道交通简支箱梁设计[J].铁道标准设计，2012(4):44-48.

[12]陈良江，柳学发.青藏铁路免维修少维护常用跨度简支梁设计对策[J].铁道标准设计，2001(12):1-4.

[13]谢维鎏.日本新干线桥梁概况[J].铁道标准设计，2000(4):10-17.

[14]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2007.

Design and Research of Simply Supported T-Beam for 160 km/h Intercity Railway

WANG Peng-xiang， LIU Yu-liang， XU Sheng-qiao

(Bridge Engineering Design and Research Institute， China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：Simply supported T beam is widely used in mixed passenger and freight traffic. Its application to the inter-city railway bridges should meet the requirements for environment， appearance and space. The design optimizes T beam deck layout and structure， the sidewalk steel support employs steel and concrete composite slab structure with sound barriers， which overcome the drawbacks of conventional T-beam of insufficient integrity and maintain the advantages in economy and construction flexibility. It is of great value to be applied to inter-city railway bridges and can be referenced for the design of other railway T beams．

Key words：Intercity railway; Prestressed concrete; Simply supported beam; T-Beam; Design

收稿日期：2016-03-17；

修回日期：2016-04-18

基金项目：国家铁路局科技研究计划顶目(KF2014-043)

作者简介：汪鹏翔(1983—)，男，工程师，2010年毕业于石家庄铁道大学桥梁工程专业，工学硕士，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)09-0063-05

中图分类号：U448.21+7

文献标识码：A　　DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.014