摘 要:通過鐵路橋梁在提速狀態(tài)下的實測結(jié)果研究分析,結(jié)合國外最新的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)365JT設(shè)計,分析我國既有鐵路常用橋梁對速度200ｋｍ/ｈ客車、120ｋｍ/ｈ貨車的適用性,提出新建時速200ｋｍ客貨共線鐵路橋梁設(shè)計一般規(guī)定的建議。
關(guān)鍵詞:時速200ｋｍ鐵路;客貨共線鐵路;鐵路橋梁;箱梁;Ｔ梁;橋墩
中圖分類號:442．5+1 文獻標(biāo)識碼:Ｃ 文章編號:10042954(2004)07003003
1 概述
我國既有鐵路橋涵大量采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,常用跨度橋梁一般采用單線鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土雙片式Ｔ梁橋,兩片Ｔ梁通常用橫隔板聯(lián)結(jié),部分20ｍ以下的雙片式Ｔ梁無橫向聯(lián)結(jié);鋼橋跨度小于等于40ｍ時多采用簡支鋼板梁,再大跨度多采用半穿式或穿式桁梁橋,橋面系采用明橋面;橋墩一般采用實體墩,為節(jié)省圬工,也采用了一些輕型墩臺和柔性橋墩。由于當(dāng)時考慮的列車設(shè)計速度較低,客車一般按120ｋｍ/ｈ,貨車在規(guī)范中沒有明確規(guī)定,但實際運營速度一般只能達到60ｋｍ/ｈ。因此,橋梁設(shè)計主要滿足承載能力和節(jié)省材料,而對橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、剛度、長期變形、動力性能和耐久性考慮不足,造成了在長期運營中橋梁存在整體性和耐久性差、養(yǎng)護維修投入大等問題;并在提速試驗中發(fā)現(xiàn)一些跨度和結(jié)構(gòu)形式的橋梁(包括梁體和橋墩)剛度不足和動力性能差等問題。這些橋梁的設(shè)計在當(dāng)時條件下應(yīng)該是正常的,但隨著橋齡增長,鐵路365JT交通發(fā)展很快,客貨車的速度不斷提高,既有橋梁的問題便逐漸顯露出來。因此,橋梁的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和理念急需更新。為適應(yīng)鐵道部跨越式發(fā)展的要求,部建設(shè)司組織編制《新建時速200公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》,本文通過我國鐵路橋梁在提速狀態(tài)下的實測結(jié)果研究分析,總結(jié)了既有橋梁設(shè)計經(jīng)驗教訓(xùn),結(jié)合國外最新的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計,分析了常用鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式對速度200ｋｍ/ｈ客車、120ｋｍ/ｈ貨車的適用性,提出了新建時速200ｋｍ客貨共線鐵路橋梁設(shè)計一般規(guī)定的建議。
2 既有橋梁結(jié)構(gòu)存在的問題
我國既有鐵路橋梁的設(shè)計,由于當(dāng)時條件和認(rèn)識上的限制,通常都偏重于一次建設(shè)投資的經(jīng)濟性考慮和便于快速365JT施工。常用跨度混凝土橋梁均采用工廠預(yù)制、火車運輸、架橋機架設(shè)的雙片式Ｔ梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,設(shè)計的結(jié)構(gòu)以滿足承載力要求,節(jié)省材料為主,對橋梁的剛度、長期變形、動力性能和耐久性則考慮不足。因此,在長期運營中和提速中出現(xiàn)一些問題,制約了鐵路運輸?shù)陌l(fā)展。主要可歸納為橋梁長期使用狀態(tài)問題和提速問題兩大類。
2．1 長期使用狀態(tài)問題
混凝土梁的設(shè)計主要由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理不當(dāng)以及對耐久性和混凝土材料性能認(rèn)識不足,造成:(1)橫隔板斷裂;(2)預(yù)應(yīng)力梁上拱度過大;(3)混凝土堿骨料反應(yīng)造成部分橋梁嚴(yán)重的縱向水平裂紋;(4)混凝土保護層過薄,放排水系統(tǒng)失效,污水流經(jīng)梁體表面,造成鋼筋嚴(yán)重銹蝕。鋼梁均采用明橋面,明橋面的木枕用鉤頭螺栓固定于縱梁上,但鉤頭螺栓的緊固作用差,木枕易變位,橋上軌道維修量大。鋼支座銹蝕嚴(yán)重,縱向活動支座不活動;板式橡膠支座橫向沒有約束。涵洞主要是石砌邊墻破損嚴(yán)重。因此,為避免新建時速200ｋｍ客貨共線鐵路橋梁設(shè)計出現(xiàn)同樣的問題,保證新建橋梁的良好使用狀態(tài)和耐久性,并盡量減少橋梁在運營期間的維修量,有必要對新建橋梁的設(shè)計和構(gòu)造作出規(guī)定。
2．2 提速問題
廣深準(zhǔn)高速鐵路改造是將客車速度提高到160ｋｍ/ｈ;4次大提速將三大干線的客車速度由原來的100ｋｍ/ｈ提高到140ｋｍ/ｈ,貨車速度由60ｋｍ/ｈ以下提高到70～80ｋｍ/ｈ。鐵科院和一些鐵路局橋檢隊對提速后橋梁的動力性能進行了大量測試和分析,發(fā)現(xiàn)提速后既有橋梁存在的一些問題,主要包括以下內(nèi)容。(1)既有混凝土雙片式Ｔ梁的橋面不成整體、橫向聯(lián)結(jié)弱,造成有些跨度的橋梁橫向自振頻率偏低,當(dāng)提速貨車通過橋上時,由于貨物列車的橫向激振頻率與梁體的橫向有載自振頻率接近,從而產(chǎn)生劇烈的橫向振動現(xiàn)象。如32ｍ梁,貨物列車提速至70～80ｋｍ/ｈ時,實測32ｍ梁的橫向振幅一般達到9～13ｍｍ,大大超出當(dāng)時橋梁檢定規(guī)范的限值Ｌ/16．5=1．94ｍｍ。從國外情況來看,前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院院士
注: 為低高度鋼筋混凝土雙片式Ｔ梁。
(3)我國過去的鋼橋都采用明橋面,廣深準(zhǔn)高速鐵路跨度64．0ｍ雙線鋼桁梁也是明橋面,只是將明橋面用的鉤頭螺栓改為在縱梁上打孔的螺栓連接。列車在160ｋｍ/ｈ速度條件下已經(jīng)安全運營了4年,整個結(jié)構(gòu)和橋面系均處在良好的狀態(tài)。日本東海道新干線(運行速度210ｋｍ/ｈ)上也使用明橋面。明橋面直接承受列車的沖擊作用,一是縱橫梁容易出現(xiàn)疲勞裂紋,日本東海道新干線在運營10年后明橋面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象顯著增多;二是軌枕易變位,使得明橋面的軌道結(jié)構(gòu)的維護量大;三是明橋面噪聲大。為此,日本東海道新干線明橋面的木枕已逐步改造成樹酯軌枕。貨車提速至120ｋｍ/ｈ后,由于其軸重和簧下質(zhì)量都比客車大,沖擊作用會顯著增加,明橋面能否長期適用于120ｋｍ/ｈ貨車的動力作用及噪聲污染都是突出的問題。在德國新建鐵路線上鋼橋一般都采用正交異性板及鋼筋混凝土板的道碴橋面。因此,綜合考慮結(jié)構(gòu)的長期使用性能和減少橋上軌道的維修量,在新建客車200ｋｍ/ｈ、貨車120ｋｍ/ｈ的客貨共線鐵路上不宜采用明橋面。(4)我國既有鐵路線上曾采用一些柔性橋墩,當(dāng)貨車速度提高到60～80ｋｍ/ｈ時,柔性橋墩普遍存在橫向振動急劇增大的現(xiàn)象。目前,有這類橋墩的線路區(qū)段提速貨車不得不限速60ｋｍ/ｈ運行。因此,在貨車120ｋｍ/ｈ的新建鐵路上一般不應(yīng)采用剛度較小的柔性墩臺,以滿足行車舒適性與安全性要求。(5)板式橡膠支座橫向變位沒有約束,列車通過時梁體橫向呈整體剛體振動形態(tài)。當(dāng)速度提高后,列車的橫向激勵頻率與梁體橫向整體剛體振動頻率很容易接近,從而使梁體產(chǎn)生劇烈的橫向振動。因此,必須采取措施,約束其橫向變位。
3 國外的鐵路橋梁設(shè)計
目前,國際上發(fā)達國家的新線建設(shè)一般是高速客運專線和時速200ｋｍ以上的客貨共線鐵路,橋梁的主要功能是為高速列車提供平順、穩(wěn)定的橋上線路,確保列車運營安全和乘坐舒適,并盡量減少使用期間結(jié)構(gòu)的維修工作量。因此,其橋梁設(shè)計具有以下特點:(1)梁體具有足夠大的豎向剛度、橫向剛度和抗扭剛度,限制溫差和混凝土徐變產(chǎn)生的上拱變形,以保證線路的高平順性和避免不良的車橋動力響應(yīng);(2)橋梁墩臺有足夠大的縱向剛度,以限制橋上無縫線路軌道的附加應(yīng)力和制動時的梁軌相對位移,保證線路的穩(wěn)定;橋梁墩臺還應(yīng)有足夠的橫向剛度,保證線路的方向平順性,避免車橋產(chǎn)生過大的橫向振動;(3)橋梁的選型盡量避免或減少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置;(4)橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)造設(shè)計充分考慮耐久性要求,并便于檢查和維修。橋梁較長、墩身不高的高架橋在新建高速鐵路中占有很大的比例。德國、意大利、西班牙等國都采用等跨布置的25ｍ預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁結(jié)構(gòu);韓國高速采用3×25ｍ或2×40ｍ預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁;日本十分重視結(jié)構(gòu)的抗震性能,大量采用跨度為8、10、12ｍ的鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu),每聯(lián)一般有4～10跨,各聯(lián)之間采用簡支梁過渡。一般橋梁一跨或一聯(lián)長度大于80ｍ時,需要設(shè)置無縫線路伸縮調(diào)節(jié)器。因此,高架橋的選擇應(yīng)避免在橋上設(shè)置無縫線路伸縮調(diào)節(jié)器。歐洲新建鐵路有不少跨越山谷的高墩橋梁,橋墩最高達100ｍ,稱為谷架橋。德國在20世紀(jì)80年代新線建設(shè)時一般選用等跨布置的44、56ｍ兩種跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁,運營后發(fā)現(xiàn)56ｍ簡支梁的端部由于溫度伸縮量大,道碴不穩(wěn)定,維修工作量大。因此,在以后的新線鐵路建設(shè)中簡支混凝土梁的最大跨度用到44ｍ。在最近建設(shè)的科隆—法蘭克福高速客運專線上,谷架橋更多地采用了連續(xù)梁,連續(xù)梁和簡支梁的比例約各占50%。西班牙和法國均選用連續(xù)梁,跨度不超過80ｍ。由于谷架橋橋墩高,縱向剛度弱,因此都采用傳力裝置將制動力直接傳到橋臺或特別設(shè)計的制動墩上。橋梁截面形式一般有板梁、Ｔ梁和箱梁。德國一般采用板梁和箱梁,法國一般采用箱梁,日本和西班牙采用了不少多片式Ｔ形梁,多片式Ｔ形梁都加強勁的橫隔板并采用整體橋面。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,也用過39ｍ跨度9片式Ｔ形梁。對于跨度小于20ｍ的小型橋梁,根據(jù)法國的經(jīng)驗,最好采用超靜定結(jié)構(gòu),如剛構(gòu)橋。因為法國早期的里昂—巴黎高速線上的小跨度簡支梁橋,動力效應(yīng)十分顯著,導(dǎo)致梁體開裂。簡
支梁和連續(xù)梁是最常用的兩種結(jié)構(gòu)形式。簡支梁的優(yōu)點是對于支座沉降不敏感,不需要設(shè)置軌道伸縮調(diào)節(jié)器,可采用工廠預(yù)制。連續(xù)梁較簡支梁高度低,結(jié)構(gòu)變形和墩帽尺寸較小,但支座沉降對連續(xù)梁的受力有影響,尤其是小跨度連續(xù)梁,跨度越小,影響越大;并且當(dāng)多跨連續(xù)梁一聯(lián)長度大于80ｍ時,需要設(shè)置軌道伸縮調(diào)節(jié)器。從橋梁截面形式來看,跨度不大于40ｍ的混凝土梁采用箱形和Ｔ形都可以,對Ｔ形梁要采用整體橋面,加強橫向聯(lián)結(jié)。根據(jù)日本的研究比較分析,認(rèn)為跨度大于38ｍ采用箱形梁才較為經(jīng)濟。
4 結(jié)論
根據(jù)上述分析,一方面總結(jié)分析了我國既有橋梁在運營和提速中遇到的問題;另一方面積極吸收發(fā)達國家類似鐵路橋梁設(shè)計先進成熟的經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上對我國新建時速200ｋｍ客貨共線鐵路的橋梁設(shè)計提出以下一般規(guī)定。(1)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足行車舒適度和耐久性的要求,橋梁構(gòu)造應(yīng)便于檢查、養(yǎng)護和維修。(2)橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用剛度大的結(jié)構(gòu)型式,宜優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),亦可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼混凝土結(jié)合結(jié)構(gòu),必要時也可采用鋼結(jié)構(gòu)。(3)預(yù)應(yīng)力混凝土梁,宜采用雙線整孔箱梁,中小跨度也可采用兩個并置的單線箱梁或整體橋面多片式Ｔ梁。整體橋面多片式Ｔ梁應(yīng)加強橫向連接。(4)鋼結(jié)構(gòu)橋橋面系不宜采用明橋面。(5)橋梁下部結(jié)構(gòu)宜采用混凝土或鋼筋混凝土墩臺,不得采用柔性結(jié)構(gòu)。(6)涵洞宜采用鋼筋混凝土圓涵、蓋板涵和框架矩形涵,涵頂不得高出路基基床底層頂面。(7)橋面構(gòu)造應(yīng)考慮橋上線路大型養(yǎng)路機械作業(yè)的要求。對跨度不大于40ｍ的混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁在滿足上述規(guī)定的條件下,應(yīng)根據(jù)我國的實際情況,在充分考慮梁體的預(yù)制、運輸和架設(shè)的基礎(chǔ)上,進行充分的經(jīng)濟365JT技術(shù)比較綜合確定梁體的截面形式。
