客運(yùn)專線鐵路簡支梁橋墩臺(tái)縱向線剛度分析研究

魏 峰，牛 斌，季文玉

(1.北京交通大學(xué)，北京 100044;2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

在我國客運(yùn)專線和高速鐵路建設(shè)中，為保證線路的高平順性、乘坐舒適度等要求，廣泛采用了跨區(qū)間無縫線路技術(shù)，并大量采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。由于新建客運(yùn)專線橋梁比例很大，為保證橋梁及橋上無縫線路的穩(wěn)定性與運(yùn)營安全性，應(yīng)特別注意溫度變化、列車制動(dòng)和起動(dòng)等因素引起的線路與橋梁的相互作用，檢算由此產(chǎn)生的鋼軌附加應(yīng)力及墩臺(tái)附加力。通過計(jì)算在不同荷載工況及其組合作用下軌道及橋梁結(jié)構(gòu)受力，驗(yàn)證橋上無縫線路鋼軌附加力及橋梁墩臺(tái)附加力不超過一定的安全限值。當(dāng)橋上無縫線路鋼軌附加力超過允許值時(shí)，要在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器。

以往的試驗(yàn)研究成果表明，在列車制動(dòng)作用下橋梁墩臺(tái)產(chǎn)生的墩臺(tái)頂縱向制動(dòng)附加力及其分布除受輪軌黏著系數(shù)及線路阻力參數(shù)影響外，主要由墩臺(tái)頂縱向水平剛度及相鄰墩臺(tái)頂剛度匹配所決定，這一現(xiàn)象在大跨度連續(xù)梁上尤為明顯。墩頂剛度越小，橋梁所受墩頂制動(dòng)力越小，但鋼軌制動(dòng)附加力越大。增大墩頂剛度可使鋼軌制動(dòng)附加力減小，但將使得墩頂制動(dòng)力增大，同時(shí)使得工程造價(jià)提高且影響橋梁整體美觀性能。因此，確定合理的墩頂剛度限值對于橋梁及線路設(shè)計(jì)尤為重要。

長期以來，德、日、法等國針對梁軌共同作用開展了系列研究工作，取得了大量科研成果，并通過實(shí)橋試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。由于國外高速鐵路橋梁比例相對小，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)多采用梁軌共同作用計(jì)算模型對鋼軌附加力、墩頂縱向力進(jìn)行計(jì)算。鑒于我國客運(yùn)專線橋梁比例大的特點(diǎn)，采用該方法將大量增加設(shè)計(jì)計(jì)算工作。我國現(xiàn)行《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》以“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃相關(guān)專題研究成果為基礎(chǔ)，規(guī)定了有砟軌道簡支橋梁墩臺(tái)縱向線剛度限值，在墩頂剛度滿足限值要求條件下，可不進(jìn)行縱向力檢算。

1 我國有關(guān)橋梁墩臺(tái)縱向線剛度研究現(xiàn)狀

1.1 橋梁墩臺(tái)縱向線剛度的定義

使橋梁墩臺(tái)支承墊石頂產(chǎn)生單位縱向水平位移時(shí)所需的縱向作用力稱之為墩臺(tái)縱向線剛度K，計(jì)算式為

式中 ∑δi= δp+δφ+δh

H——作用在墩臺(tái)支承墊石頂?shù)目v向水平力，kN;

δp——在H作用下，由于墩臺(tái)身彎曲引起的墩臺(tái)支承墊石頂縱向水平位移，cm;

δφ——在H作用下，由于基礎(chǔ)傾斜彎曲引起的墩臺(tái)支承墊石頂縱向水平位移，cm;

δh——在H作用下，由于基礎(chǔ)平移引起的墩臺(tái)支承墊石頂縱向水平位移，cm。

此外，還應(yīng)考慮由于支座剪切變形引起的墩臺(tái)支承墊石頂縱向水平位移，如圖1所示。

歐洲部分國家在縱向剛度研究中還考慮了快速制動(dòng)作用時(shí)墩頂剛度可有所提高，并提出了墩頂動(dòng)剛度的概念。鐵道科學(xué)研究院曾采用橋墩模型進(jìn)行了制動(dòng)模擬加載試驗(yàn)，結(jié)果表明在制動(dòng)力作用下墩身縱向剛度提高幅度較小(<3%)，已完成的現(xiàn)場橋梁縱向力試驗(yàn)也表明制動(dòng)力作用下墩頂剛度與計(jì)算靜剛度基本一致。因此，對于常用跨度橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)可不考慮制動(dòng)力作用下墩頂剛度提高的影響，按現(xiàn)行鐵路規(guī)范中的方法計(jì)算墩頂剛度能夠滿足當(dāng)前工程需要。

圖1 墩臺(tái)頂縱向線剛度示意

1.2 《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中相關(guān)規(guī)定

我國《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中規(guī)定，鋪設(shè)焊接長鋼軌的混凝土簡支梁，墩臺(tái)縱向水平線剛度應(yīng)滿足表1所列數(shù)值要求。

表1 墩臺(tái)縱向水平線剛度(雙線)

在上述規(guī)定的制訂中，主要針對有砟軌道，并從以下兩方面因素考慮:

1)橋上軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性。為保證橋上軌道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在“八五”、“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃相關(guān)專題研究中，建議當(dāng)采用UIC60鋼軌時(shí)，鋼軌附加應(yīng)力應(yīng)不超過 +81 MPa(拉)和 －61 MPa(壓)的限值。考慮由于列車制動(dòng)/起動(dòng)、梁體溫度變化和撓曲力引起的鋼軌附加應(yīng)力，計(jì)算鋼軌附加應(yīng)力的荷載組合為:①鋼軌制動(dòng)力+鋼軌伸縮力，②鋼軌制動(dòng)力+鋼軌撓曲力，取二者中較大值檢算鋼軌附加應(yīng)力是否滿足限值要求。

2)制動(dòng)力作用下梁軌快速相對位移。對于有砟軌道鐵路，為保持橋上軌道的橫向阻力及軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要求梁軌之間的快速相對位移不得超過4 mm。應(yīng)力限值與位移限值這兩項(xiàng)指標(biāo)與橋梁的跨度、墩臺(tái)縱向線剛度是密切相關(guān)的，當(dāng)墩臺(tái)縱向線剛度達(dá)到一定值時(shí)，橋上線路可不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器就可保證鋼軌強(qiáng)度和軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，必須對不同跨度的橋梁墩臺(tái)縱向線剛度加以限制。

1.3 我國橋梁墩臺(tái)縱向力研究現(xiàn)狀

我國對于軌道結(jié)構(gòu)與橋梁相互作用的研究始于20世紀(jì)80年代。通過國家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“高速鐵路線橋隧設(shè)計(jì)參數(shù)選擇研究”、“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“高速鐵路線橋結(jié)構(gòu)與技術(shù)條件(標(biāo)準(zhǔn))的研究”等項(xiàng)目的研究，制訂了我國有關(guān)橋上無縫線路的相關(guān)規(guī)定，并編制《時(shí)速200公里新建鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》。在秦沈客運(yùn)專線，首次開展了較為完整的“橋梁縱向力綜合始于研究”項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，研究制訂了《新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)及縱向力計(jì)算暫行規(guī)定》，并在《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中采納。通過前期開展的各項(xiàng)研究，特別是秦沈客運(yùn)專線橋梁縱向力綜合試驗(yàn)，在橋梁縱向力方面得出了大量科研成果和研究結(jié)論。

2 簡支梁橋梁軌共同作用計(jì)算模型及條件

2.1 計(jì)算模型

軌道結(jié)構(gòu)與橋梁共同作用的力學(xué)計(jì)算模型采用平面桿系(圖2)，通過軌道縱向位移阻力與梁軌相對位移的非線性關(guān)系將兩者結(jié)合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，模擬該關(guān)系采用間距為1 m的非線性抗彎桿件，梁跨撓曲產(chǎn)生的上下緣位移通過加設(shè)剛臂來實(shí)現(xiàn)，活動(dòng)支座不考慮摩阻，固定支座不考慮裝配間隙，橋外路基上的鋼軌長度≥L+40 m(L為簡支結(jié)構(gòu)的跨度或連續(xù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)長)。該模型經(jīng)國內(nèi)實(shí)橋測試結(jié)果和國外資料的驗(yàn)證，結(jié)果相當(dāng)吻合。

2.2 計(jì)算參數(shù)及限值

計(jì)算參數(shù)及相關(guān)限值如表2所示。

圖2 梁軌共同作用力學(xué)計(jì)算模型示意

表2 計(jì)算參數(shù)及相關(guān)限值

3 常用跨度簡支梁橋墩臺(tái)縱向線剛度研究

進(jìn)行常用跨度簡支梁橋墩臺(tái)縱向剛度分析研究時(shí)，主要考慮橋上有砟軌道和無砟軌道兩種情況，其中無砟軌道橋梁分別進(jìn)行了采用常阻力及小阻力扣件條件下的縱向力分析。計(jì)算假定如下:①橋臺(tái)的縱向剛度按3 000 kN/(cm·雙線)計(jì)算;②采用單線橋梁進(jìn)行墩臺(tái)縱向剛度限值計(jì)算分析。

3.1 有砟軌道簡支梁橋

跨度20～48 m簡支梁橋鋼軌附加最大應(yīng)力隨墩臺(tái)縱向線剛度變化的計(jì)算結(jié)果(見圖3)表明，在計(jì)算所考慮的墩臺(tái)縱向線剛度條件下，鋼軌附加應(yīng)力均未超過無縫線路鋼軌附加應(yīng)力限值，因此無縫線路鋼軌附加應(yīng)力并不控制有砟軌道橋梁墩臺(tái)縱向剛度的設(shè)計(jì)，說明現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的墩臺(tái)縱向剛度限值規(guī)定基本合理。

不同橋墩縱向線剛度條件下梁軌快速相對位移與跨度的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)橋墩縱向線剛度相同時(shí)，梁軌快速相對位移隨跨度的增大基本呈線性增大;當(dāng)橋墩縱向線剛度較小時(shí)，梁軌快速相對位移隨跨度的增幅較大，當(dāng)橋墩縱向線剛度較大時(shí)，梁軌快速相對位移隨跨度的增幅較小。

3.2 無砟軌道簡支梁橋

對于無砟軌道，由于不存在梁軌相對位移過大引起的道砟分散危害，故梁軌快速相對位移對墩臺(tái)縱向線剛度限值并不起控制作用。

圖3 鋼軌最大附加力隨橋墩縱向線剛度變化

圖4 梁軌快速相對位移與跨度關(guān)系

3.2.1 采用常阻力扣件

跨度20～48 m簡支梁橋采用常阻力扣件時(shí)，不同墩臺(tái)縱向剛度條件下鋼軌附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(圖5)說明，除跨度48 m簡支梁橋在橋墩縱向剛度300 kN/cm時(shí)(規(guī)范限值單線為500 kN/cm)鋼軌附加應(yīng)力超過85 MPa外，跨度20～40 m簡支梁橋的鋼軌附加應(yīng)力均未超過85 MPa的限值。因此，對于采用常阻力扣件的無砟軌道的常用跨度簡支梁橋，與有砟軌道類似，橋上鋼軌附加應(yīng)力也并不控制橋梁墩臺(tái)縱向剛度的設(shè)計(jì)。

圖5 鋼軌最大附加力隨橋墩縱向線剛度變化

3.2.2 采用小阻力扣件

跨度20～48 m簡支梁橋采用小阻力扣件時(shí)，不同墩臺(tái)縱向剛度條件下鋼軌附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(圖6)說明，采用小阻力扣件可以有效地降低鋼軌的附加應(yīng)力，對于常用跨度簡支梁橋，橋上鋼軌附加應(yīng)力仍不控制橋梁墩臺(tái)縱向剛度的設(shè)計(jì)。

3.2.3 常阻力與小阻力扣件情況下鋼軌附加應(yīng)力比較

不同橋墩縱向線剛度時(shí)，常阻力扣件情況下比小阻力扣件情況小鋼軌附加應(yīng)力增大比例見表3。從表中可以看出，隨橋墩縱向線剛度的增加，鋼軌附加應(yīng)力增大幅值越大;橋梁墩臺(tái)剛度越大時(shí)，線路縱向阻力對鋼軌附加力的影響越明顯。

圖6 鋼軌最大附加力隨橋墩縱向線剛度變化

表3 鋼軌附加應(yīng)力增大比例(常阻力扣件與小阻力扣件比較)

3.3 簡支梁橋墩臺(tái)制動(dòng)力

當(dāng)列車在簡支梁橋上制動(dòng)時(shí)，由于梁軌共同作用關(guān)系，除引起鋼軌附加力外，同樣還會(huì)在墩臺(tái)頂部產(chǎn)生墩臺(tái)制動(dòng)力。計(jì)算結(jié)果分析表明，不同軌道結(jié)構(gòu)形式條件下墩臺(tái)制動(dòng)力隨橋墩縱向線剛度變化趨勢一致，其中有砟軌道與采用小阻力扣件的計(jì)算結(jié)果更為接近;橋墩制動(dòng)力隨著橋墩縱向線剛度的增大而增大，橋墩剛度較小時(shí)橋墩制動(dòng)力增長較快，當(dāng)橋墩剛度 >1 000 kN/cm后，橋墩制動(dòng)力增長較為緩慢并趨于穩(wěn)定，其最大值約為一跨梁上所有制動(dòng)荷載之和;與橋墩制動(dòng)力規(guī)律相反，橋臺(tái)制動(dòng)力隨著橋墩縱向線剛度的增大而減小，橋墩剛度較小時(shí)橋臺(tái)制動(dòng)力減小較快，當(dāng)橋墩剛度>1 000 kN/cm后，橋墩制動(dòng)力增長也逐漸趨緩。

表4列出了在滿足墩臺(tái)線最小剛度條件下，跨度20～48 m簡支梁橋墩頂、橋臺(tái)最大制動(dòng)力的計(jì)算結(jié)果及按現(xiàn)行“規(guī)范”規(guī)定10%豎向活載計(jì)算的相應(yīng)制動(dòng)力。

上述計(jì)算結(jié)果表明，與前期研究結(jié)論類似，跨度<20 m的橋梁的制動(dòng)力與“暫規(guī)”規(guī)定基本相當(dāng);跨度>24 m簡支梁及不同跨度橋梁橋臺(tái)，墩臺(tái)制動(dòng)力一般均遠(yuǎn)大于現(xiàn)行“暫規(guī)”規(guī)定。因此，如果按設(shè)計(jì)活載計(jì)算橋梁的制動(dòng)力，《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中墩臺(tái)有效制動(dòng)力按10%豎向活載取值的規(guī)定明顯偏小。

3.4 簡支梁橋墩臺(tái)縱向線剛度限值

根據(jù)客運(yùn)專線鐵路橋上鋼軌附加應(yīng)力限值及梁軌快速相對位移限值控制要求，當(dāng)橋梁不設(shè)置縱向傳力裝置或橋上鋼軌不設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，有砟軌道簡支梁橋橋墩頂縱向水平線剛度限值列于表5中。橋臺(tái)縱向水平線剛度不宜小于3 000 kN/(cm·雙線)。

表4 不同跨度簡支梁橋墩臺(tái)頂最大制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

表5 簡支梁橋墩縱向水平線剛度限值K kN/(cm·線)

對于無砟軌道橋梁，雖然鋼軌附加應(yīng)力并不控制橋墩剛度的設(shè)計(jì)，但橋墩剛度下降后，橋臺(tái)承受的縱向力將進(jìn)一步增大;同時(shí)，雖然無砟軌道對梁軌快速相對位移并無規(guī)定，但過大的相對位移可能會(huì)對扣件系統(tǒng)帶來不利影響。因此，常用跨度無砟軌道橋梁的墩臺(tái)縱向剛度可按有砟軌道橋梁取值。

4 雙線簡支梁橋墩臺(tái)縱向線剛度

現(xiàn)行“規(guī)范”中給出的是雙線橋梁墩臺(tái)縱向剛度限值，對于單線橋梁按1/2取值。由于在前期規(guī)范制訂過程中，計(jì)算模型也是采用單線并考慮雙線制動(dòng)/起動(dòng)的工況。從當(dāng)前我國新建客運(yùn)專線的整體情況來看，區(qū)間線路大多采用雙線整孔橋梁結(jié)構(gòu)，而在區(qū)間線路上，同時(shí)出現(xiàn)兩線制動(dòng)、啟動(dòng)的概率極低，因此對于雙線簡支橋梁，縱向剛度限值若簡單按單線的2倍進(jìn)行限制則過于保守。

考慮到當(dāng)前客運(yùn)專線實(shí)際運(yùn)營列車豎向靜活載效應(yīng)不超過設(shè)計(jì)靜活載效應(yīng)的45%，因此，規(guī)范規(guī)定的墩臺(tái)縱向線剛度尚有一定安全儲(chǔ)備。同時(shí)，在我國鐵路《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中規(guī)定，“同時(shí)承受多線列車活載的橋跨結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)，其列車豎向活載對主要桿件雙線應(yīng)為兩線列車活載總和的90%”。

基于上述考慮，常用跨度雙線簡支梁橋墩臺(tái)的最小水平線剛度限值按單線橋梁的1.6倍取值為宜。

5 結(jié)語

本文提出了客運(yùn)專線常用跨度簡支橋梁墩臺(tái)縱向線剛度限值建議，可供相關(guān)設(shè)計(jì)、研究參考。橋上鋪設(shè)CRTSⅡ型板式無砟軌道后，“兩布一膜”滑動(dòng)層的采用使縱向力傳力途徑發(fā)生改變，梁軌共同作用機(jī)理發(fā)生變化，在此情況下橋梁墩臺(tái)縱向線剛度的合理取值還有待進(jìn)一步研究。

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