陳良江 閻武通

(1.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司橋隧咨詢(xún)部 北京 100038；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)工程設(shè)計(jì)鑒定中心 北京 100844)

1 引言

隨著我國(guó)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?；炷翗蛄阂云浣Y(jié)構(gòu)剛度大、建造維護(hù)成本低、適宜鋪設(shè)無(wú)砟軌道等突出優(yōu)點(diǎn)，是大跨度鐵路橋梁建造的首選考慮橋型。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)大跨度鐵路混凝土橋的設(shè)計(jì)建造開(kāi)展了較多的實(shí)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋最大跨度已達(dá)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(dá)300 m(漢十鐵路崔家營(yíng)漢江特大橋)，部分斜拉橋最大跨度達(dá)到288 m(福平鐵路烏江特大橋)，混凝土拱橋最大跨度已達(dá)445 m(滬昆高鐵北盤(pán)江特大橋)。

我國(guó)對(duì)大跨度鐵路混凝土橋已積累了一定的建造經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果[3－4]，但總體而言研究尚不夠系統(tǒng)。未來(lái)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(duì)我國(guó)大跨度鐵路混凝土橋設(shè)計(jì)參數(shù)和適用范圍進(jìn)行系統(tǒng)梳理研究。同時(shí)，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的橋上軌道長(zhǎng)波不平順限值[6]和徐變變形控制值等主要針對(duì)中小跨度橋梁制定[7－9]，已無(wú)法滿(mǎn)足大跨度橋梁建造需求，已成為制約橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[10]。在我國(guó)鐵路大跨度鐵路混凝土橋工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)各類(lèi)橋式的設(shè)計(jì)參數(shù)合理取值進(jìn)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(zhǎng)波不平順和徐變變形限值設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)未來(lái)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(guó)大跨度鐵路混凝土橋梁主要采用預(yù)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(guó)目前已建及在建的200 m以上跨度鐵路混凝土橋的統(tǒng)計(jì)情況，共統(tǒng)計(jì)到77座，其中已建橋梁38座，在建橋梁39座。

表1 我國(guó)200 m以上跨度鐵路混凝土橋數(shù)量統(tǒng)計(jì)

混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋是我國(guó)鐵路橋梁常用的橋型之一，但跨度多在200 m以?xún)?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(xiàn)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(guó)此類(lèi)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(jìn)一步突破需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

連續(xù)(剛構(gòu))梁－拱組合橋是我國(guó)自主研究開(kāi)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(zhǎng)期變形。目前該橋型已經(jīng)在我國(guó)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(yíng)漢江特大橋?yàn)槲覈?guó)目前該橋型最大跨度橋梁。

部分斜拉橋是采用斜拉索對(duì)連續(xù)(剛構(gòu))梁結(jié)構(gòu)進(jìn)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(lái)減小梁體變形。近年來(lái)部分斜拉橋在國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)中的應(yīng)用逐漸增多，已統(tǒng)計(jì)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(guó)目前此類(lèi)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(dá)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(qiáng)又可充分適應(yīng)山區(qū)地形特點(diǎn)，是山區(qū)鐵路建設(shè)中的適宜橋型。目前我國(guó)已建及在建200 m以上跨度混凝土拱橋共計(jì)10座，其中滬昆高鐵北盤(pán)江特大橋(主跨達(dá)到445 m)為此類(lèi)橋型的最大跨度記錄。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)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(lèi)橋式的最大建造跨度已與理論極限跨徑[11－12]相當(dāng)，如圖1所示。從跨越能力上來(lái)看，混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))橋主要應(yīng)用于200 m以?xún)?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(jì)參數(shù)取值

對(duì)我國(guó)大跨度鐵路混凝土橋幾何參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性參數(shù)進(jìn)行了調(diào)研統(tǒng)計(jì)[13]，總結(jié)了各類(lèi)橋式的參數(shù)取值范圍。

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋

預(yù)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋設(shè)計(jì)參數(shù)取值統(tǒng)計(jì)

(1)幾何參數(shù)。支點(diǎn)截面梁高約為L(zhǎng)/13～L/14.5(L為主跨跨度)；跨中截面梁高約為支點(diǎn)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(xué)性能參數(shù)。雙線(xiàn)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(fēng)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(jì)性參數(shù)?？缍葹長(zhǎng)的雙線(xiàn)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(xiàn)橋約為0.20L－7.7 m3；梁部預(yù)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(jì)參數(shù)取值統(tǒng)計(jì)

(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(diǎn)梁高通常為L(zhǎng)/18～L/20；跨中梁高約為支點(diǎn)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(xué)性能參數(shù)?；钶d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?xún)?nèi)。

(3)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。在200～300 m跨度范圍內(nèi)，雙線(xiàn)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(xiàn)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(jì)參數(shù)取值統(tǒng)計(jì)

(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(diǎn)處梁高約為L(zhǎng)/18～L/20，跨中梁高約為支點(diǎn)梁高的0.45～0.60之間；主梁的寬跨比通常為1/20～1/30；無(wú)索區(qū)長(zhǎng)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(xué)性能參數(shù)?；钶d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(dān)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?xún)?nèi)；斜拉索安全系數(shù)多在2.0～2.2之間。

(3)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。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(yù)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(jì)參數(shù)取值統(tǒng)計(jì)

(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(xué)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(fù)撓度絕對(duì)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(jì)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(biāo)修訂建議

橋上軌道靜態(tài)長(zhǎng)波不平順和徐變限值是大跨度鐵路混凝土橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。隨著橋梁跨度的不斷增加，現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)[14]中針對(duì)中小跨度橋梁制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已無(wú)法適應(yīng)大跨度鐵路橋梁的建設(shè)需求，亟需對(duì)兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的限值合理取值進(jìn)行研究。

4.1 橋上軌道靜態(tài)長(zhǎng)波不平順限值

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)軌道高低不平順采用300 m基線(xiàn)150 m矢距差不超過(guò)10 mm作為限值要求。這一限值標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)路基段軌道驗(yàn)收提出；對(duì)于大跨度橋梁來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)波不平順，且這一變形值隨溫度和時(shí)間不斷變化，較難滿(mǎn)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(shí)踐表明，部分已建成大跨度鐵路橋梁雖豎向剛度指標(biāo)不滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)中小跨度橋梁不平順限值的要求，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況良好。軌道長(zhǎng)波不平順限值主要是為了控制列車(chē)運(yùn)行的舒適度。我國(guó)高速鐵路橋梁動(dòng)態(tài)驗(yàn)收中對(duì)于時(shí)速250 km的線(xiàn)路需要管理到70 m波長(zhǎng)，時(shí)速300、350 km線(xiàn)路需要管理到120 m波長(zhǎng)；為保證線(xiàn)路達(dá)到動(dòng)態(tài)驗(yàn)收要求，采用的弦長(zhǎng)必須涵蓋120 m波長(zhǎng)范圍。60 m弦測(cè)法的有效測(cè)量波長(zhǎng)范圍在40～120 m之間，輸出的不平順與車(chē)體加速度之間相關(guān)性最好，用于長(zhǎng)波不平順管理最合適[15]。根據(jù)綜合檢測(cè)車(chē)實(shí)測(cè)車(chē)體垂向加速度和60 m弦測(cè)不平順之間的相關(guān)性，以1.0 m/s2作為車(chē)體垂向加速度限值標(biāo)準(zhǔn)，提出時(shí)速250、300、350 km條件下，60 m弦測(cè)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(zhǎng)波不平順控制標(biāo)準(zhǔn)。圖2所示為我國(guó)時(shí)速250 km以上大跨度橋梁60 m弦高低不平順值的統(tǒng)計(jì)情況，滿(mǎn)足該限值指標(biāo)要求。

圖2 時(shí)速250 km以上大跨度橋梁60 m弦高低不平順值統(tǒng)計(jì)

4.2 徐變變形限值

現(xiàn)行規(guī)范針對(duì)跨度超過(guò)50 m的無(wú)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(guò)跨度的1/5 000且不應(yīng)超過(guò)20 mm。這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于大跨度橋梁是過(guò)于嚴(yán)格的。

從行車(chē)舒適性角度，現(xiàn)行規(guī)范提出線(xiàn)路豎曲線(xiàn)半徑容許值以控制列車(chē)豎向加速度，時(shí)速350 km鐵路的豎曲線(xiàn)半徑容許值為25 000 m。對(duì)于主跨100 m的橋梁，若豎向殘余徐變變形為L(zhǎng)/5 000，軌面變形曲線(xiàn)的換算半徑將達(dá)到62 500 m，遠(yuǎn)大于時(shí)速350 km鐵路的豎曲線(xiàn)半徑限值，完全滿(mǎn)足高速鐵路運(yùn)行的要求。當(dāng)跨度進(jìn)一步加大，工后徐變?nèi)圆捎?0 mm控制大跨度橋梁設(shè)計(jì)是過(guò)于嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)，建議大跨度鐵路混凝土橋梁徐變變形限值可取為L(zhǎng)/5 000。

5 結(jié)論

本文對(duì)我國(guó)當(dāng)前200 m以上跨度鐵路混凝土橋應(yīng)用概況、設(shè)計(jì)參數(shù)取值和設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，主要研究結(jié)論如下:

(1)預(yù)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(guó)大跨度鐵路混凝土橋主要采用的橋式?；炷吝B續(xù)梁(剛構(gòu))橋主要應(yīng)用于200 m以?xún)?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(zhǎng)波不平順和徐變變形限值指標(biāo)無(wú)法適用于大跨度鐵路混凝土橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建議采用60 m弦中點(diǎn)弦測(cè)法作為橋上軌道靜態(tài)長(zhǎng)波不平順檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)時(shí)速250 km、300 km及350 km等級(jí)線(xiàn)路橋梁，分別取10 mm、8 mm和7 mm作為不平順指標(biāo)限值；大跨度鐵路混凝土橋梁徐變變形限值指標(biāo)建議取為L(zhǎng)/5 000。