本刊特稿
铁路桥梁装配式桥面系结构设计
冯沛，刘凯，吴长发，饶建雄
（中国铁路设计集团有限公司土建工程设计研究院，天津300308）
摘要：根据装配式桥梁结构的需要，在综合比选多种装配式桥面系方案基础上，提出了分离式装配式桥面系结构。对分离式桥面系预制方案进行试验研究，研究此方案结构的破坏形式，分析其在脱轨荷载下的各项性能指标，确定其极限承载力，并对安全性进行评估。结果表明，装配式分离式桥面系防护墙有着良好的力学性能，能够满足实际应用需要。
关键词：铁路桥梁；装配式；桥面系；防护墙
中图分类号：U448.13文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）09-0124-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.09.124
0引言
随着我国铁路桥梁建设事业的发展，桥梁建造开始朝着预制化、装配化、一体化的方向发展。铁路桥面系的装配式技术是桥梁装配技术中的重要部分，并且对于桥梁结构也可以通过研究验证铁路结构的构件化、工厂化以及装配化的可行性为智能制造提供技术支撑和数字基础。
铁路桥梁主要采用预应力混凝土简支箱梁，其桥面附属设施包括防护墙、电缆槽及盖板、遮板、栏杆（立柱和扶手）、声屏障等。目前，高速铁路桥梁桥面附属设施的防护墙和电缆槽竖墙采用现浇钢筋混凝土结构、遮板为预制钢筋混凝土结构、电缆槽盖板为预制RPC板或钢筋混凝土板、栏杆立柱和扶手为预制钢筋混凝土结构或钢结构、声屏障为预制钢结构或混凝土结构［1-2］（
见图1）。
图1铁路箱梁桥面系示意图
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（P2018G004）第一作者：冯沛（1983—），男，高级工程师。
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根据高速铁路桥梁施工和运营状态的调研结果，现有箱梁桥面附属设施存在施工周期较长、现浇混凝土工作量大、现场施工质量难以控制、运营期间养护维修工作量大等问题。而铁路工程预制装配化可以实现工业化生产，有效提高工程品质，施工不受季节影响，施工效率及成本得到大大优化，符合我国关于绿铁路的发展要求［3-5］。
对于桥梁桥面系防护墙的设置，我国学者进行了相关研究。陆罡［6］对以实际工程防护墙为原型，对公路预制装配式防护墙进行静力加载试验研究，研究其破坏模式。陶帅［7］对公路装配式混凝土防护墙锚固方法进行改进设计，并对其施工方法进行研究。张海等［8］对提出的新型公路装配式混凝土防护墙进行有限元分析。杨斌等［9-10］以京雄项目为依托对整体式桥面系设计方案进行了研究，并通过脱轨荷载试验、承载力试验等验证了方案的安全可靠。由此可见，目前对装配式混凝土防护墙的研究仅集中在公路领域，对铁路装配式桥面系的系统研究较少，且装配式方案的类型也较少。
因此，有必要对铁路桥梁预制装配式方案进行系统
深入研究，并对提出的方案予以评估，对其相关的力学性能展开研究，以确保提出的装配式桥面系方案能够安全可靠地应用到实际，从而更好地为铁路建设事业服务。
1装配式桥面系方案的设计
根据我国高速铁路桥面布置情况，结合附属设施功能要求，通过试验研究与经验总结，提出多种可行性方案，并对所提出的方案进行对比与分析，比较各方案的优缺点。
1.1整体式方案
整体式方案为将防护墙、竖墙以及遮板等整体预制，进行整体吊装的安装方式。即将竖墙A、B及防护墙形成整体进行预制安装，为满足防护墙的受力要求，通过竖墙A以及防护墙预埋钢筋与梁体进行连接（见图2）。
1.2半分离式方案
（1）半分离式U型方案。将防护墙分离单独预制，将竖墙A、B形成整体进行预制安装的方式。为满足遮板的受力要求，通过竖墙A预埋钢筋与梁体进行连接。防护墙可以采用预制现浇或采用竖向U型钢筋与梁体连接（见图3）。
（2）半分离式W型方案。考虑将遮板分离单独与梁体共同浇筑，将竖墙B和防护墙形成整体进行预制安装的方式。防护墙及竖墙采用竖向U型钢筋与梁体连接（见图4）。
1.3分离式方案
分离式即进一步将防护墙、竖墙及遮板等分开，单独吊装和预制安装（见图5）。
将竖墙A与遮板形成整体进行预制安装，为满足受力要求，通过竖墙A预埋钢筋与梁体进行连接。防护墙可以采用预制现浇或者采用竖向钢筋与梁体连接。
竖墙B和底板形成“山”形构件，单独预制；另外，可考虑将栏杆基础缩小后同梁体一起预制后架设，防护墙单独通过灌浆套筒或灌浆波纹管与主梁连接。竖
墙和底板采用轻质混凝土形成独立式电缆槽，通过砂浆
（a）整体式灌浆套筒方案
（b）整体式灌浆波纹管方案单位：mm
图2整体式方案
与梁面连接，并通过螺栓与防护墙固定（见图6）。
1.4一体架设式方案
减小遮板和竖墙A 形成整体，且竖墙A 、B 以及防
护墙均采用钢筋混凝土结构，在预制箱梁时一起浇筑成形。步行板采用预制板，栏杆采用常规钢栏杆预制安装（见图7）。
考虑到一体架设式方案梁重较大，接近架桥机最
大承载力，因此将竖墙B 分离后期安装，仅防护墙和竖墙A 和梁一体架设，并且电缆槽不需要栏杆基础做支撑，可以将栏杆及声屏障基础做小，进一步降低结构自重。该方案见图8
。
（a ）半分离式U 型灌浆套筒方案
（b ）半分离式U 型灌浆波纹管方案
单位：mm
图
3
半分离式U 型方案
图6
分离式栏杆预制方案
图4半分离式W
型灌浆套筒方案
（a ）分离式灌浆套筒方案
（b ）分离式灌浆波纹管方案
单位：mm
图5
分离式方案
1.5
优缺点比较及推荐方案
1.5.1
连接方式优缺点比较
在防护墙（遮板）和梁体连接分灌浆套筒和灌浆
波纹管2种方式，优缺点比较见表1。
从连接可靠性上看，2者均为合适的连接方式；从构造上看，灌浆套筒所需空间小，相对容易满足构造要求；而灌浆波纹管相对成熟，且施工定位较简单。
1.5.2各方案优缺点比较（见表2）
从以上分析可以看出：
（1）整体式预制方案、半分离式方案均存在吊重大、增加连接套筒或波纹管、存放困难以及对施工工艺要求高的缺点；
（2）一体架设式方案整体性好，且可减少工程量，但是存在预制架设梁重接近架桥机极限的问题，且防护墙高度对存梁架梁有一定限制。
张敬轩
因此推荐分离式方案，考虑将栏杆或声屏障基础
（a ）一体架设式栏杆方案
（b ）一体架设式声屏障方案
单位：mm
图8
一体架设式（竖墙分离）
方案
（a ）一体架设式栏杆方案
（b ）一体架设式声屏障方案单位：mm
图7一体架设式（竖墙不分离）方案
表1
连接方式优缺点比较
同梁体一起预制，仅将防护墙与梁体进行连接，对预制架设影响小且增加工程量不大。
2装配式桥面系防护墙试验初步研究
选取推荐的分离式方案（见图9），对其防护墙的
力学性能进行研究分析。以实际高速铁路桥梁防护墙为原型（见图10），进行防护墙极限承载力试验，研究预制装配式防护墙极限承载力，并进行有限元模拟分析，验证设计方案。
依据设计的加载工况，对2种连接形式的防护墙进行加载。试验结果表明：精扎螺纹钢试件的极限承载
力为285kN ，普通钢筋连接试件的极限承载力为222kN （见图11）。由此可见，2种方案试件均有着较高的极限承载力，能满足设计荷载要求，且应有较高
的安全余量，具有良好的力学性能。
有限元模型见图12，结果见图13，精轧螺纹钢连接模型和普通钢筋连接模型的极限承载力分别为323kN 和220kN ，有限元模型结果与试验结果相比分别相差13.3%和-0.9%，说明与试验结果较为吻合。2
种连接方式的极限荷载远超过设计荷载，可以有效地承受脱轨荷载，达到设计目的。
图9分离式方案测点布置断面示意图
表2
方案优缺点比较
图10
普通钢筋连接试件防护墙裂纹分布