新建时速200ｋｍ客货共线铁路桥梁设计

1　概述
我国既有铁路桥涵大量采用标准设计,常用跨度桥梁一般采用单线钢筋混凝土及预应力混凝土双片式Ｔ梁桥,两片Ｔ梁通常用横隔板联结,部分20ｍ以下的双片式Ｔ梁无横向联结;钢桥跨度小于等于40ｍ时多采用简支钢板梁,再大跨度多采用半穿式或穿式桁梁桥,桥面系采用明桥面;桥墩一般采用实体墩,为节省圬工,也采用了一些轻型墩台和柔性桥墩。由于当时考虑的列车设计速度较低,客车一般按120ｋｍ/ｈ,货车在规范中没有明确规定,但实际运营速度一般只能达到60ｋｍ/ｈ。因此,桥梁设计主要满足承载能力和节省材料,而对桥梁的结构构造、刚度、长期变形、动力性能和耐久性考虑不足,造成了在长期运营中桥梁存在整体性和耐久性差、养护维修投入大等问题;并在提速试验中发现一些跨度和结构形式的桥梁(包括梁体和桥墩)刚度不足和动力性能差等问题。这些桥梁的设计在当时条件下应该是正常的,但随着桥龄增长,铁路365JT交通发展很快,客货车的速度不断提高,既有桥梁的问题便逐渐显露出来。因此,桥梁的设计标准和理念急需更新。为适应铁道部跨越式发展的要求,部建设司组织编制《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》,本文通过我国铁路桥梁在提速状态下的实测结果研究分析,总结了既有桥梁设计经验教训,结合国外最新的铁路桥梁结构设计,分析了常用铁路桥梁结构形式对速度200ｋｍ/ｈ客车、120ｋｍ/ｈ货车的适用性,提出了新建时速200ｋｍ客货共线铁路桥梁设计一般规定的建议。
2　既有桥梁结构存在的问题
我国既有铁路桥梁的设计,由于当时条件和认识上的限制,通常都偏重于一次建设投资的经济性考虑和便于快速365JT施工。常用跨度混凝土桥梁均采用工厂预制、火车运输、架桥机架设的双片式Ｔ梁标准化设计,设计的结构以满足承载力要求,节省材料为主,对桥梁的刚度、长期变形、动力性能和耐久性则考虑不足。因此,在长期运营中和提速中出现一些问题,制约了铁路运输的发展。主要可归纳为桥梁长期使用状态问题和提速问题两大类。
2．1　长期使用状态问题
混凝土梁的设计主要由于结构构造处理不当以及对耐久性和混凝土材料性能认识不足,造成:(1)横隔板断裂;(2)预应力梁上拱度过大;(3)混凝土碱骨料反应造成部分桥梁严重的纵向水平裂纹;(4)混凝土保护层过薄,放排水系统失效,污水流经梁体表面,造成钢筋严重锈蚀。钢梁均采用明桥面,明桥面的木枕用钩头螺栓固定于纵梁上,但钩头螺栓的紧固作用差,木枕易变位,桥上轨道维修量大。钢支座锈蚀严重,纵向活动支座不活动;板式橡胶支座横向没有约束。涵洞主要是石砌边墙破损严重。因此,为避免新建时速200ｋｍ客货共线铁路桥梁设计出现同样的问题,保证新建桥梁的良好使用状态和耐久性,并尽量减少桥梁在运营期间的维修量,有必要对新建桥梁的设计和构造作出规定。
2．2　提速问题
广深准高速铁路改造是将客车速度提高到160ｋｍ/ｈ;4次大提速将三大干线的客车速度由原来的100ｋｍ/ｈ提高到140ｋｍ/ｈ,货车速度由60ｋｍ/ｈ以下提高到70～80ｋｍ/ｈ。铁科院和一些铁路局桥检队对提速后桥梁的动力性能进行了大量测试和分析,发现提速后既有桥梁存在的一些问题,主要包括以下内容。(1)既有混凝土双片式Ｔ梁的桥面不成整体、横向联结弱,造成有些跨度的桥梁横向自振频率偏低,当提速货车通过桥上时,由于货物列车的横向激振频率与梁体的横向有载自振频率接近,从而产生剧烈的横向振动现象。如32ｍ梁,货物列车提速至70～80ｋｍ/ｈ时,实测32ｍ梁的横向振幅一般达到9～13ｍｍ,大大超出当时桥梁检定规范的限值Ｌ/16．5=1．94ｍｍ。从国外情况来看,前苏联乌克兰科学院院士鲍达尔教授研究了客车200ｋｍ/ｈ、货车120ｋｍ/ｈ运行条件下梁体的振动问题,认为梁体横向振幅的限值一般可取客车0．2Ｌ(ｍｍ)、货车0．3Ｌ(ｍｍ)(其中Ｌ以ｍ计),由此计算出32ｍ梁的振幅限值应为客车6．4ｍｍ、货车9．6ｍｍ。可见我国32ｍ梁横向振动已超出这个限值。德国的最新规范对客车300ｋｍ/ｈ和货车120ｋｍ/ｈ条件下单线钢桁梁的横向自振频率作了规定,这个规定可以用在混凝土简支梁上,即梁体横向自振频率不应小于120/ＬＨｚ,而前苏联的规定是100/ＬＨｚ。表1列出了混凝土标准梁实测横向自振频率及标准限值,一些跨度的横向自振频率不满足德国和前苏联的限值要求,如16ｍ及32ｍ预应力混凝土梁,货车提速后,梁体横向振动偏大。所以,既有标准梁的横向联结方式应改变,必须采用整体桥面,加强横向联结,提高横向自振频率。(2)在前几次提速试验中分别对10～40ｍ跨6种不同跨度的钢板梁进行过动载试验,当客车达到160ｋｍ/ｈ时,梁体横向振幅在一些跨度接近新桥检规和前苏联的限值标准;货车提速到80～90ｋｍ/ｈ时,大部分跨度的梁体横向振幅超出限值标准,振动剧烈,危及行车安全;客、货车进一步提速后,梁体振动还会增大。因此在新桥设计中,40ｍ以下的跨度不宜采用钢板梁。

　注: 为低高度钢筋混凝土双片式Ｔ梁。
(3)我国过去的钢桥都采用明桥面,广深准高速铁路跨度64．0ｍ双线钢桁梁也是明桥面,只是将明桥面用的钩头螺栓改为在纵梁上打孔的螺栓连接。列车在160ｋｍ/ｈ速度条件下已经安全运营了4年,整个结构和桥面系均处在良好的状态。日本东海道新干线(运行速度210ｋｍ/ｈ)上也使用明桥面。明桥面直接承受列车的冲击作用,一是纵横梁容易出现疲劳裂纹,日本东海道新干线在运营10年后明桥面出现裂纹的现象显著增多;二是轨枕易变位,使得明桥面的轨道结构的维护量大;三是明桥面噪声大。为此,日本东海道新干线明桥面的木枕已逐步改造成树酯轨枕。货车提速至120ｋｍ/ｈ后,由于其轴重和簧下质量都比客车大,冲击作用会显著增加,明桥面能否长期适用于120ｋｍ/ｈ货车的动力作用及噪声污染都是突出的问题。在德国新建铁路线上钢桥一般都采用正交异性板及钢筋混凝土板的道碴桥面。因此,综合考虑结构的长期使用性能和减少桥上轨道的维修量,在新建客车200ｋｍ/ｈ、货车120ｋｍ/ｈ的客货共线铁路上不宜采用明桥面。(4)我国既有铁路线上曾采用一些柔性桥墩,当货车速度提高到60～80ｋｍ/ｈ时,柔性桥墩普遍存在横向振动急剧增大的现象。目前,有这类桥墩的线路区段提速货车不得不限速60ｋｍ/ｈ运行。因此,在货车120ｋｍ/ｈ的新建铁路上一般不应采用刚度较小的柔性墩台,以满足行车舒适性与安全性要求。(5)板式橡胶支座横向变位没有约束,列车通过时梁体横向呈整体刚体振动形态。当速度提高后,列车的横向激励频率与梁体横向整体刚体振动频率很容易接近,从而使梁体产生剧烈的横向振动。因此,必须采取措施,约束其横向变位。
3　国外的铁路桥梁设计
目前,国际上发达国家的新线建设一般是高速客运专线和时速200ｋｍ以上的客货共线铁路,桥梁的主要功能是为高速列车提供平顺、稳定的桥上线路,确保列车运营安全和乘坐舒适,并尽量减少使用期间结构的维修工作量。因此,其桥梁设计具有以下特点:(1)梁体具有足够大的竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度,限制温差和混凝土徐变产生的上拱变形,以保证线路的高平顺性和避免不良的车桥动力响应;(2)桥梁墩台有足够大的纵向刚度,以限制桥上无缝线路轨道的附加应力和制动时的梁轨相对位移,保证线路的稳定;桥梁墩台还应有足够的横向刚度,保证线路的方向平顺性,避免车桥产生过大的横向振动;(3)桥梁的选型尽量避免或减少钢轨伸缩调节器的设置;(4)桥梁结构及构造设计充分考虑耐久性要求,并便于检查和维修。桥梁较长、墩身不高的高架桥在新建高速铁路中占有很大的比例。德国、意大利、西班牙等国都采用等跨布置的25ｍ预应力混凝土简支梁结构;韩国高速采用3×25ｍ或2×40ｍ预应力混凝土连续梁;日本十分重视结构的抗震性能,大量采用跨度为8、10、12ｍ的钢筋混凝土连续刚构,每联一般有4～10跨,各联之间采用简支梁过渡。一般桥梁一跨或一联长度大于80ｍ时,需要设置无缝线路伸缩调节器。因此,高架桥的选择应避免在桥上设置无缝线路伸缩调节器。欧洲新建铁路有不少跨越山谷的高墩桥梁,桥墩最高达100ｍ,称为谷架桥。德国在20世纪80年代新线建设时一般选用等跨布置的44、56ｍ两种跨度的预应力混凝土简支梁,运营后发现56ｍ简支梁的端部由于温度伸缩量大,道碴不稳定,维修工作量大。因此,在以后的新线铁路建设中简支混凝土梁的最大跨度用到44ｍ。在最近建设的科隆—法兰克福高速客运专线上,谷架桥更多地采用了连续梁,连续梁和简支梁的比例约各占50%。西班牙和法国均选用连续梁,跨度不超过80ｍ。由于谷架桥桥墩高,纵向刚度弱,因此都采用传力装置将制动力直接传到桥台或特别设计的制动墩上。桥梁截面形式一般有板梁、Ｔ梁和箱梁。德国一般采用板梁和箱梁,法国一般采用箱梁,日本和西班牙采用了不少多片式Ｔ形梁,多片式Ｔ形梁都加强劲的横隔板并采用整体桥面。日本一般采用了4、6、8片式Ｔ形梁,跨度有19．4、24．2、29．2、34．2、39．2ｍ和44ｍ;西班牙一般采用25ｍ跨度5片式Ｔ形梁,也用过39ｍ跨度9片式Ｔ形梁。对于跨度小于20ｍ的小型桥梁,根据法国的经验,最好采用超静定结构,如刚构桥。因为法国早期的里昂—巴黎高速线上的小跨度简支梁桥,动力效应十分显著,导致梁体开裂。简
支梁和连续梁是最常用的两种结构形式。简支梁的优点是对于支座沉降不敏感,不需要设置轨道伸缩调节器,可采用工厂预制。连续梁较简支梁高度低,结构变形和墩帽尺寸较小,但支座沉降对连续梁的受力有影响,尤其是小跨度连续梁,跨度越小,影响越大;并且当多跨连续梁一联长度大于80ｍ时,需要设置轨道伸缩调节器。从桥梁截面形式来看,跨度不大于40ｍ的混凝土梁采用箱形和Ｔ形都可以,对Ｔ形梁要采用整体桥面,加强横向联结。根据日本的研究比较分析,认为跨度大于38ｍ采用箱形梁才较为经济。
4　结论
根据上述分析,一方面总结分析了我国既有桥梁在运营和提速中遇到的问题;另一方面积极吸收发达国家类似铁路桥梁设计先进成熟的经验。在此基础上对我国新建时速200ｋｍ客货共线铁路的桥梁设计提出以下一般规定。(1)桥梁结构应满足行车舒适度和耐久性的要求,桥梁构造应便于检查、养护和维修。(2)桥梁上部结构应采用刚度大的结构型式,宜优先采用预应力混凝土结构,亦可采用钢筋混凝土结构和钢混凝土结合结构,必要时也可采用钢结构。(3)预应力混凝土梁,宜采用双线整孔箱梁,中小跨度也可采用两个并置的单线箱梁或整体桥面多片式Ｔ梁。整体桥面多片式Ｔ梁应加强横向连接。(4)钢结构桥桥面系不宜采用明桥面。(5)桥梁下部结构宜采用混凝土或钢筋混凝土墩台,不得采用柔性结构。(6)涵洞宜采用钢筋混凝土圆涵、盖板涵和框架矩形涵,涵顶不得高出路基基床底层顶面。(7)桥面构造应考虑桥上线路大型养路机械作业的要求。对跨度不大于40ｍ的混凝土标准梁在满足上述规定的条件下,应根据我国的实际情况,在充分考虑梁体的预制、运输和架设的基础上,进行充分的经济365JT技术比较综合确定梁体的截面形式。