重载铁路预应力混凝土梁桥设计及经济性分析

重载铁路预应力混凝土梁桥设计及经济性分析

高锦纯

甘肃综合铁道工程承包有限公司甘肃兰州730000

摘要：重载铁路运输的运能大、效率高、运输成本低，因此受到了世界各国的广泛好评。尤其在一些幅员辽阔、资源丰富且煤炭和矿石等大宗货物运量比重大的国家更是发展迅速。本文结合工程实例，就重载铁路预应力混凝土梁桥的设计和经济性进行了相关论述，在今后同类设计中有一定的参考价值。

关键词：重载铁路；预应力混凝土梁桥设计；经济性分析

重载铁路通常采用大功率机车、大轴重货车和长大单元列车编组，从而能够大幅提高列车的运输重量，高效的利用既有运输设备，充分发挥铁路大宗、集中、长距离、全天候的运输优势，从而达到大运输、高效率、低成本的经济运输目的。2005年国际重载协会理事会提出认定重载铁路新标准为能满足下列条件中至少2条：①列车牵引质量≥0.8万t；②在长度≥150km的线路上，年运量，4000万t；③货车轴重≥27t。由于重载铁路运输具有运能大，效率高、运输成本低的优点，在大宗物资运输方面具有不可替代的优势，因此重载铁路运输已成为当今世界铁路发展及研究的重要方向之一。

一、工程实例

某铁路设计的列车牵引质量10000t、轴重达300kN、全长1300km，年运量2亿t，正线长度923.995km，相关配套改建工程，共计90.986km，共有桥梁148座，总长216.2km，桥梁占线路长度的21.3%。依据2005年国家重载协会理事会提出的重载铁路标准可知，该铁路明显属于重载铁路的范畴。该铁路设计的参数主要包含以下几点：第一，设计速度：客车160km/h，货车为120km/h（C96、C80为100km/h）。第二，线路情况：双线，正线直、曲线，最小平面曲线半径800m，线间距4.0～5.0m。第三，桥面宽度：单线铁路桥面宽4.9m，双线铁路桥面宽8.9m（线间距4.0m时），桥面两侧设人行道，人行道宽度分为0.8、1.05m二种。第四，设计荷载：

①结构恒载

按《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1—2005）第4.2.1条进行计算，二期恒载含线路设备、道砟、人行道支架、步板、声屏障、电缆槽、挡砟块、现浇桥面板及横隔板湿接缝的重力。声屏障自重按4kN/延米计算，设计采用的二期恒载值为：单线直线梁84.14kN/m；单线曲线梁92.49kN/m；双线直线梁169.24kN/m；双线曲线梁184.33kN/m。

②活载

列车活载：设计列车活载采用“中－活载（2005）ZH标准（Z=1.2）”，动力系数按《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1—2005）4.3.5－3公式计算，即：1+μ=1+12/（30+L），其中L为梁的计算跨度。

列车活载：图式人行道荷载：竖向静活载值为4.0kPa，计算主梁时人行道活载不与列车活载同时组合。人行道板按竖向集中荷载1.5kN计算。离心力：曲线桥梁上的离心力大小等于列车竖向静活载乘以离心力率C，水平向外作用于轨顶以上2.2m处，离心力率C按《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1—2005）第4.3.6条计算。横向摇摆力、附加力、特殊荷载取值按《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1—2005）计算。

③荷载组合

主力组合、主力+附加力组合，取最不利组合，并对特殊荷载进行检算。

二、预应力混凝土连续梁设计及分析

（一）重载列车作用下连续梁整体受力适应性研究

为适应跨越铁路、公路、市政道路、河流，高山深谷区等复杂工点，本线设计系列重载预应力混凝土连续梁。连续梁采用变高度单箱单室形式，采用悬臂浇筑或支架现浇等方法，具有架设便捷、跨度大，技术成熟的特点。

1.设计原则

（1）梁体构造：采用直、曲线梁合并设计，双线梁线间距大于4m时，保持箱体底宽不变，仅根据线间距的变化相应增加翼缘悬臂板长度。曲线上梁按曲梁曲做原则布置，梁体轮廓、普通钢筋、预应力钢束及管道等沿径向依据曲率进行调整，支座按径向布置。

（2）预应力筋：梁体不设横向、竖向预应力筋，仅设纵向预应力钢束。适当加强腹板束，以提高全梁的承载力。设计中没有采用连续梁常用的三向预应力体系，主要依据为：参照本线设计标准，连续梁桥面宽度较窄，且翼缘板悬臂长度较小，箱体横向结构受力普通钢筋混凝土满足规范要求，桥面不设横向预应力。

国内外大量连续梁的监控、调查发现箱体竖向预应力的损失很大，所起到的抗剪作用有限，因而连续梁设置竖向预应力筋，仅作为安全储备，不计入竖向和斜向抗剪计算。

3.连续梁受力适应性研究结论

各跨度连续梁（曲线线间距5.0m）在主力下最小强度安全系数、最小抗裂安全系数、主跨跨中下缘混凝土最小压应力、残余徐变拱度、静活载下梁端转角、挠跨比等主要计算结果均满足规范要求，承载力满足重载铁路要求。结构在静活载下的梁端转角、挠跨比均较小，设计主要由强度和应力控制。

（二）重载铁路连续梁经济性研究

下面以（32+48+32）m跨度的为例，在相同设计时速下，与采用中-活载的连续梁进行对比。主要参数对照见下表：

项目梁高/m混凝土用量/（m³/m）预应力钢绞线用量/（kg/m³）钢筋/（kg/m³）中-活载3.75（3.05）11.8249.62217.60采用ZH活载，系数Z=1.23.8（2.8）11.5448.50266.93比值（ZH/中）1.013（0.918）0.980.981.23

由上表可知，在优化设计的情况下，连续梁结构高度和主要材料用量未现大幅增长。普通钢筋的用量虽然增加较多，但主要原因为安装2m高声屏障引起，在全桥造价增幅小于6%的情况下，承受活载能力大幅提高了20%，在大宗散货运输铁路线上具有大运量兼具经济性的优势。

总之，本文结合某重载铁路工程实例，就重载铁路预应力混凝土梁桥的设计和经济性进行了相关论述，可以得到如下结论：对于相同跨度梁，本线在ZH活载（系数Z=1.2）的列车活载下，相对于中－活载，在全桥造价增幅小于6%的情况下，承受活载能力大幅提高20%，具有运能大，效率高、运输成本低的优点，在大宗散货运输铁路线上具有大运量兼具经济性的优势，是未来的发展方向。

参考文献：

[1]铁道部《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）；

[2]铁道部《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）及局部修订（铁建设[2009]22号）；

[3]薛继连.重载铁路低高度钢筋混凝土板梁碳纤维板强化技术研究[A].中国铁道学会.铁路重载运输技术交流会论文集[C].中国铁道学会：，2014：8

[4]闫晓夏.朔黄铁路超低高度预应力混凝土梁重载改造技术研究[D].中国铁道科学研究院，2014

[5]李进洲，余志武，宋力.疲劳重复荷载下重载铁路桥梁中和轴变化规律研究[J].铁道学报，2013，06