京张高速铁路清河站U形轨道梁的设计分析

田杨 严章荣 梁磊

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

北京至张家口高速铁路是国家《中长期铁路网规划》中“八纵八横”高速铁路网京兰通道的重要组成部分，是京津冀协同发展的重要基础工程，也是2022 年北京冬奥会和冬残奥会的重要交通保障设施。京张高铁是第一条应用了我国自主研发的北斗卫星导航系统、设计速度为350 km/h 的智能化高速铁路，也是世界上第一条最高设计速度350 km/h 的高寒、大风沙地区的高速铁路。

京张高铁起自北京北站，途经清河站、昌平站、八达岭长城站、东花园北站、怀来站、下花园北站、宣化北站、张家口站，线路全长174 km。其中，清河站是一座以铁路客运为主的现代化综合交通枢纽站，站区桥梁设计的影响因素和限制条件较一般桥梁结构复杂。本文结合京张高铁清河站站区轨道梁的结构选型与设计，分析轨道梁的几何参数变化对结构受力的影响，研究竖向荷载作用下单线、双线U 形轨道梁的力学特性。

1 工程设计概况

京张高铁清河站是北京市首座在车站内配置3条地铁线路的铁路客站。该车站由地下2 层、地上2 层和局部3 层组成。地下二层为地铁昌平线南延线、19 号线支线的站台层和设备层；地下一层为城市通廊、高铁与地铁换乘空间、地下车库。地上一层为高铁进站厅、站台层和地铁13 号线站台；地上二层为高架候车大厅。局部三层为商业服务场所。车站共设5 座站台共10 股道，其中高铁站台4 座共8 股道，地铁13号线专用站台1座共2股道。

站区东南侧的高铁轨道梁因桥下换乘空间净高受限采用了简支U 形梁。按照与站区股道数相匹配的原则，U 形轨道梁的结构设计分为单线和双线2 种（图1），为有砟轨道后张法预应力混凝土简支梁，梁体采用C55混凝土。

图1 站区U形轨道梁布置

单线U 形轨道梁跨中底宽5.40 m，单侧上翼缘宽0.85 m，槽口宽4.40 m，梁高2.075 m。道床板最小厚度0.51 m，梁端设置端横梁，端横梁由道床板向梁底局部加厚构成，最小高度为0.735 m，跨中截面构造见图 2（a）。

图2 U形轨道梁跨中截面构造（单位：mm）

双线U形轨道梁跨中底宽12.60 m，单侧上翼缘宽1.65 m，槽口宽10.20 m，梁高2.30 m，道床板最小厚度0.80 m，梁端因净高要求无法设置端横梁，故采用了与跨中截面相同的构造。跨中截面构造见图2（b）。U形轨道梁的梁长有24.9 m 和24.6 m 两种，计算跨度分别为23.4 m和23.2 m，支座横桥向中心间距分别为4.6 m（单线）和10.4 m（双线）。梁体采用支架原位现浇施工。

2 轨道梁结构选型

清河车站轨道梁位于车站地上一层的高铁站台层，由于受京张高铁、地铁昌平线南延线和19 号线支线等线路高程的控制，高铁站台层至地下一层候车厅的净高和站台梁的设计高度成为影响轨道梁结构设计的关键因素。

为确保地下一层候车大厅有足够的净空，同时更有利于车站建筑物结构受力，在轨道梁结构选型时，比选了简支U 形梁、简支箱梁和简支钢混结合梁3 种结构设计方案。这3 种梁型所需的轨下建筑高度（钢轨底至梁底）分别为1.462，2.860，2.860 m。显然，简支U 形梁所需的轨下建筑高度最小，可为桥下提供更多的空间，在设计方案上具有优势。

选用与车站建筑结构柱间距等长（即25 m）的混凝土简支U 形梁可提供在上下建筑高度同时受限条件下结构承载所需的梁体高度，能够有效满足站内不同线路条件下高速列车运行的需要。

3 轨道梁力学分析

U 形梁是一种梁板组合的空间整体结构［1-2］。作为一种下承式桥梁结构形式，在上部竖向荷载作用下道床板会发生双向弯曲和扭转，主梁会产生弯曲扭转效应，受力较为复杂［3-6］。

文中U 形轨道梁的有限元分析模型采用四点支承的简支体系，梁体混凝土和预应力钢绞线分别用六面体单元和线单元模拟。桥面二期恒载以面荷载集度的形式施加，计算时仅考虑预应力钢绞线与梁体混凝土的变形协调，暂不考虑二者间的滑移效应。梁体混凝土重度取26 kN/m3，弹性模量取36 GPa。预应力钢绞线的重度取78.5 kN/m3，弹性模量取195 GPa。单线、双线U 形轨道梁的桥面二期恒载分别取68.7，119.7 kN/m。

3.1 几何参数

影响并决定U 形梁结构受力状态的设计几何参数有主梁梁高、计算跨度、道床板厚度、道床板的长宽比、腹板厚度等［7］。考虑到清河站U 形轨道梁结构设计的实际情况，本文仅对道床板厚度、宽度及腹板厚度等几何参数进行分析。为了便于比较分析，计算中暂不考虑预应力效应。

1）道床板厚度

在梁高、跨度等其他几何参数确定的前提下，道床板厚度直接影响结构受力状态。厚度过大会显著增加自重，厚度过小则影响结构安全，因此选取经济合理的道床板厚度至关重要。选取双线U 形轨道梁，计算跨中最不利荷载作用下道床板厚度分别取600，700，800 mm 时的梁体跨中下缘纵向正应力和竖向位移，结果见图3（坐标原点位于梁截面中心线处）。可见，随着道床板厚度的减小，在相同荷载作用下U 形轨道梁跨中下缘纵向正应力和竖向位移逐渐增大。

图3 跨中下缘应力与位移

2）道床板宽度

在长度和厚度确定的前提下，道床板宽度对U 形梁结构的横向受力影响较大。一般来说，道床板的宽度越大竖向荷载作用下板的横向弯矩和竖向变形也就越大。道床板中的剪力滞现象也主要与道床板的长宽比C（C=主梁的计算跨度/道床板的计算跨度）有关。对比分析跨中最不利活载作用下道床板宽度为12.6 m 和13.6 m 的双线U 形轨道梁的道床板剪力滞系数（表1）可知，在相同竖向荷载作用下，道床板的长宽比越小，跨中道床板剪力滞系数越大。

表1 道床板剪力滞系数

3）腹板厚度

腹板厚度取值须满足梁体结构受力需要，并应考虑梁体普通钢筋、预应力钢束布设的构造要求和便于施工等因素。一般来说，腹板厚度越大梁体的刚度越大，但腹板厚度过大会增加梁体重量，反而不经济。比较分析3 种不同腹板厚度（700，800，900 mm）的双线U 形轨道梁在跨中最不利活载作用下的计算结果可知，跨中区段主梁腹板下端，槽口内侧受拉外侧受压，槽口内侧的拉应力随板厚增加而减小，槽口外侧的压应力随板厚增加而增大。

3.2 竖向荷载作用

槽形梁主梁在竖向荷载作用下受力情况比较复杂，其应力分布与梁体变形密切相关［8］。道床板上的荷载大部分通过主梁传递给支座，在主梁腹板内产生竖向应力。此外由于腹板的倾斜，在自重荷载作用下主梁会发生扭转和纵横向弯曲，在腹板内会产生剪应力和纵向、竖向正应力，沿腹板厚度方向不均匀分布。

1）结构应力

梁体在结构自重、二期恒载、预应力及列车活载等共同作用下呈现明显的空间特性。单线、双线U 形轨道梁的纵向正应力计算结果（表2）表明，受道床板双向弯曲的影响，在运营阶段跨中最不利活载作用下，单线U形轨道梁跨中截面上缘纵向正应力表现为槽口外侧高内侧低；双线U形轨道梁由于施加了横向预应力，跨中截面上缘纵向正应力正好与单线梁相反，表现为槽口外侧低内侧高。单线U形轨道梁跨中截面上下缘的平均纵向正应力（压）分别为-13.31，-0.35 MPa；双线U形轨道梁跨中截面上下缘的平均纵向正应力（压）分别为-10.99，-0.20 MPa。单线、双线U 形轨道梁跨中截面道床板下缘纵向正应力在横桥向大致呈倒U形分布，主梁下缘纵向正应力（压）最大，主梁至道床板中心纵向正应力逐渐减小。

表2 单线、双线U形轨道梁关键截面纵向正应力

2）梁体竖向变形

运营阶段跨中最不利活载作用下，单线、双线U形轨道梁跨中下缘道床板竖向位移在横桥向上大致呈U形，见图4（坐标原点位于梁截面中心处）。道床板边至道床板中心竖向位移逐渐增加，道床板中心竖向位移最大，单线、双线U形轨道梁跨中下缘竖向位移平均值分别为-9.04，-8.58 mm。静活载作用下道床板的竖向挠度大于两侧主梁的竖向挠度，单线、双线梁跨中静活载竖向挠度平均值分别为6.87，5.36 mm，挠跨比分别为1/3 406，1/4 366。

图4 U形轨道梁跨中截面竖向位移

梁体终张拉时，单线U 形轨道梁跨中主梁的上拱度略高于道床板的上拱度，双线U 形轨道梁因布设了横向预应力筋，跨中道床板的上拱度略高于主梁的上拱度。单线、双线U 形轨道梁的梁体平均上拱度分别为4.34，0.49 mm。

3）梁体横向变形

竖向荷载作用下U 形轨道梁除发生竖向变形外，还会发生横向变形。一般情况下，主梁在竖向荷载作用下会发生向槽内倾斜的变形，槽口会减小。

图5 U形轨道梁槽口变形曲线

运营阶段跨中最不利活载作用下U 形轨道梁的槽口变形曲线见图（5）（坐标原点位于梁端），可知单线U 形轨道梁横桥向最大变形大致位于跨中，最小变形位于梁端横梁附近，桥轴线方向槽口变形量呈W 形分布；双线U 形轨道梁横桥向最大变形位于梁端部，最小变形大致位于跨中，桥轴线方向槽口变形量呈U形分布，跨中区段槽口变形量相差较小。

综合分析可知，在竖向荷载作用下U 形轨道梁的槽口总体呈缩小的趋势，道床板上施加横向预应力有利于控制梁体横向变形。

3.3 结构自振特性

简支梁的自振特性与其计算跨度、结构刚度和质量密切相关。当计算跨度、材料弹性模量和截面几何构造尺寸确定时，梁部结构质量对自振频率和振型影响较大。模态分析结果表明，单线、双线U形轨道梁的自振频率和振型特征存在一定差异，双线梁的自振频率较单线梁的小，二者的低阶振动形态大体相同，高阶振动形态基本不同（见表3）。

表3 结构自振频率与振型特征

单线梁和双线梁的前4阶振型特征基本一致，第1阶、2 阶振型以主梁的竖向弯曲振动为主，表现为道床板随主梁同幅振动，第3 阶振型以道床板的竖向振动为主，表现为主梁随道床板一同振动，第4阶振型表现为主梁与道床板同向振动。由于单、双线U 形轨道梁的结构质量和道床板宽度不同，从第5阶振型开始，二者的振动形态不尽相同。

振型分析结果表明，U 形轨道梁的振动主要表现为梁板相互作用共同参与振动，与简支板梁的振动有所区别［9］。

4 结论

本文通过比选京张高铁清河站高铁轨道梁的结构设计方案，研究分析单线、双线U 形轨道梁的几何参数及竖向荷载作用下的力学特性。得到以下结论：

1）站内采用U 形轨道梁跨越可提供在上下建筑高度同时受限条件下结构承载所需的梁高，能有效满足车站内不同线路条件下高速列车运行的需要。

2）竖向荷载作用下单线、双线U 形轨道梁呈现明显的空间特性，跨中最不利活载作用下梁体上下缘纵向正应力分布不均。

3）竖向荷载作用下单线、双线U 形轨道梁的槽口总体呈缩小趋势，道床板上施加横向预应力对于控制梁体应力和结构变形有利。

4）单线、双线U 形轨道梁的低阶振动形态大体相同，高阶振动形态有所区别。