太中银铁路无缝线路道岔桥梁设计

摘要：太原至中卫至银川铁路文水至靖边段位于吕梁山脉及陕北黄土高原，设计速度200 km/h，铺设跨区间无缝线路有砟轨道。为适应复杂的地形，共有3个车站的4座桥上设置了道岔。桥梁设计时结合具体情况，采用了不同的桥式方案及施工方法。各桥的孔跨布置满足无缝线路道岔的布设原则；对道岔梁采用结构设计软件进行分析，各项指标能满足无缝线路道岔的变形要求。并解决了预应力混凝土箱梁顶板大悬臂剪力滞效应、道岔梁桥墩及基础纵向总刚度与无缝线路道岔受力适应性、桥面及底板变宽连续箱梁支座横向布置等技术难题。经实际运营检验，能保证列车通过时的安全性、舒适性和平稳性。

1 概述

太原至中卫至银川铁路是位于京包铁路以南、陇海铁路以北的一条东西向铁路干线[1]。山西文水至陕西靖边段线路走行于吕梁山脉及陕北黄土高原，受线路方案整体走向以及地形等因素控制，本段共3个车站的4座桥设置道岔梁，分别为吴堡站前王家山1号大桥、绥德站五里店无定河特大桥及二十里铺无定河特大桥、子洲站子洲大理河特大桥。当时国内尚无桥上铺设无缝线路道岔的实践经验，设计中根据无缝线路道岔对桥梁结构的要求及各工点的道岔布置，并结合水文、地形、行车速度等具体情况，设置了简支梁、高墩大跨连续梁、等高度等截面连续梁、等高度变宽连续梁等多种形式的道岔梁，同时采用了原位现浇、分段现浇、挂篮悬浇、预制架设等多种施工方案。

2 主要技术标准

铁路等级：Ⅰ级；正线数目：双线；旅客列车速度 200 km/h ；牵引种类：电力；有砟轨道， 60 kg/m重型轨，一次铺设跨区间无缝线路。

3 道岔梁布设原则及变形要求

桥上无缝线路道岔需满足列车安全、高速、平顺通过的要求[2]。应具备安全性、稳定可靠性和舒适性，根据无缝线路道岔计算成果，并参考国外桥梁设置无缝线路道岔的条件，道岔梁桥设计时满足下列要求。

(1)设计速度200 km/h区段，道岔前、后一定区域应布设在整联连续梁上；道岔设置于连续梁上时，尖轨尖端及心轨跟端距离梁缝不小于18 m。如受地形及站场平面布置等因素无法满足时应满足轨道检算要求。

(2)限速160 km/h区段，道岔可设于简支梁上，桥梁截面型式宜采用抗弯刚度较大的整体箱梁结构；道岔设置于简支梁上时，道岔活动部分(尖轨、心轨)不应跨梁缝布置，且尽量远离梁缝。

(3)道岔前后不宜设置钢轨伸缩调节器，对于需要设置伸缩调节器的连续梁，伸缩调节器与道岔应位于同一联梁上。

(4)中-活载作用下，梁体最大扭转角小于1‰；梁体竖向挠度要求如表1所示。

表1 道岔梁挠跨比限值表

(5)墩身最小刚度应保证在制动和加速度力的作用下，梁轨间的快速移动最大允许值为4 mm，桥面最大允许绝对水平位移为5 mm。

4 道岔梁设计

吴堡站线路太原方向受黄河桥位控制，中卫方向受义合镇隧道控制。车站中卫端为跨越50 m深沟设置前王家山1号大桥。由于受夹直线长度以及道岔不应设置于路桥连接处等因素限制，中卫端咽喉区的八字渡线共4组12号道岔设置于前王家山1号大桥上。桥型布置及桥上道岔布置如图1、图2所示。

图1 前王家山1号大桥桥型布置图(cm)

图2 前王家山1号大桥道岔布置图(cm)

该桥桥址处地形起伏较大、冲沟发育。为跨越深沟并满足轨道的平顺性，本桥采用(32+3×55+32)m预应力混凝土道岔连续箱梁。

梁体为单箱单室等宽度直腹板箱形截面，中支点梁高6 m，边支点梁高3.5 m。顶板厚度除支点附近外均为45 cm，腹板厚55～100 cm，底板由跨中的50 cm按二次抛物线变化至根部的80 cm。顶板宽度为14.06 m，底板宽度为7.0 m，悬臂为3.53 m。梁体端部、支点处和跨中处共设置9道横隔板，端部横隔板厚度1.3 m，中支点横隔板厚度2.0 m，跨中横隔板厚度0.6 m。横隔板及梁端底板设有孔洞，供检查人员通过。

薄壁箱梁在纵向弯曲时，发生“剪力滞后”现象[3]，使得翼板内弯曲正应力沿梁宽方向分布不均匀，同时翼板内弯曲正应力沿厚度方向分布也不均。箱梁的剪力滞效应不能忽略，否则会低估箱梁实际结构产生的应力，造成结构不安全。为设置道岔转辙机，本桥桥面加宽至 1 406 cm，悬臂宽度达353 cm，剪力滞效应更加明显，本桥设计时采用实体元分析充分考虑了由此引起的翼缘有效宽折减，保证桥梁结构安全。主梁横截面如图3所示。

图3 前王家山1号大桥主梁横截面图(cm)

既有绥德站为包西铁路上的中间站，座落于无定河的漫滩上。太中银铁路将绥德站向远离无定河方向改建后，车站中卫方向咽喉区前为一半径2 200 m的曲线，无定河成“S”形环绕改建后的绥德站。车站太原端设置五里店无定河特大桥，中卫端设置二十里铺无定河特大桥。为保证太原与延安间的客车通路，在绥德站太原端咽喉区外预留了太中银线与包西线间的客车联络线，由于受绥德隧道限制，太中银铁路的2组18号道岔位于五里店无定河特大桥上。在中卫端，由于受地形和无定河控制，太中银车场的八字渡线以及包西上下行线与太中银线间的渡线共10组12号道岔位于二十里铺无定河特大桥上。

本桥位于陕西省绥德县五里店村附近，跨越无定河、210国道、包西铁路。本桥小里程桥台与绥德隧道出口相邻，太中银铁路与包西铁路客车联络线的上下行联络线分别由本桥的左右侧通过2组18号道岔引出，双线桥渐变为四线桥。结合地形和道岔梁布置相关要求，本桥第1～3孔布置为(32+20+32)m简支道岔T梁。五里店无定河特大桥0～3号墩桥型布置及桥上道岔布置如图4、图5所示。

图4 五里店无定河特大桥0～3号墩桥型布置图(cm)

图5 五里店无定河特大桥道岔布置图(cm)

受外部条件控制，本桥线路位于R=1 600的曲线上，最大行车速度160 km/h，属于太中银铁路限速区段之一。同时上下行客车联络线的曲线半径分别为450 m、500 m，列车时速更低。考虑到上述条件，本桥道岔梁采用简支T梁，在保证无缝线路道岔安全使用的前提下降低工程造价。

32 m道岔边梁自重209.5 t、中梁自重195.8 t。因梁体较重，无法采用架桥机架设，需在原位支架现浇施工。20 m道岔边梁自重107 t、中梁自重96.9 t，采用预制架设施工。第1、第3孔分别布置5片、8片32 m道岔梁，本着主梁及桥面受力合理，设计、制造方便的原则[4]，梁肋间距采用1.7 m、2.0 m，梁高3 m，梁肋宽度跨中44 cm，支点64 cm，下翼缘宽度98 cm，中梁上翼缘宽度150 cm，边梁上翼缘宽度242 cm(含25 cm宽防撞墙)，湿接缝宽度20 cm，主梁上每隔4 m设置一道横隔板。第2孔布置6片20 m道岔梁，梁肋间距1.7 m、2.0 m，梁高2.3 m，梁肋宽度跨中36 cm，支点56 cm，下翼缘宽度98 cm，中梁上翼缘宽度130 cm，边梁上翼缘宽度233 cm(含25 cm宽防撞墙)，湿接缝宽度40 cm，主梁上每隔4 m设置一道横隔板。第3孔道岔梁横截面如图6所示。

图6 五里店无定河特大桥第3孔道岔梁横截面图(cm)

梁体采用C55混凝土，纵横向预应力筋采用钢绞线。梁部设计时梁体挠度按速度160 km/h的困难值控制。对于桥上道岔，桥墩的刚度增大，可以显著降低岔区内钢轨的受力与位移[5]，但增加墩台刚度会增大道岔传给墩台的纵向力，同时对墩台的受力也不利[6]，所以应综合考虑相互影响。本桥起始段，线路顺沟心走行，为避免阻水，第2～第5号墩采用多圆柱墩，桥墩直径2.8 m，根据桥宽分别布置2～4根圆柱。结合地质资料，桥墩基础采用明挖或挖井基础，以适当增强圆柱墩的结构总刚度。

本桥位于绥德县二十里铺村附近，无定河百年一遇设计流量 6 180 m3/s。本桥第3～第8号墩、第9～第13号墩、第14～第18号墩采用四线连续道岔梁，三圆柱墩。二十里铺无定河特大桥第3～第18号墩桥型布置及桥上道岔布置如图7、图8所示。

图7 二十里铺无定河特大桥第3～第18号墩桥型布置图(m)

图8 二十里铺无定河特大桥道岔布置图(cm)

为了能适应高速行车的要求，无缝线路道岔的变形受到严格限制[7]。简支T型梁由于纵、横向的变形均较大，很难满足速度200 km/h行车的平顺性及安全性要求，故本桥道岔梁采用连续箱梁，以适应无缝线路道岔的使用要求。本桥道岔梁采用单箱三室等高度桥面板变宽的斜腹板箱梁结构，梁高3.0 m，箱梁顶板宽22.66 m，局部为满足转辙机安装要求加宽至24.66 m，底板宽15.89 m，支点处底板加宽到16.90 m，顶板厚度30 cm，底板厚度由30 cm变化至60 cm，腹板厚度由50 cm按直线变化至80 cm。梁体在端部、跨中和桥墩处设置横隔板，梁端横隔板厚度1.5 m，跨中横隔板厚度0.2 m，墩顶处横隔板厚度2.0 m，横隔板上均设过人孔洞。主梁横截面如图9所示。

图9 二十里铺无定河特大桥道岔梁横截面图(cm)

梁体采用C55混凝土，以纵向预应力体系为主设计，支点处横隔板配横向预应力。采用支架现浇施工，鉴于梁体混凝土体积较大，采取混凝土在支架上分段浇筑，分段浇筑完成2～4 d后经检测混凝土强度达到30 MPa时，对布置在本段的施工过程钢束进行初张拉，全梁混凝土浇筑完毕，永久钢束张拉后，一部分施工过程束拆除，其余施工过程束进行二次张拉，作为永久钢束利用。预张拉部分钢束主要目的是防止混凝土收缩裂缝的发生[8]。施工按照逐段推进的施工方法，钢束采用连接器连接，受构造限制采用钢束连接器布束困难时，可将预张拉钢束采用齿块锚固。

子洲站位于307国道与大理河之间的河滩上。太中银线在本段沿大理河河谷前行，桥隧相连，在河谷外难以选到站位。为跨越大理河及青银高速，本站太原端设子洲大理河特大桥,从而导致太原端整个咽喉区位于大理河特大桥上。其中包括1组八字渡线、2组单开共6组12号道岔，另有1组预留50 kg/m轨的12号道岔。

本桥第55～第59孔、第60～第64孔、第64～第67孔位于道岔区，采用等高度连续箱梁，单(多)圆柱墩，主梁采用支架现浇施工。本特大桥第54～第68号墩桥型布置及桥上道岔布置如图10、图11所示。

图10 子洲大理河特大桥第55～第67号墩桥型布置图(m)

图11 子洲大理河特大桥道岔布置图(m)

本桥第55～第59孔及第60～第64位于双线区段，桥上均布设单渡线，设置4～32 m连续梁。采用单箱单室等高度斜腹板箱形截面，桥面等宽，局部范围根据转辙机布置要求进行加宽。梁高2.8 m，底板宽5.38 m，顶板宽12.06 m，跨中顶、底板厚度均为30 cm，腹板厚度50 cm，支点处各板进行加厚并设置横隔板。第64～第67孔位于双线变四线区段，设置3～32 m连续箱梁。采用单箱三室等高度斜腹板(中腹板为直腹板)箱形截面，顶底板变宽。梁高2.8 m，顶板宽12.06～22.06 m，底板宽8.22～14.96 m，顶板厚度30 cm，底板厚度由30 cm变化至60 cm，腹板厚度由跨中处的50 cm按直线变化至支点处80 cm，梁体在支点共设置了4道横隔板，边支点横隔板厚度1.5 m，中支点横隔板厚度2.0 m。由于线路由双线变为四线，连续梁全联范围内桥面宽度有较大变化，同时局部根据转辙机的布置要求加宽。考虑降低施工难度，同时又不因此增加较大工程量，将桥面统一成平顺变化的梯形。梁体采用C55混凝土，以纵向预应力体系为主设计，支点处横隔板配横向预应力。3～32 m变宽道岔梁横截面如图12所示。

图12 子洲大理河特大桥3-32 m道岔梁横截面图(cm)

为了减少梁体位移对道岔的影响，单箱多室变截面连续梁的横向支座布置尤其重要[9]。横向支座布置应结合各线的相对位置关系，对因温度变化引起的梁缝处钢轨可能产生的横向变位进行控制，尽量减小温度跨度。对于扇形分布的截面来说，斜置腹板下支座的控制位移方向也是需要注意的问题。当腹板与隔板斜交法向角较大时，应对顺桥向与固定支座同一连线上的各支座位移进行综合计算。若其横向位移较难控制，可考虑将支座纵向活动方向进行调整，使之与固定支座连线重合，就可抵消支座的扭转效应，对结构安全有利。

5 结束语

太中银铁路是西北地区通往东部最便捷的铁路通道，一次铺设跨区间无缝线路，桥梁设计速度为200 km/h。受地形等外部条件限制，桥梁设计因地制宜，采用了多种结构形式、不同施工方案的道岔梁。在设计过程中，充分考虑了无缝线路道岔、轨道、桥梁之间的相互作用，考虑了轨道力对桥梁的影响，同时也考虑了桥梁平面布置、桥梁结构形式、道岔梁及桥墩的刚度等对轨道和道岔的影响[10]。几年来的运营检验表明，各桥工作状态良好，满足无缝线路道岔的使用要求。太中银铁路道岔梁的使用，完善了桥上无缝线路道岔设计理论，对指导道岔和桥梁的设计，具有重大的意义，同时极大丰富了国内山区铁路无缝线路道岔梁的设计施工经验，对提升修建山区铁路的综合技术水平起了一定的作用，也给山区铁路选线提供了较大的空间。

[1] 左家强．太中银铁路桥梁设计综述[J]．铁道标准设计，2009，52(12)：33-41． Zuo Jiaqiang，Summarization on Bridge Design of Taiyuan-Zhongwei(Yinchuan)Railway[J]．Railway Standard Design，2009，52(12)：33-41．

[2] 蒋金洲，魏周春，梁晨，等．高速铁路高架桥无缝线路道岔“渭南模式”的试验研究[J]．铁道建筑，2011，50(6)：123-127． Jiang Jinzhou，Wei Zhouchun,Liang Chen，et al. Experimental Study on High-speed Railway Viaduct Jointless Turnout "Weinan Mode"[J]．Railway Engineering，2011，50(6)：123-127．

[3] 吴文清，叶见曙，杨效中，等．薄壁箱梁剪力滞效应研究理论的若干问题讨论[J]．桥梁建设，2001，30(6)：53-57． Wu Wenqing，Ye Jianshu,Yang Xiaozhong， et al. Discussions on Problems of Theoretical Studies on Shear Lag Effect of Thin-walled Box Girder[J]．Bridge Construction，2001，30(6)：53-57．

[4] 柳学发．时速200 km铁路T梁设计研究[J]．铁道标准设计，2005，48(4)：31-36． Liu Xuefa. Study and Design on T-beam for 200 km/h Railway[J]．Railway Standard Design，2005，48(4)：31-36．

[5] 曾志平，陈秀方，赵国藩．简支梁桥上无缝线路道岔温度力与位移影响因素分析[J]．中国铁道科学，2006，27(1)：53-58． Zeng Zhiping， Chen Xiufang,Zhao Guofan.Analysis of Influence Factors on Jointless Turnout Temperature Force and Displacement of Simply-supported Girder Bridge[J]．China Railway Science，2006，27(1)：53-58．

[6] 宋建恩．连续梁桥上无缝线路道岔和桥梁受力与变形计算分析[J]．铁道建筑技术，2009，25(8)：14-18． Song Jianen．Calculation Analysis of Stress and Deformation of Continuous Beam Bridge and Its Jointless Turnout[J]．Railway Construction Technology，2009，25(8)：14-18．

[7] 蔡云标．客运专线无缝线路道岔梁几个设计问题的探讨[J]．铁道标准设计，2009，52(7)：35-39． Cai Yunbiao．Discussion on Design of Jointless Turnout Girde on Passenger Dedicated Line [J]．Railway Standard Design，2009，52(7)：35-39．

[8] 刘敬棉．分段施工的预应力混凝土连续梁钢束布置方式及预张力研究[J]．铁道工程学报，2008,123(12)：61-65． Liu Jingmian．Research on Arrangement of Pre-stressed Concrete Continuous Beam Tendons and Pretension in Section Construction[J]．Journal of Railway Engineering Society，2008,123(12)：61-65．

[9] 于维汗．太中(银)铁路变宽道岔连续梁构造及支座布置研究[J]．铁道标准设计，2013，56(1)：70-73． Yu Weihan. Research on Structure Design of Continuous Girder with Widened Turnout and Bearing Arrangement in Taiyuan-Zhongwei(Yinchuan) Railway [J]．Railway Standard Design，2013，56(1)：70-73．

[10] 王斌．京沪高速铁路高架车站道岔区桥梁设计[J]．交通科技，2010,25(2)：112-115． Wang Bin．Bridge Design of Elevated Station Turnout Area of Beijing-Shanghai High-speed Railway[J]．Transportation Science & Technology，2010,25(2)：112-115．

(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

Abstract：Wenshui-Jingbian line of Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan railway,a ballast jointless track with designed speed of 200 km/h,goes through Luliang Mountains and northern Shanxi Loess Plateau. In order to adapt to the complex terrain,turnouts were installed on four bridges near three stations. Combined with the specific circumstances of each project site,the bridges were designed using different structures and construction methods. The arrangement of spans for each bridge meets the laying principles of welded turnout. MIDAS and BSAS software is employed to ensure analysis for each turnout girder. All indexes met the requirements of the deformation of welded turnout while addressing the shear lag effect on top plate large cantilever of pre-stressed concrete box,adaptability of turnout girder piers and the total longitudinal stiffness of base to welded turnout stress,lateral arrangement of bridge floor and continuous box girders with widened baseboard as well as other technical problems. The actual operation indicates the bridges can ensure a safe,comfortable and smooth running.

Key words：Taiyuan-Zhongwei-Yinchuan railway； jointless track； turnout girder； laying principle