高速铁路简支梁设计方案对比分析

摘要：近儿年来，随着我国的飞速发展，高速铁路工程的发展也有了很大的提 高。国内外高速铁路桥梁主要釆用简支梁结构，其中预应力混凝土简支梁具有受 力明确、构造简单、耐久性好、施工便捷等优点，是高速铁路桥梁的主要结构形 式。

关键词：高速铁路；简支梁；设计方案对比分析 引言

高速铁路跨越河流、沟谷的高墩桥梁以及软基沉陷地区的深基础桥梁，下部 结构造价在桥梁建设费用中的比重较大，大量使用跨度32m简支梁时经济性较差; 跨度＞32m时若只能采用原位浇筑的简支梁桥或者连续梁、连续刚构桥，经济性 也较差，且质量不易控制。该文分析了既有高速铁路简支梁设计与使用悄况，并 根据高速铁路预制后张法预应力混凝土大跨度简支梁技术可行性和经济性对比分 析研究结果，给出了分析结论。

1高速铁路桥梁概况

截止2014年底，我国高速铁路运营里程超过16000km, 〃四纵〃干线基本成型, 约占世界高速铁路运营里程的50%,已拥有全世界规模最大、运营速度最高的高 速铁路网。我国高速铁路多釆取〃以桥代路〃策略，各条高速铁路桥梁所占比例均 较高，其中以跨度32m预应力混凝土简支箱梁桥为主，部分采用跨度24m简支 箱梁，少量釆用跨度40、44、56m简支箱梁。跨度32m及以下箱梁主要采用沿 线设制梁场集中预制、架桥机架设的方法施工，跨度32m以上简支箱梁主要釆用 现场浇筑或节段拼装的方法施工。我国高速铁路桥梁里程占线路里程的比例最高 达82%,其中常用跨度混凝土简支箱梁桥占桥梁总里程的比例基本在80%以上， 最高达96%o桥梁技术的发展和进步成为我国高速铁路建设工程中的重大技术突 破，并形成了我国自有的技术标准体系。随着高速铁路建设的发展，桥梁设计理 论和建设技术也在逐步完善和发展，其中基于预制架设施工模式的大跨度预应力 混凝土简支箱梁就是其中重要发展方向之一。我国高速铁路建设规模大，桥梁数 量多，设计.施工技术成熟，并依托联调联试工作积累了丰富的试验数据，对于 高速铁路桥梁的建设和发展也积累了充足的技术储备。根据近年来高速铁路常用 跨度预应力混凝土简支梁的设计和试验研究成果，我们对简支梁的设计理论有了 更为深刻的认识，为高速铁路（时速250km及以上）大跨度预应力混凝土简支梁 的进一步发展打下了基础。高速铁路跨越河流、沟谷的高墩桥梁以及软基沉陷地 区的深基础桥梁，下部结构造价在桥梁建设费用中的比重较大，大量使用跨度 32m简支梁时经济性较差；跨度＞32m时若只能采用原位浇筑的简支梁桥或者连 续梁、连续刚构桥，经济性也较差，且质量不易控制。发展跨度40m及以上预应 力混凝土简支梁，并釆用集中预制、运梁车移运、架桥机架设的施工模式，将显 著提高桥梁的经济性。我国高速铁路发展跨度40m及以上、采用预制架设施丄模 式的预应力混凝土简支梁技术，不但能够提高简支梁桥的跨越能力，还能够扩大 简支梁桥的适用范围，并具有一定的技术、经济优势。

2既有高速铁路简支梁设计与使用情况 2.1设计参数及控制指标

对于我国高速铁路用量最大的跨度32m预应力混凝土简支箱梁，高速铁路运 营活载静态效应（动车组）约为设计活载静效应的35%〜40%,桥梁结构设计•控 制指标已山强度变为刚度。桥梁结构的变形和变位限值主要是为保证桥上轨道结 构受力安全性和

稳定性，同时满足列车高速运行条件下行车安全及乘车舒适的要 求。根据现行规范，高速铁路桥梁刚度设计参数应满足如下要求。

2.2竖向自振频率限值

研究表明梁体固有频率过低将导致高速列车通过时产生较大振动或共振，频 率过高时桥上轨道不平顺引起的车辆动力响应明显增加，因此，对简支梁竖向自 振频率提出限值。对于运行车长24〜26m的动车组、L<32m混凝土及预应力混凝 土双线简支箱梁，给出了不需要进行车桥耦合动力响应分析的自振频率限值。同 时，硏究发现对于跨度40m及以上的简支梁，由于长列荷载的影响，动力荷载产 生的突变效应减弱。高速铁路桥梁设计的控制性参数与桥梁跨度有关。研究发现, 选取跨度20、24、32及40m的简支箱梁，每种跨度的简支梁分别选取21种不同 尺寸的截面，二期恒载统一按180kN/m来计算梁体竖向基频，以此研究分析不同 刚度设计参数间的关系。根据不同刚度限值对应函数关系。32m及以下跨度简支 梁基频取现行规范中不需要动力检算的下限值，40m箱梁基频取现行规范中公式 计算的下限值，梁端悬出长度按预制架设模式统一取0.55m,梁端转角限值取 1.5xl0-3rado综上分析可以看出：（1）梁体竖向刚度满足梁端转角限值或满足 基频限值的情况下，挠跨比远小于规范规定的1/1600,挠跨比不控制梁体设计； （2）跨度32m及以下的预制简支梁，基频为梁体设计•控制指标；（3）跨度40m 预制简支梁，基频和梁端转角的对应关系接近，梁体设计控制指标在基频和梁端 转角方面差别较小，可实现箱梁经济性设计。

23实梁设计状况

以我国高速铁路跨度32、40 m预应力混凝土简支箱梁为代表，分析了既有简 支梁的设计情况。

23.1跨度32 m简支箱梁

高速铁路有昨.无祚桥面双线箱梁二期恒载设计值分别为206.5-211.0 kN/m 和120.0-180.0 kN/m,受二期恒载影响（不同无祚轨道类型、直曲线及有无声屏 障等）,同一图号的无祚简支箱梁基频和残余徐变拱度略有差异。对于设计时速 350 km高速铁路32 m无昨轨道预应力混凝土双线简支箱梁，预制梁的梁端转角. 基频的设计参数与规范参数比值分别为53%, 101%〜108%,现浇梁相应的两者 比值分别为70%和106%〜114%o 2.2.2跨度40 m简支箱梁时速350 km髙速铁路 无祚轨道后张法预应力混凝土双线简支箱梁，计算跨度为39.1m,施工方法为原 位现浇，截面中心梁高为3.75 m,桥面宽度为12.0 m,质量1130 to对于设计•时 速350 km高速铁路跨度40 m无祚轨道预应力混凝土双线简支箱梁，梁端转角、 基频的设计参数与规范限值的比值分别为62%和139%。

23.2对比分析

（1）高速铁路各种箱梁的挠跨比设计值远小于规范规定的限值；（2）跨度 32 m

箱梁的竖向基频设计值稍大于规范规定的基频限值，梁端转角富余度较高， 基频限值控制箱梁的设计；（3）跨度40 m梁与跨度32 m梁的梁端转角设讣值 与规范限值的比值基本相当，40 m梁基频设il•值与规范限值的比值大于32 m梁 的相应比值，跨度40 m梁的竖向基频有较大优化空间。

2.4实梁测试结果

将高速铁路常用跨度简支梁设计情况和实测结果对比可知：（1）挠跨比不是 梁体设计控制指标，跨度32m以下的简支梁的设计参数曲基频控制，跨度40m 的简支梁基频和梁端转角的影响接近；（2）高速铁路各种箱梁的挠跨比设计值 小于规范规定的限值。跨度32m箱梁竖向基频设讣值稍大于规范规定的基频限值, 跨度40m箱梁基频设计值与规范限值的差别较大，有较大的优化空间：（3）从 设计和运营指标测试结果来

看，我国高速铁路发展跨度40m及以上的预应力混凝 土简支箱梁技术可行。

结语

根据高速铁路预制后张法预应力混凝土大跨度简支梁技术可行性和经济性对 比分析硏究结果，得出结论如下：（1）高速铁路跨度40m简支梁的设计控制指 标已从跨度32m简支梁的刚度（基频）控制转变为强度和刚度（基频、梁端转角） 共同控制；（2）跨度40m预制简支梁的梁高设计可以控制在3.1m左右，单孔梁 质量可以控制在1000t以内。该梁高与既有跨度32m简支梁的梁高接近，便于桥 梁跨度布置及美观设计；（3）无论是研制新的运架设备还是对既有的运架设备 进行改造，均可满足跨度40m预制简支梁的制、运、架施工要求；（4）高速铁 路跨度40m的预制简支梁桥，在墩高10m左右的常规地段综合造价与跨度32m 简支梁桥相比具有一定经济优势，在高墩、深基础等下部结构费用较高的地段综 合造价与跨度32m简支梁桥相比经济优势增加；（5）釆用跨度40m预制简支梁 桥，可提高桥梁的跨越能力、增加桥跨布置的适应性、减少墩台基础的数量、扩 大简支梁桥的适用范圉，并可减少施工作业班次、提高生产效率，工程建设实际 意义显著。

参考文献：

⑴中华人民共和国铁道部.TB10002.1-2005,铁路桥涵设计基本规范⑸.北 京：中国铁道出版社，2015.

[2]中华人民共和国国家铁路局• TB10621-2014.高速铁路设计规范⑸.北京: 中国铁道出版社，2015.