摘 要:通過鐵路橋梁在提速狀態下的實測結果研究分析,結合國外最新的鐵路橋梁結構365JT設計,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計一般規定的建議。
關鍵詞: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準設計,常用跨度橋梁一般采用單線鋼筋混凝土及預應力混凝土雙片式Ｔ梁橋,兩片Ｔ梁通常用橫隔板聯結,部分20ｍ以下的雙片式Ｔ梁無橫向聯結;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,為節省圬工,也采用了一些輕型墩臺和柔性橋墩。由于當時考慮的列車設計速度較低,客車一般按120ｋｍ/ｈ,貨車在規范中沒有明確規定,但實際運營速度一般只能達到60ｋｍ/ｈ。因此,橋梁設計主要滿足承載能力和節省材料,而對橋梁的結構構造、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、養護維修投入大等問題;并在提速試驗中發現一些跨度和結構形式的橋梁(包括梁體和橋墩)剛度不足和動力性能差等問題。這些橋梁的設計在當時條件下應該是正常的,但隨著橋齡增長,鐵路365JT交通發展很快,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,橋梁的設計標準和理念急需更新。為適應鐵道部跨越式發展的要求,部建設司組織編制《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》,本文通過我國鐵路橋梁在提速狀態下的實測結果研究分析,總結了既有橋梁設計經驗教訓,結合國外最新的鐵路橋梁結構設計,分析了常用鐵路橋梁結構形式對速度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計一般規定的建議。
2 既有橋梁結構存在的問題
我國既有鐵路橋梁的設計,由于當時條件和認識上的限制,通常都偏重于一次建設投資的經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制、火車運輸、架橋機架設的雙片式Ｔ梁標準化設計,設計的結構以滿足承載力要求,節省材料為主,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一些問題,制約了鐵路運輸的發展。主要可歸納為橋梁長期使用狀態問題和提速問題兩大類。
2．1 長期使用狀態問題
混凝土梁的設計主要由于結構構造處理不當以及對耐久性和混凝土材料性能認識不足,造成:(1)橫隔板斷裂;(2)預應力梁上拱度過大;(3)混凝土堿骨料反應造成部分橋梁嚴重的縱向水平裂紋;(4)混凝土保護層過薄,放排水系統失效,污水流經梁體表面,造成鋼筋嚴重銹蝕。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重。因此,為避免新建時速200ｋｍ客貨共線鐵路橋梁設計出現同樣的問題,保證新建橋梁的良好使用狀態和耐久性,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計和構造作出規定。
2．2 提速問題
廣深準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,發現提速后既有橋梁存在的一些問題,主要包括以下內容。(1)既有混凝土雙片式Ｔ梁的橋面不成整體、橫向聯結弱,造成有些跨度的橋梁橫向自振頻率偏低,當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,從而產生劇烈的橫向振動現象。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,大大超出當時橋梁檢定規范的限值Ｌ/16．5=1．94ｍｍ。從國外情況來看,前蘇聯烏克蘭科學院院士
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速度條件下已經安全運營了4年,整個結構和橋面系均處在良好的狀態。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疲勞裂紋,日本東海道新干線在運營10年后明橋面出現裂紋的現象顯著增多;二是軌枕易變位,使得明橋面的軌道結構的維護量大;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,綜合考慮結構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象。目前,有這類橋墩的線路區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。當速度提高后,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 國外的鐵路橋梁設計
目前,國際上發達國家的新線建設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構的維修工作量。因此,其橋梁設計具有以下特點:(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;(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力和制動時的梁軌相對位移,保證線路的穩定;橋梁墩臺還應有足夠的橫向剛度,保證線路的方向平順性,避免車橋產生過大的橫向振動;(3)橋梁的選型盡量避免或減少鋼軌伸縮調節器的設置;(4)橋梁結構及構造設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預應力混凝土簡支梁結構;韓國高速采用3×25ｍ或2×40ｍ預應力混凝土連續梁;日本十分重視結構的抗震性能,大量采用跨度為8、10、12ｍ的鋼筋混凝土連續剛構,每聯一般有4～10跨,各聯之間采用簡支梁過渡。一般橋梁一跨或一聯長度大于80ｍ時,需要設置無縫線路伸縮調節器。因此,高架橋的選擇應避免在橋上設置無縫線路伸縮調節器。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80年代新線建設時一般選用等跨布置的44、56ｍ兩種跨度的預應力混凝土簡支梁,運營后發現56ｍ簡支梁的端部由于溫度伸縮量大,道碴不穩定,維修工作量大。因此,在以后的新線鐵路建設中簡支混凝土梁的最大跨度用到44ｍ。在最近建設的科隆—法蘭克福高速客運專線上,谷架橋更多地采用了連續梁,連續梁和簡支梁的比例約各占50%。西班牙和法國均選用連續梁,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,根據法國的經驗,最好采用超靜定結構,如剛構橋。因為法國早期的里昂—巴黎高速線上的小跨度簡支梁橋,動力效應十分顯著,導致梁體開裂。簡
支梁和連續梁是最常用的兩種結構形式。簡支梁的優點是對于支座沉降不敏感,不需要設置軌道伸縮調節器,可采用工廠預制。連續梁較簡支梁高度低,結構變形和墩帽尺寸較小,但支座沉降對連續梁的受力有影響,尤其是小跨度連續梁,跨度越小,影響越大;并且當多跨連續梁一聯長度大于80ｍ時,需要設置軌道伸縮調節器。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,加強橫向聯結。根據日本的研究比較分析,認為跨度大于38ｍ采用箱形梁才較為經濟。
4 結論
根據上述分析,一方面總結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達國家類似鐵路橋梁設計先進成熟的經驗。在此基礎上對我國新建時速200ｋｍ客貨共線鐵路的橋梁設計提出以下一般規定。(1)橋梁結構應滿足行車舒適度和耐久性的要求,橋梁構造應便于檢查、養護和維修。(2)橋梁上部結構應采用剛度大的結構型式,宜優先采用預應力混凝土結構,亦可采用鋼筋混凝土結構和鋼混凝土結合結構,必要時也可采用鋼結構。(3)預應力混凝土梁,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梁應加強橫向連接。(4)鋼結構橋橋面系不宜采用明橋面。(5)橋梁下部結構宜采用混凝土或鋼筋混凝土墩臺,不得采用柔性結構。(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)橋面構造應考慮橋上線路大型養路機械作業的要求。對跨度不大于40ｍ的混凝土標準梁在滿足上述規定的條件下,應根據我國的實際情況,在充分考慮梁體的預制、運輸和架設的基礎上,進行充分的經濟365JT技術比較綜合確定梁體的截面形式。
