高速鐵路混凝土梁式橋預拱度設置的探討

喬晉飛

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

鐵路橋梁的預拱度由兩部分組成：恒載預拱度和活載預拱度?；钶d預拱度是將軌道結構隨梁體一同設置1/2靜活載的預拱度，列車經(jīng)過時軌面只產(chǎn)生一半的活載下?lián)狭?相對設計標高)，使運營線路更加平順。實際高速鐵路混凝土梁式橋的軌道結構是按照線路設計縱斷面進行施工的，軌面并未平行與梁面設置活載預拱度。許多工程師提出高速鐵路混凝土梁式橋不應再按照規(guī)范要求設置活載預拱度，只需設置恒載預拱度即可。原因是混凝土梁式橋的豎向剛度較普通鐵路梁式橋增大較多，混凝土梁式橋的體量相應增大，活載產(chǎn)生的位移比恒載產(chǎn)生的位移小?；诖?，本文將列車荷載假設為靜荷載，不考慮其動效應，對高速鐵路混凝土梁式橋的預拱度設置進行深入的分析和探討，對是否設置預拱度提出建議，并對特大跨度橋梁預拱度設置進行簡要分析。

1 規(guī)范中的預拱度設置要求及分析

鐵路橋梁設計規(guī)范中關于預拱度的設置，TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》[1]沿用了TB 10002.3—99《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》的規(guī)定[2]：“當橋跨結構恒載及靜活載引起的豎向撓度大于15 mm或跨度的 1/1 600 時，應設置其值為恒載和1/2靜活載撓度的預拱度”。目的是保證橋梁建成后梁體跨中(包括橋梁上的軌面)可維持半個活載撓度的上拱度，如圖1所示。列車經(jīng)過時橋梁及軌道只產(chǎn)生1/2靜活載的撓度，線路不會產(chǎn)生過大的下?lián)喜黄巾?。從側面觀察梁體也不會產(chǎn)生明顯的“塌腰式”下?lián)蟍3-4]，視覺上能給人安全感。

圖1 設置活載預拱度

一般梁式橋設置預拱度的目的主要是考慮視覺和心理上的感受[3-4]。因為列車上橋后，列車荷載產(chǎn)生的結構變形量是客觀存在的，與是否設置預拱度無關，軌道結構豎向變形幅度與橋梁結構相同。TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[5]中對預拱度設置沒有專門的規(guī)定，過去的高速鐵路橋梁設計中均按照TB 10002.3—2005執(zhí)行。但TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》[6]發(fā)布后，對TB 10002.3—2005中的預拱度設置進行了修訂，具體規(guī)定如下：“有砟軌道的橋跨結構恒載及靜活載引起的豎向撓度大于15 mm或跨度的 1/1 600，無砟軌道的橋跨結構恒載及靜活載引起的豎向撓度大于5 mm時，橋跨結構應設置預拱度，其曲線與恒載及1/2靜活載所產(chǎn)生的撓度曲線基本相同，但方向相反”。TB 10092—2017中，對有砟軌道橋梁與無砟軌道橋梁預拱度設置的前提條件進行了區(qū)分，體現(xiàn)了對無砟軌道橋梁線形更為嚴格的要求。實際在梁式橋上鋪設線路時是按照線路設計縱斷面的標高進行鋪設的，線路的平順性與梁面的平順性沒有直接的關系。TB 10092—2017編制時是否有必要改變無砟軌道橋梁預拱度設置的前提條件值得商榷。

2 活載預拱度的作用

活載預拱度的作用是當列車經(jīng)過時使軌面相對于設計標高只產(chǎn)生一半的活載下?lián)狭?，保證運營線路更加平順，同時使梁體不產(chǎn)生明顯的下?lián)?，給人以安全感。其實更主要的是出于后者的考慮，因為軌面的平順不是“絕對平順”，而是“動態(tài)平順”。只要列車經(jīng)過時軌面曲率在一定范圍內(nèi)，就能滿足列車運營安全性和旅客乘坐舒適性的要求。假設橋梁為剛體，軌道結構按照設計的線路縱斷面鋪設(本文不考慮線路平面問題)，即軌面達到設計標高后，列車經(jīng)過時軌面高程不會發(fā)生變化(實際軌面是會發(fā)生彈性變形的)，軌面始終保持在理想的設計位置，線路處于絕對平順狀態(tài)。實際上由于橋梁不是剛體，列車經(jīng)過時必然發(fā)生豎向撓曲變形，附著在橋面上的軌道結構也會隨同橋面發(fā)生相應的撓曲(主要指下?lián)?，如圖2所示。然而，即使設置了活載預拱度，也不能保證列車經(jīng)過橋梁時軌面處于絕對平順狀態(tài)。

圖2 不設置活載預拱度

3 軌道鋪設與活載預拱度設置的矛盾

由于實際軌道結構施工時是按照線路設計縱斷面的標高進行施工的[7](特大跨度橋梁除外)，因此無論橋梁結構設置了何種預拱度，軌道結構施工時都通過道砟(有砟軌道)或底座板(無砟軌道)將軌面調整至設計標高，軌面與梁面并不平行(特大跨度橋梁除外)。橋梁工程師設置的1/2靜活載預拱度并沒有真正體現(xiàn)在軌面上，反而減小了橋梁跨中道砟或底座板的厚度。因為軌面高程沒變，鋪軌前梁體已向上拱起，如圖3所示。列車經(jīng)過時軌面隨梁體下?lián)?，軌面高程偏離設計縱斷面位置，偏離量不是1/2靜活載的下?lián)狭?，而?倍靜活載的下?lián)狭?，說明活載預拱度對線路平順性沒有產(chǎn)生作用。不過實踐證明，這種線路隨梁體產(chǎn)生的動態(tài)撓曲變形量仍滿足高速鐵路列車運營安全性和旅客乘坐舒適性的要求。

圖3 軌面未設置預拱度

若只設置恒載預拱度，不設置1/2靜活載預拱度，列車經(jīng)過時軌面下?lián)狭颗c圖3中軌面下?lián)狭肯嗤彩?倍靜活載的下?lián)狭?，可以滿足運營要求。同時，此種方法還能避免出現(xiàn)圖3中跨中道砟或底座板太薄的問題，使道砟厚度與底座板厚度均能按照設計要求進行施工，不必根據(jù)實際情況進行調整。 另外，高速鐵路ZK列車荷載圖式靜效應與實際動車組靜效應差別較大，實際動車組較輕，實車產(chǎn)生的靜活載撓度要比ZK靜活載撓度小得多。若按規(guī)范要求采用“恒載+1/2 ZK靜活載”設置預拱度，那么在實際工況中預拱度設計偏高。因此，許多高速鐵路梁式橋設計中均未設置活載預拱度，只是設置了恒載預拱度。理論分析及運營實踐均證明高速鐵路梁式橋不設置活載預拱度是可行的。

4 特大跨度橋梁預拱度的設置

對于特大跨度橋梁，如我國已建成的多座跨越長江的高速鐵路橋梁，其靜活載產(chǎn)生的撓度較大。橋梁設置恒載、活載預拱度后，橋面高程已高于設計軌面高程，線路鋪設時只能平行橋面鋪設，軌道結構與梁體一同設置了活載預拱度。實踐證明，只要線路鋪設時滿足軌道靜態(tài)驗收標準中的平順性要求，橋梁動力仿真滿足規(guī)范要求，軌道鋪設時軌面是否隨同梁面一同設置預拱度，是否與線路設計高程完全一致，以及運營時線路高程隨同橋梁發(fā)生何種動態(tài)變形，都不會影響高速列車運營安全性和旅客乘坐舒適性。

5 結論

1)對于一般高速鐵路混凝土梁式橋，建議不設置活載預拱度。

2)是否設置活載預拱度，與靜活載產(chǎn)生的絕對位移量及靜活載撓跨比有關，建議作深化研究，在規(guī)范中明確設置活載預拱度的前提條件。

3)橋梁規(guī)范中有預拱度設置的規(guī)定，但線路規(guī)范并未與之相協(xié)調，導致不論橋梁是否設置活載預拱度，軌面施工時均未考慮。橋梁活載預拱度并未起到使運營線路更加平順的作用，建議線路規(guī)范中應增加預拱度設置的規(guī)定，與橋梁規(guī)范相協(xié)調。