武广铁路客运专线桥梁技术咨询实践

铁　道　建　筑Rail w ay Engineering

文章编号:100321995(2010)0120183204

武广铁路客运专线桥梁技术咨询实践

宋　剑

1,3

,王瑞园2,王庭正

2

(11中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043;21中铁第四勘察设计院集团有限公司,

武汉　430063;31武广铁路客运专线有限责任公司,武汉　430077)

摘要:通过中、德咨询联合体对武广铁路客运专线桥梁设计的咨询模式和主要咨询成果的介绍,描述了中、德两国在桥梁设计理念、设计标准的差异。中外联合,优势互补,深入的理解国外相关标准和规范,

有针对性地借鉴国外高速铁路桥涵的技术成果,从而指导武广客运专线桥涵设计和建设工作。对类似工程的咨询、铁路桥涵的设计有一定的指导意义。关键词:客运专线　桥梁　咨询中图分类号:U238;U45511　文献标识码:B 收稿日期:2009212211;修回日期:2009212219

作者简介:宋剑(1963—),男,陕西乾县人,高级工程师。

　　武广铁路客运专线设计时速350k m /h,铺设无砟轨道,全线桥梁长度达468km ,占正线全长4814%。桥梁结构除一般32m 预应力混凝土整体箱梁外,还有95座特殊结构的桥梁。结构形式包括多种跨度的预应力混凝土连续梁(其中主跨最长达125m )、预应力混凝土连续刚构(主跨达168m )、预应力混凝土T 构(最大跨度70m )、主跨112m 提篮钢管混凝土拱桥、主跨140m 钢箱系杆拱桥、主跨242m 连续钢桁梁及多座高速道岔梁桥。桥梁结构要满足350km /h 速度下强度、刚度、稳定性和100年耐久性的要求。为了更好的借鉴国外高速铁路的技术成果,建设“世界一流”的客运专线,2004年10月铁道部决定铁路客运专线实行“小业主、大咨询”建设模式。2005年6月,通过招标,武广铁路客运专线由中铁第四勘察设计院集团公司(主办方)、中国中铁二院集团公司和德国欧博迈亚咨询公司组成中外联合体对其进行工程咨询。

1　桥梁咨询模式及意见处理流程

111　咨询模式

为了实现优势互补,德国欧博迈亚咨询公司(简称OP B )对工程咨询技术质量负总责并担任总咨询师。桥梁专业由OP B 担任专业咨询负责人,中方担任专业咨询副负责人。桥梁咨询首先对总体设计原则、专业设计细则、先期开工的1桥5涵以及武汉综合试验段桥涵设计、施工及质量验收细则进行了咨询;第二对全线施工图进行咨询,选择具有代表性的27座桥梁

由OP B 进行重点咨询;第三根据咨询进程,在上述27

座桥梁中选择2座进行深化咨询,即由OP B 进行验证和检算,对全线9座特殊结构桥梁进行中外同步咨询;第四对桥涵接口问题组织咨询;第五对重点桥梁的施工工艺、工法及重大变更设计组织咨询。112　咨询意见的处理程序

一般技术问题处理程序　开始通过OP B 对桥梁总体计原则、设计细则、设计参考图及2座桥梁的深化咨询,发现中外方在设计理念和模型建立、计算方法上存在差异。设计单位和咨询单位进行多次交流,对较大的技术问题,集中组织研讨,寻找解决途径。大部分分歧意见达成共识得到解决。必要时由业主组织专题会议。

重大技术问题处理程序　当设计单位与咨询项目部经过交流、沟通、协调,仍未取得一致意见的重大技术问题,业主组织专家研讨、论证。并将分歧意见、专家意见和业主初步意见上报铁道部工管中心研究批复。

2　桥梁咨询意见的采纳

上报铁道部的重大技术问题有:①涵洞分节设计

问题;②桥面系问题;③梁部设计;④桩基础计算理论和主要参数取值;⑤桩承台配筋及桩承台底配筋设计;⑥关于制动力或牵引力计算取值问题;⑦框架涵身边墙纵向配筋及横向钢筋间距问题;⑧涵洞翼墙采用素混凝土问题;⑨承台底配筋方式;⑩桥墩配筋方式。现分述如下。211　涵洞设计分节问题

依据德国规范和经验,框架涵洞一般不设沉降缝。

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对于特别长的涵洞,涵节长度至少12～15m ,且接缝

位置不允许在同一线路两根钢轨之间。因为沉降缝越多,发生漏水、不均匀沉降等病害的概率就越大。另一方面钢筋混凝土涵洞高度一般都在410m 以上,可以有足够的刚度抵抗地基不均匀沉降,当然混凝土涵洞的纵向配筋必须经过计算确定。我国设计所采用的沉降缝构造过于简单,难以达到永久防水的要求;混凝土结构容许裂缝宽度一般是012mm ,有水的情况下是0115mm ,而中国规范均为012mm ,标准偏低。

根据中国的设计经验和习惯,为防止地基不均匀沉降引起洞身钢筋混凝土开裂,每3～5m 设置一道沉降缝。沉降缝的防水措施一般采用沥青浸木板填塞,外加箱外沥青麻筋覆盖,涵洞只需进行横向配筋计算,纵向不需要配置受力钢筋,只需按构造要求配筋。

经讨论和铁道部专家组论证,涵洞在两条线路中间可设置沉降缝,每线下的涵节长度不小于5m;涵洞的边墙厚度和涵洞配筋根据设计计算确定;裂缝宽度按中国规范控制;加强接缝的防水措施。212　桥上铺设道岔

桥上道岔的布置:原则上,桥上无砟轨道系统中是可以布置道岔的。需要特别考虑的是,桥梁最大偏移以及无砟轨道中道岔上的更大荷载引起梁端有限弯曲转角。见图1

。

图1　梁部偏移引起的弯曲转角

此外,德国标准中规定的梁部允许发生的最大横

向位移为±1mm (见图2),并应遵循(列车)制动情况下道岔转辙处的最大横向位移。

OP B 建议道岔供应商应给出最大变形值。桥梁

设计人员与道岔供应商密切合作,研究桥梁设计方案。

在桥梁活动接缝处(连续梁端),不允许安装道岔装置。中国有关道岔安装的要求中指出了尖轨末端至辙叉范围内道岔下面有可能存在梁缝。而根据德国规范,道岔区不允许出现梁缝。

桥上结构高度:根据设计规范,道岔区的无砟轨道结构高度比区间的无砟轨道结构高33mm ,见图3。根据该值,装有道岔的连续梁顶部必须低于简支梁

。

图2　荷载引起的偏移及位移

图3　桥上板式轨道高度(单位:mm )

根据咨询意见,咨询和设计人员重新对桥上道岔

相关结构参数进行了研究,确定了有关参数。213　关于梁部设计(梁部后期徐变变形限值)

中方现有预应力混凝土梁的残余徐变上拱按不大于10mm 控制,德国标准规定残余徐变上拱不能大于

L /5000mm ,OP B 认为中方设计标准偏低。

经设计单位核查及专家论证,中国的梁部通用参考图设计中已经考虑了控制铺轨后收缩、徐变变形的措施。根据设计计算和试验研究,客运专线标准梁铺轨后的收缩、徐变变形能够满足《无砟轨道设计指南》中规定10mm 的要求。设计中考虑了各种不定因素的影响,实际检算值均不超过7mm ,基本满足了德国规范L /5000mm 的要求。因此32m 箱梁铺设轨道后收缩徐变上拱值按7mm 控制。

除了检查徐变上拱值外,德国无砟轨道还需检查梁部中部翼展的变形及梁端的变形。214　桩基计算理论和主要技术参数取值

桥梁基础的桩基设计,中、德两国都采用的是空间结构分析程序,均考虑了土壤对桩的侧向抗力。所不同的是对土壤侧向抗力的假定不同:中国模式是基于m 法,而德国模式则基于K 法。

桩基按K 法计算,K s =E s /D ,对σ0=180kPa

(Q al +p l 2)硬塑黏土,K s 值约为6000～8000kPa /m 。对

基岩按桩底设弹性支承考虑。对饱和极限抗压强度R =30MPa 灰岩,其竖向地基系数取C 0=500000kPa /m 。

桩基按m 法计算,对σ0=180kPa (Q al +p l

2)硬塑黏

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土,m值取10000kPa/m2。对饱和极限抗压强度R= 30MPa灰岩,桩底竖向地基系数取C0=15000000 kPa/m。

根据双方的分歧意见,对水平方向参数取值,经换算后差约15倍,桩身配筋相差较多。

经讨论和铁道部专家组论证,桥梁桩基设计计算采用m法。参数的取值应采用试验实测值,当无此实测资料时,可参考规范T B1000215—2005推荐值。215　桩身的配筋

咨询认为桥梁参考图中仅包括纵向钢筋总体布置及桩部最小纵向配筋,桩部最小纵向配筋应为桩部横断面总面积的015%。本意见被设计采纳。

咨询认为桩部纵向配筋应根据施工现场情况进行计算,也就是说对每个基础进行纵向配筋计算。静力分析的圆周配筋必须与圆周最小配筋进行比较,静力分析中最大的最小配筋和配筋量对于桩部圆周配筋起着决定性作用。以往的设计对桩的箍筋一般都是按构造要求配置,基本没有进行过计算。对于桩的纵向配筋设计采纳了咨询意见,而对于箍筋,需经过计算对水平荷载较大的桩基加强了箍筋配置。

咨询认为对于圆周配筋的焊接,应对桩部静力加载及非静力加载情况加以区分。

德国规范中静力与非静力加载的划分如下:如果所有变量作用的力的总和大于结构中的所有主力总和的25%,那么此结构称为非静力加载。

设计认为桩基配筋计算一般不考虑动载效应,因此采用中国规范规定的接头方式。

216　承台配筋及承台底配筋设计

中方承台设计一般都遵循以下原则:如桩在纵向和横向均满足墩外侧和桩外侧之间的刚性角<35°;角桩处,墩外侧和桩外侧的刚性角<45°,则承台只需按构造要求配筋即可。中国承台传统的构造配筋原则是:在承台底部桩顶处布置一层钢筋网,钢筋直径16 mm或20mm,间距15c m。而德国规范中则规定桩帽每个面都要有016%的最小配筋。

对于是否采用六面配筋,中德双方技术人员争论颇为激烈。经过专家们的研讨,采纳了德国专家的建议———六面配筋。当桩基布置满足刚性角要求时,按每面不小于016%配筋;桩基布置不满足刚性角要求时,则必须进行承台配筋计算。

承台配筋的计算方法中国和德国也存在很大的差异。差异源于不同的计算模型,德国和欧洲均采用桁架模型,并对裂缝宽度进行控制。而武广客运专线设计者采用的方法是:通过通用有限元程序ANSYS建立实体单元模型,分析出承台内部的应力分布,再对所有的拉应力求和得到总的拉力,并据此计算所需的钢筋面积。双方经过计算比较和多次的研讨辩论,一致认为德国的桁架模型虽然安全,但过于保守。中国设计者所采用的分析方法更符合实际情况,能充分发挥混凝土材料的作用。因此,OP B也不再采用桁架模型进行计算,而是采用了另外两种计算模型进行承台的审查:首先承台采用有限元模型的板单元进行计算,如果计算出来的结果不通过,再采用实体单元模型对基础进行审查。

217　墩顶纵向力

根据德国规范计算的墩顶水平载荷几乎是根据中国规范载荷的2倍。原因在于:根据德国规范DS804 (B6),制动力大约是U I C71(=LM71)模式(即0125×80kN/m=20k N/m)的水平载荷的25%。因此,如果没有任何制动力分布的进一步信息(如果没有地质资料就无法进行计算),OP B假定制动力影响的长度跟梁长是一样的。第二点就是,根据德国对于双线铁路的规范,桥梁只考虑一条线上的制动力是不够的,也要考虑另一条线上的加速度。两个载荷的定位应把载荷都考虑进去。

在这样的情况下,考虑到活动支承摩擦力引起的力(根据德国实际经验,大约是支座恒载荷的318%),根据德国规范计算出来的水平载荷的值几乎是根据中国规范计算出来的两倍。

经铁道部专家会议讨论决定,桥梁设计中车站内要同时考虑制动力和牵引力,区间桥梁则没有必要。

根据德国专家的建议及铁道部工程管理中心的决定,桥梁设计中应考虑所采用扣件的阻力。当所采用扣件的值尚未明确的情况下,业主决定计算墩顶水平力时,在最不利情况下,根据德国规范采用以下值:每轨15k N/m(无载)、30kN/m(有列车)。另外,梁轨温差应根据德国规范取30℃。

为了研究长钢轨力的分布规律和大小,决定由轨道设计人员虚拟两座桥进行计算分析。

通过设计院和OP B分别对2跨及8跨桥梁做所作的钢轨应力分析及讨论,一致认为一般桥梁最不利长钢轨力为:制动力和梁轨温差引起的墩顶水平力应取700kN,由100kN×2(温度)和500kN(制动)组成。制动力和梁轨温差引起的桥台水平力应取1000 kN,由200kN×2(温度)和600kN(制动)组成。钢轨制动引起的墩顶水平力应取800kN,由100k N×3 (温度)和500kN(钢轨制动)组成。

218　墩台的配筋

在中国的设计中,墩台只是“混凝土部件”,而非“钢筋混凝土部件”,因此可以不配钢筋或仅按构造需

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要配置钢筋。而根据德国规范,中方的设计图中所配的钢筋不够,应增加,这主要是为了裂缝宽度及保证部件的耐久性。

根据OP B的要求,墩台的最小配筋应该为:在6级地震范围内桥墩的竖向配筋应该采用HRB335<12,间距不大于15c m;在7级地震范围内配筋应该采用HRB335<16,间距1215c m。桥墩的横向配筋必须采用HRB335<12。实心部分和空心部分的空间影响区的钢筋间距必须为10c m,其他地区应不大于20c m。实心墩横向配筋应采用HRB335<12,间距不大于10 c m。桥台的横向配筋应该与实心墩的横向配筋相等。

3　结语

311　中外联合咨询模式值得推广

引进国外咨询机构与国内咨询机构组成联合体模式进行技术咨询,能利用国际上先进、成熟、可靠的高速铁路技术和管理经验,完善了我国铁路客运专线的技术体系,促进了铁路客运专线的建设和发展。对更新设计和管理理念、使高速铁路进一步与国际接轨具有战略意义。

312　重视咨询方式

从武广客运专线中外咨询的过程来分析,做好咨询前期准备工作非常重要,重视咨询方式,才能提高咨询效率。①对设计存在的问题和主要技术难点,提前书面提供给对方,进行准备以便提高咨询效率。②进行专题咨询,按照咨询专题进行资料收集(包括翻译资料的准备)、专题项目调研、制定咨询依据和主要咨询内容,保障咨询工作有效开展。③设计和咨询单位在咨询前充分沟通,彼此理解各自的设计意图和技术标准。④突出咨询重点,要对重点、原则性及控制全线的技术问题咨询,起到以点带面的作用。

313　沟通是提高咨询质量的前提

中德双方由于彼此在文化上和理念上的差异,咨询过程中经常会在对问题的看法上存在许多不同,在概念上引起争论。武广客专咨询经验表明:双方友好沟通、相互学习是提高咨询质量的前提。通过计算分析,以数据说话,加强讨论和沟通。中方多学习和理解国外规范,外方多了解中国规范体系是有效提高咨询质量的一条重要经验。

314　借鉴外方先进理念

中外联合体咨询模式还有待完善。如在项目立项初期要同步开展咨询工作,要充分借鉴国外项目管理的经验,要充分发挥中方咨询单位的优势等。认真听取和领会国外专家的设计理念和建议,特别是在设计方案及防灾救援、专业接口及配套等方面值得借鉴的咨询意见,为我国今后客运专线的勘察设计、建设管理、开通运营积累经验。

315　根据国情采纳咨询意见

中德铁路设计规范是两国多年铁路建设实践经验的结晶,德国规范具有完善的理论体系和实践应用经历。但中国高速铁路的规范、规定仍缺乏实践的检验,特别是高速无砟轨道与桥梁设计的适应性问题。对咨询成果的及时总结和思考,建立中国完善的高速铁路技术体系,仍然是我们的一项重要任务。对于中国成熟丰富的技术,应结合高速铁路特点进行发展,不可生搬硬套。

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(责任审编　赵其文)

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