市域铁路简支箱梁结构设计研究

市域铁路，又称为通勤铁路、市郊铁路，指的是大都市市域范围内的客运轨道交通系统，服务于城市与郊区、中心城市与卫星城、重点城镇间等，服务范围一般在 50 ～ 100 km，其车站距离短、密度大，设计速度宜为 100 ～ 160 km/h，平均站间距原则上不小于 3 km。市域铁路属于广义城市轨道交通的范畴。为推动都市圈市域（郊）铁路加快发展，国务院办公厅于 2020 年 12 月印发了《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》，预计“十四五”期间将掀起市域铁路建设的高潮。相较于近 10 年来我国高速铁路和城际铁路的蓬勃发展，市域铁路在我国起步较晚，尚属于探索阶段。  

截止目前，已经投入运营的市域铁路仅有温州市轨道交通 S1 线、温州市轨道交通 S2 线、郑州地铁 17 号线（郑许线）、台州市域铁路 S2 线等，数量较少。国内外对市域（郊）铁路的研究较少，尚未形成体系，市域铁路桥梁设计仍处于一事一议的阶段，项目个性化突出、标准化程度低、工程投资大、工程控制标准参差不齐、建设管理及后期运营管理难度大。   

2.1梁高初步拟定   

以30 m 双线简支箱梁为例，采用 Midas Civil 软件分别对 ZS 荷载与城市轨道交通 B 型车荷载作用下的简支梁进行建模计算，ZS 荷载图式与城市轨道交通 B 型车荷载图式如图1和图2所示。ZS 荷载与城市轨道交通 B 型车荷载作用下的弯矩结果如图 3 和图 4 所示。   

由图3 和图 4 可知，ZS 荷载作用下，30 m 简支箱梁的跨中弯矩值为 5 227 kN · m；城市轨道交通 B 型车荷载下，30 m 简支箱梁的跨中弯矩值为 3 884 kN · m。分析可得：市域铁路ZS荷载跨中弯矩约为 B 型车荷载跨中弯矩的1.4倍。我国城市轨道交通 30 m 简支梁的梁高基本采用  1.8 m，考虑到市域铁路 ZS 荷载跨中弯矩为城市轨道交通 B 型车荷载跨中弯矩的 1.4 倍，将市域铁路 30 m 简支梁的梁高初步取为 1.85 m。经调研可知，350 km/h 高速铁路无砟轨道跨度 32 m 简支梁的梁高为 2.8 m，无砟轨道跨度 40 m 简支梁梁高为 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。综合高速铁路简支梁和公路小箱梁的梁高随跨度的变化趋势，对市域铁路的研究也按跨度每增加 5 m，梁高增加 0.2 m 展开试设计，即市域铁路跨度 35 m 简支梁梁高初步取为 2.05 m，跨度 40 m 简支梁梁高初步取为 2.25 m。

2.2合理梁高选择   

市域铁路简支梁的合理梁高主要由安全性、舒适性和经济性控制，安全性主要由受力和变形控制。为了合理确定梁高，梁高在初拟梁高基础上下浮动 5 cm 进行对比计算，简支梁的受力和变形计算结果如表 1 所示（其中荷载类型为，主力：恒载 + 活载；主 + 附：恒载+ 列车静活载 + 温度力）。对采用不同梁高的梁体工程数量及费用进行了计算对比，对比结果如表2所示。   

由表1 可知，在梁高 1.80 m、1.85 m 和 1.9 m 情况下，跨度 30 m 双线简支梁的受力和变形均可以满足规范要求。由表 2 可知，梁高由 1.80 m 增加至 1.85 m 时，混凝土方量增加 1 m3，钢绞线用量减少 0.1 t，考虑到混凝土和预应力钢束的单价，1.85 m 梁高较 1.80 m 梁高工程造价低。为节省工程量并有利于运梁车通行，市域铁路跨度 30 m 双线简支梁梁高宜采用 1.85 m。同理，跨  度35 m 简支箱梁宜采用 2.05 m，跨度 40 m 简支箱梁梁高宜采用 2.25 m。

随着高强钢绞线技术的不断成熟，部分项目已开始尝试采用高强钢绞线。高强钢绞线与普通钢绞线在抗拉强度、腐蚀性能和工程造价等方面存在明显差异。简支梁设计主要受跨中强度控制，高强 2 200 MPa 钢束的设计强度为 1 980 MPa，普通 1 860 MPa 钢束的设计强度为 1 674 MPa，高强 2 200 MPa 钢束和普通 1 860 MPa钢束相比，普通钢束用量约为高强钢束用量的 1.18 倍  （钢束设计强度 1 980 / 1 674 = 1.18）。合理梁高确定后，对采用标准强度 1 860 MPa 和高强 2 200 MPa 钢绞线的双线整孔预制箱梁进行经济性对比，对比结果如图 5 所示。

由图5可以看出，采用高强钢束比普通钢束的梁体造价稍低，且简支箱梁跨度越大，高强钢绞线经济性越明显。 

简支梁支座到梁端的距离对梁的影响较显著，会直接影响梁的变形、内力、稳定性以及承载能力。因此，需要在设计中合理考虑和优化支座到梁端的距离。支座到梁端距离主要受上支座钢板尺寸和梁底支座局部承压控制。TB 10092-2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》第 3.1.5 条中规定，C50 混凝土局部承压容许应力为 [ σ ]=13.4×β，混凝土局部承压应力提高系数 β 不应大于 3，混凝土局部承压应力计算公式为：   

      （1）              

式（1）中：P 为竖向设计荷载，N ；D 为滑板材料按照45°传力扩散角通过钢件传递到梁底的直径范围，mm。   

结合市域铁路桥梁工程实例，跨度 30 m、35 m 和40 m 双线整体预制简支箱梁支座吨位分别为 3 500 kN、4 000 kN 和 4 500 kN，简支箱梁的局部承压验算结果如表 3 所示。   

由表3 可知，跨度 30 m、35 m 和 40 m 双线预制箱梁在满足梁底混凝土局部承压受力条件下，支座中心到梁端最小距离分别为 0.45 m、0.5 m 和 0.55 m。推荐跨度 30 m、35 m 和 40 m 市域铁路双线预制箱梁支座中心到梁端的最小距离按 0.55 m 考虑。 

结合近年来对城市轨道交通、市域铁路常用跨度简支梁的设计和试验成果，采用杆系有限元法，分别对 3.1 m、3.6 m 和 3.9 m 三种不同支座横向间距的箱梁建立模型进行环框分析，以选择最优支座中心间距，确定合理墩顶尺寸，计算结果如表 4 所示。

由横向计算结果可知，在运营荷载作用下，支座中心横向间距采用 3.6 m 时，顶板裂缝接近规范限值，支座中心横向间距最优。推荐市域铁路 30 m、35 m 和40 m 双线简支箱梁支座中心横向间距按 3.6 m 设计。 

通过对市域铁路常用跨度简支箱梁梁高、支座到梁端的距离以及支座横向间距设计进行的研究，并对高强钢绞线和普通钢绞线经济性的对比分析，得出研究结论如下。   

（1）通过安全性和经济性分析，市域铁路跨度30 m、35 m 和 40 m 双线简支梁梁高建议采用 1.85 m、2.05 m 和 2.25 m。   

（2）市域铁路简支梁采用高强钢束比普通钢束梁体造价稍低，且简支箱梁跨度越大，高强钢绞线经济性越明显，但梁体综合造价相差不大。   

（3）为满足梁底支座局部承压验算要求，市域铁路跨度 30 m、35 m 和 40 m 双线预制箱梁支座中心到梁端的最小距离建议按 0.55 m 设计。   

（4）市域铁路跨度 30 m、35 m 和 40 m 双线简支箱梁支座中心横向间距建议按3.6m设计。