高速鐵路大跨度橋梁溫度作用下軌道靜態(tài)平順性能分析

翟建平，徐升橋，任為東

(1.南廣鐵路有限責(zé)任公司，南寧 530022；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

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高速鐵路大跨度橋梁溫度作用下軌道靜態(tài)平順性能分析

翟建平1，徐升橋2，任為東2

(1.南廣鐵路有限責(zé)任公司，南寧 530022；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

以南廣鐵路主跨450 m的西江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃Y(jié)合工務(wù)部門的軌道實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)，對(duì)西江橋的軌面靜態(tài)不平順進(jìn)行分析。結(jié)果表明，較大的溫度變形并不是造成軌道靜態(tài)尺寸不達(dá)標(biāo)的原因，只要在軌道精調(diào)階段摸清橋面溫度變形特點(diǎn)，控制好軌道調(diào)整精度，就可以滿足軌道高低偏差管理值要求。

高速鐵路；橋梁；有砟軌道；軌道不平順；溫度變形

1 工程概況

南(寧)至廣(州)鐵路設(shè)計(jì)速度為250 km/h。其中跨越西江處的西江大橋全長(zhǎng)618.3 m，橋跨布置為(41.2+486+49.1) m鋼箱提籃拱橋+1-32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁。主跨為中承式拱橋，拱腳中心間距450 m，拱肋為鋼箱結(jié)構(gòu)，其450 m跨徑，屬目前世界同類鐵路鋼拱橋最大跨度。

本橋設(shè)計(jì)為雙線有砟軌道，線間距為4.6 m。線路平、縱斷面設(shè)計(jì)為直線、平坡，正線軌道設(shè)計(jì)為跨區(qū)間無(wú)縫線路，有砟軌道[1]。

全橋立面見(jiàn)圖1。

2 大跨度橋梁溫度變形對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)的影響分析

圖1 全橋立面(單位：cm)

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的溫度變形比活載引起的結(jié)構(gòu)變形還大。溫度變形只與結(jié)構(gòu)的材料、長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，大跨度鐵路橋梁結(jié)構(gòu)一般都會(huì)允許結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下發(fā)生較大的變形以釋放溫度內(nèi)力。對(duì)于梁式橋，其梁體本身在整體升降溫時(shí)只產(chǎn)生縱橋向的伸縮變形，豎向不會(huì)發(fā)生變形，但是大跨度梁式橋?yàn)榧哟罂缍龋话愣纪ㄟ^(guò)拉索體系進(jìn)行跨中支撐，而索體在溫度荷載下產(chǎn)生的變形改變了梁體的豎向約束條件，這時(shí)梁體同樣會(huì)產(chǎn)生較大的豎向變形；對(duì)于拱式結(jié)構(gòu)為受力主體的橋梁，由于拱在溫度荷載下的變形特點(diǎn)，縱橋向由于拱腳約束不會(huì)產(chǎn)生變形，變形便發(fā)生在豎橋向。如武漢天興洲公鐵兩用橋在斜拉索單獨(dú)降溫10 ℃時(shí)，主跨跨中即可產(chǎn)生80 mm向上的豎向位移，京滬高速鐵路大勝關(guān)大橋主橋體系升溫10 ℃，跨中橋面產(chǎn)生40 mm的向上位移。西江橋的受力體系為無(wú)鉸拱，根據(jù)計(jì)算環(huán)境溫度升(降)溫1 ℃時(shí)，跨中橋面變形為+5.72 mm(-5.72 mm)。雖然溫度荷載下大跨度橋都會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變形，但是由于結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，大跨度橋梁的溫度變形曲線都為一圓滑的豎曲線。

以南廣西江橋?yàn)槔?，雖然溫度變形很大，但是溫度變形對(duì)橋面豎曲線的影響卻很小。西江橋拱頂升溫20 ℃時(shí)的跨中橋面最大變形為5.72×20=114.4 mm，線路設(shè)計(jì)為平坡，由于溫度變形引起線路在橋上產(chǎn)生豎曲線，根據(jù)變形值，計(jì)算其豎曲線半徑R=222 039 m，遠(yuǎn)大于規(guī)范中250 km/h設(shè)計(jì)速度的豎曲線半徑限值要求。規(guī)范[2]條文說(shuō)明5.3.4中解釋：線路豎曲線半徑由旅客舒適度要求控制，即受列車運(yùn)行于豎曲線產(chǎn)生的豎向離心加速度a限制的最小豎曲線半徑為：R≥V2/(3.62a)。其中，a為乘客舒適度允許的豎向離心加速度，根據(jù)國(guó)外高速鐵路經(jīng)驗(yàn)取值，一般情況下為0.4 m/s2，困難時(shí)滿足0.5 m/s2，相應(yīng)地R≥0.193v2或R≥0.15v2，這也是現(xiàn)行高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中豎曲線半徑下限值取值的依據(jù)?？梢?jiàn)，即使考慮溫度變形對(duì)西江橋橋面縱斷豎曲線的影響，由此產(chǎn)生的列車豎向離心加速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于舒適度允許的0.4 m/s2。

假設(shè)西江橋的理論軌面豎曲線半徑按25 000 m設(shè)置，滿足規(guī)范的最小要求，考慮升溫變形疊加后的豎曲線半徑變?yōu)?2 460 m。進(jìn)一步分析，考慮溫度變形對(duì)軌面豎曲線的影響，只要西江橋橋面上的豎曲線半徑設(shè)置大于28 000 m，就可以滿足旅客舒適度的要求，這也從西江橋車橋耦合分析結(jié)論[3]和動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試中列車的最高運(yùn)行速度得到了驗(yàn)證。

大跨度橋梁一般情況下線路都位于平坡或大半徑豎曲線上，所以對(duì)于大跨度橋梁雖然溫度變形大，但是由于溫度變形產(chǎn)生的橋面豎向曲線都為一圓滑曲線，所以溫度變形對(duì)于高速列車運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3 實(shí)測(cè)軌面高程分析

3.1 實(shí)測(cè)軌面高程的動(dòng)態(tài)性能分析

根據(jù)對(duì)橋梁在溫度荷載作用下的變形分析可得出不同環(huán)境溫度下的理論軌面高程，但由于實(shí)際橋梁跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同部位所處的日照、風(fēng)吹等外部環(huán)境不同，且實(shí)際溫度場(chǎng)情況非常復(fù)雜，致使實(shí)測(cè)高程與理論高程可能產(chǎn)生差異。

2014年11月對(duì)試運(yùn)行階段的西江特大橋跨中橋面高程進(jìn)行了十多天的連續(xù)測(cè)量，其中夜間的實(shí)測(cè)高程和計(jì)算值最大偏差值11.9 mm，白天測(cè)量的最大偏差22 mm，在此情況下試運(yùn)營(yíng)期間動(dòng)態(tài)檢測(cè)車最高速度達(dá)到272 km/h[4]，各項(xiàng)實(shí)測(cè)指標(biāo)均合格，實(shí)驗(yàn)表明西江特大橋的行車性能完全滿足設(shè)計(jì)要求。工務(wù)部門2015年4月28日和5月22日兩次對(duì)西江橋軌面高程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值最大偏差為23.1 mm，但實(shí)測(cè)高程變化趨勢(shì)同理論分析基本一致?？紤]到高程測(cè)量誤差、實(shí)際環(huán)境溫度場(chǎng)同計(jì)算溫度可能產(chǎn)生的差異，最大差值23.1 mm屬于正常范疇。但是從軌道高程實(shí)測(cè)結(jié)果的曲線分析，曲線上有較為明顯的不平順，在后面的對(duì)軌面高程偏差驗(yàn)收的分析中，可見(jiàn)不滿足靜態(tài)尺寸控制管理值的點(diǎn)正是位于曲線不平順的位置。

依據(jù)廣鐵集團(tuán)工務(wù)部門和設(shè)計(jì)單位實(shí)測(cè)的橋梁軌面變形，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬分析，分析結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足時(shí)速250 km的行車要求[3]。

3.2 軌道高低靜態(tài)幾何尺寸容許偏差分析

對(duì)于實(shí)測(cè)軌面高程與對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度下理論高程的差異，可按照高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則[5]中相應(yīng)條款對(duì)軌面高程容許偏差進(jìn)行管理。如表1、表2所示。

(1)軌道靜態(tài)高低尺寸容許偏差分析(圖2)

表1 軌道靜態(tài)高低尺寸容許偏差管理值

注：高低偏差為10 m及以下弦測(cè)量的最大矢度值。

表2 軌道靜態(tài)幾何尺寸長(zhǎng)弦測(cè)量作業(yè)驗(yàn)收容許偏差管理值

注：當(dāng)弦長(zhǎng)為30 m時(shí)，相距5 m的任意兩測(cè)點(diǎn)實(shí)際矢度差與設(shè)計(jì)矢度差的偏差不得大于2 mm；當(dāng)弦長(zhǎng)為300 m時(shí)，相距150 m的任意兩測(cè)點(diǎn)實(shí)際矢度差與設(shè)計(jì)矢度差的偏差不得大于10 mm。

圖2 實(shí)測(cè)軌道高程靜態(tài)高低尺寸容許偏差分析

其中典型不平順點(diǎn)1(運(yùn)營(yíng)里程K469+120，設(shè)計(jì)里程IDK378+529.2，近小里程拱腳)的最大矢度為2 mm；典型不平順點(diǎn)2(運(yùn)營(yíng)里程K469+250，設(shè)計(jì)里程IDK378+659.2，小里程拱腳與拱頂中間位置)的最大矢度為1.5 mm；典型不平順點(diǎn)3(運(yùn)營(yíng)里程K469+360，設(shè)計(jì)里程IDK378+769.2，拱頂往大里程29 m)的最大矢度為2.1 mm；典型不平順點(diǎn)4(運(yùn)營(yíng)里程K469+560，設(shè)計(jì)里程IDK378+969.2，近大里程拱腳)的最大矢度為1.7 mm；典型不平順點(diǎn)5(運(yùn)營(yíng)里程K469+600，設(shè)計(jì)里程IDK379+009.2，2號(hào)墩與3號(hào)墩中間位置)的最大矢度為1.0 mm。

以上典型不平順點(diǎn)的最大矢度均小于3 mm，滿足軌道靜態(tài)高低尺寸容許偏差管理值的作業(yè)驗(yàn)收要求。

(2)軌道靜態(tài)幾何尺寸長(zhǎng)弦測(cè)量作業(yè)驗(yàn)收容許偏差管理值分析

①當(dāng)弦長(zhǎng)為30 m時(shí)，相距5 m的任意兩測(cè)點(diǎn)實(shí)際矢度差與設(shè)計(jì)矢度差的偏差不得大于2 mm。

②當(dāng)弦長(zhǎng)為300 m時(shí)，相距150 m的任意兩測(cè)點(diǎn)實(shí)際矢度差與設(shè)計(jì)矢度差的偏差不得大于10 mm。

圖3 軌道靜態(tài)幾何長(zhǎng)弦實(shí)測(cè)軌道容許偏差分析(點(diǎn)1)

從圖3～圖7的軌道測(cè)量結(jié)果分析，實(shí)測(cè)軌道高程均無(wú)法滿足軌道靜態(tài)幾何尺寸長(zhǎng)弦測(cè)量作業(yè)驗(yàn)收容許偏差管理值，但超出管理值不多。產(chǎn)生偏差的主要原因是因?yàn)槿珮騻€(gè)別點(diǎn)不平順引起，而由于橋面的溫度變形是平滑的，所以實(shí)測(cè)軌道高程的不平順只可能是由于前期軌道調(diào)整時(shí)個(gè)別點(diǎn)施工誤差引起的。

圖4 軌道靜態(tài)幾何長(zhǎng)弦實(shí)測(cè)軌道容許偏差分析(點(diǎn)2)

圖5 軌道靜態(tài)幾何長(zhǎng)弦實(shí)測(cè)軌道容許偏差分析(點(diǎn)3)

圖6 軌道靜態(tài)幾何長(zhǎng)弦實(shí)測(cè)軌道容許偏差分析(點(diǎn)4)

圖7 軌道靜態(tài)幾何長(zhǎng)弦實(shí)測(cè)軌道容許偏差分析(點(diǎn)5)

4 西江橋軌道靜態(tài)幾何尺寸對(duì)列車運(yùn)營(yíng)影響分析意見(jiàn)

(1)推力拱橋由于結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)，在溫度變化時(shí)拱肋發(fā)生較大的位移，從而引起軌面高程發(fā)生變化，但是由于溫度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移為圓順變化，從而反映到橋面上也只是對(duì)原軌面豎曲線的半徑帶來(lái)影響，但是此影響相當(dāng)有限，以主拱跨度450 m的南廣西江橋?yàn)槔绻袄叻秶鷥?nèi)橋面設(shè)置豎曲線半徑為25 000 m，則豎曲線的理論矢高為1.0125 m，而拱肋整體升溫20 ℃的跨中處橋面向上變形值僅為0.114 m，由此豎曲線變化后的曲線半徑為22 460 m，所以只要

拱橋范圍內(nèi)的理論軌面豎曲線設(shè)置半徑大于28 000 m，則即使考慮拱肋溫度變形，軌面豎曲線仍可滿足舒適度要求。所以溫度變形對(duì)于大跨度橋梁的橋面豎曲線影響很小，也不會(huì)降低列車運(yùn)營(yíng)的舒適度。

(2)按照高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則[5]軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值要求，分析工務(wù)部門提供的軌面實(shí)測(cè)高程，可以滿足維修規(guī)則要求。

(3)按照高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則[5]中軌道靜態(tài)幾何尺寸長(zhǎng)弦測(cè)量作業(yè)驗(yàn)收容許偏差管理值要求，分析工務(wù)部門提供的軌面實(shí)測(cè)高程，個(gè)別平順性較差的點(diǎn)比容許值偏大，但偏差值超出容許值不多，只要調(diào)整軌面高程曲線至較為圓順，即可滿足要求。

(4)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試及考慮實(shí)際軌面高程曲線作為軌道不平順進(jìn)行的列車走行性分析表明，即使實(shí)測(cè)軌面高程的靜態(tài)長(zhǎng)波不平順超出目前軌道維修規(guī)則的管理限值，但仍然可以滿足列車在設(shè)計(jì)時(shí)速下的運(yùn)營(yíng)安全和舒適性需要。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)大跨度橋梁較大的溫度變形并不是造成軌道靜態(tài)尺寸不達(dá)標(biāo)的原因，在橋面軌道精調(diào)時(shí)，只要根據(jù)溫度變形特點(diǎn)，設(shè)定好不同環(huán)境溫度下的軌道調(diào)整目標(biāo)值，將軌道高程調(diào)整為圓順曲線，即使是較難控制的靜態(tài)長(zhǎng)弦不平順也可以滿足管理值要求。

(2)隨著國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)發(fā)展，橋梁跨度越來(lái)越大，最大鐵路橋梁主跨已經(jīng)突破1 000 m。在拱橋橋型方面，除了南廣鐵路西江大橋主橋計(jì)算跨度450 m外，還有即將建成通車的云桂鐵路南盤江大橋主跨416 m、滬昆客專北盤江大橋主跨445 m[6-9]。由于橋梁跨度增加，橋面變形對(duì)溫度變化更敏感。相關(guān)科研機(jī)構(gòu)應(yīng)通過(guò)進(jìn)一步研究軌道不平順對(duì)列車運(yùn)行的影響，提出適合高速鐵路大跨度橋梁的軌道靜態(tài)平順性能控制指標(biāo)。

[1] 翟建平.南廣鐵路西江特大橋有砟軌道靜態(tài)調(diào)整技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016(10)：40-44.

[2] 國(guó)家鐵路局.TB10621—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[3] 中南大學(xué)土木工程學(xué)院.南廣鐵路肇慶西江特大橋動(dòng)力特性及列車走行性分析報(bào)告[R].長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 2015.

[4] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.南廣鐵路梧州南至廣州南段動(dòng)態(tài)檢測(cè)報(bào)告[R].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

[5] 中國(guó)鐵路總公司.TG/GW116—2013高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[6] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.大跨度中承式鋼箱拱橋建造關(guān)鍵技術(shù)研究[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2011.

[7] 翟建平.肇慶西江特大橋動(dòng)力特性分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(6)：13-17.

[8] 張華，徐升橋，彭嵐平.南廣鐵路西江特大橋總體設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu)，2015(4)：17-21.

[9] 徐升橋，彭嵐平，張華.南廣鐵路西江特大橋的技術(shù)創(chuàng)新[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(2)：50-57.

Static Irregularity Analysis of High-speed Railway Long-span Bridge Track under Temperature Load

ZHAI Jian-ping1， XU Sheng-qiao2， REN Wei-dong2

(1.Nanning-Guangzhou Railway Co.， Ltd.， Nanning 530022， China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

With reference to Nan-Guang railway Xijiang bridge of 450 m main span and based on the data of the railway track elevation measured by the works department， this paper studies the Xijiang bridge track static irregularities. The results show that the bigger temperature deformation accounts nothing for the failure to meet track static dimension standard and the track elevation can be controlled once the bridge deck deformation characteristics are investigated during track adjustment phase and track adjustment precision is controlled．

High-speed railway; Bridge; Ballasted track; Track irregularity; Temperature deformation

2016-07-04

鐵道部科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重大課題(2009G004-A)

翟建平(1966—)，男，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

1004-2954(2016)11-0030-03

U441

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.008