高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設(shè)置方法研究

譚社會(huì)

(上海鐵路局工務(wù)處，上海200071)

高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設(shè)置方法研究

譚社會(huì)

(上海鐵路局工務(wù)處，上海200071)

鋼桁梁斜拉橋是鐵路大跨度橋梁的常用形式。本文基于一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設(shè)置的工程實(shí)際，指出設(shè)計(jì)過程中的活載大小、活載加載長(zhǎng)度和施工過程中的道砟密度是導(dǎo)致鋼桁梁斜拉橋成橋后實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形差別較大的主要原因。對(duì)該橋運(yùn)營(yíng)期的動(dòng)態(tài)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，雖然最小坡段長(zhǎng)度不滿足現(xiàn)有規(guī)范，但線路動(dòng)態(tài)檢測(cè)并無Ⅱ級(jí)及以上偏差，說明坡段長(zhǎng)度并不影響旅客舒適性;該橋在列車動(dòng)荷載作用下的實(shí)際下?lián)现敌∮谠O(shè)計(jì)計(jì)算值，說明目前關(guān)于鋼桁梁斜拉橋的預(yù)拱度計(jì)算理論尚不夠精確，可進(jìn)一步完善。最后，針對(duì)已往先逐跨設(shè)置預(yù)拱度再通過坡度整改設(shè)置工后預(yù)拱度的方法，導(dǎo)致實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形相差較大的現(xiàn)實(shí)，提出了高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設(shè)置的新方法。

高速鐵路;鋼桁梁斜拉橋;預(yù)拱度;線形

1 工程背景

斜拉橋是由塔、索、梁構(gòu)成的組合體系橋，常用于鐵路大跨度橋梁中。因受結(jié)構(gòu)自重、荷載、溫度等因素的影響，成橋后其豎向線形往往會(huì)偏離理論設(shè)計(jì)線形，進(jìn)而直接影響軌道線形和行車平穩(wěn)性。因此需在施工過程中設(shè)置預(yù)拱度，從而抵消結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的撓度，使橋梁實(shí)際線形與預(yù)期狀態(tài)之間的誤差在容許范圍之內(nèi)［1-3］。

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2005)［4］，橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)預(yù)設(shè)上拱度，上拱度曲線應(yīng)與恒載和半個(gè)靜活載產(chǎn)生的撓度曲線形狀基本相同，但方向相反。

以一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋?yàn)槔摌驗(yàn)楣F合建橋梁，其中鐵路按4線設(shè)計(jì)，2線客運(yùn)專線，2線Ⅰ級(jí)干線，客運(yùn)專線設(shè)計(jì)速度250 km/h，干線設(shè)計(jì)速度160 km/h，采用有砟軌道結(jié)構(gòu);公路為雙線6車道高速公路。主橋?yàn)?90+240+630+240+90)m的3索面3主桁鋼桁梁斜拉橋，根據(jù)預(yù)拱度設(shè)置要求，邊跨、輔助跨及主跨的各跨跨中理論設(shè)計(jì)拱度分別為4，59和498 mm。

然而，按圖施工結(jié)束后對(duì)主跨跨中上拱值進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)同等工況下實(shí)測(cè)跨中上拱值為615 mm，高出設(shè)計(jì)值117 mm，超出設(shè)計(jì)24%。同樣的問題也出現(xiàn)在了工況類似的另一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋(4線)上，實(shí)測(cè)主跨跨中上拱值高出設(shè)計(jì)值100 mm，超出設(shè)計(jì)28%。

為此，線路開通前，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)單位對(duì)該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋進(jìn)行了原因分析及調(diào)坡整改。線路開通后，運(yùn)營(yíng)單位利用地基雷達(dá)干涉測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該橋進(jìn)行了活載情況下變形監(jiān)測(cè)，并結(jié)合恒載、活載數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了運(yùn)營(yíng)期該鋼桁梁斜拉橋的實(shí)際線形，在此基礎(chǔ)上結(jié)合動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)提出高速鐵路長(zhǎng)大橋梁線形設(shè)置建議方案;同時(shí)針對(duì)運(yùn)營(yíng)期實(shí)際拱度與設(shè)計(jì)拱度偏差較大的情況，指出現(xiàn)有高速鐵路長(zhǎng)大橋梁預(yù)拱度設(shè)計(jì)中需要注意的問題，以期對(duì)同類橋梁線形設(shè)置有所裨益。

2 鋼桁梁斜拉橋線形設(shè)置方法

一般高速鐵路鋼桁梁斜拉橋的線形設(shè)置方法分2步，首先根據(jù)橋梁跨度逐跨設(shè)置預(yù)拱度，其次對(duì)橋梁整體線形通過鋪設(shè)不同厚度道砟的方式實(shí)現(xiàn)坡度整改。

2.1 預(yù)拱度設(shè)置

目前已建成的國(guó)內(nèi)鐵路斜拉橋均采用了同樣的方法進(jìn)行預(yù)拱度設(shè)置，即鋼梁初始設(shè)計(jì)為平坡，按照計(jì)算的恒載、活載撓度逐跨設(shè)置預(yù)拱度［5］。依據(jù)TB 10002.2—2005，鐵路橋梁豎向剛度要求靜活載撓跨比不大于1/600，按此設(shè)計(jì)預(yù)拱度(靜活載的1/2) f=L/1 200。預(yù)拱度曲線表達(dá)式為

式中:L為橋梁跨度;跨中為x坐標(biāo)零點(diǎn)，兩端支點(diǎn)為y坐標(biāo)零點(diǎn)。

由(1)式可知，預(yù)拱度曲線斜率y'為

該橋的主跨為L(zhǎng)=630 m，根據(jù)公式(1)(2)計(jì)算可得預(yù)拱度曲線在支點(diǎn)處斜率為3.3‰，則相鄰兩跨橋梁的預(yù)拱度曲線在支點(diǎn)處形成6.6‰的折角。

2.2 調(diào)坡整改

因?yàn)殇撹炝盒崩瓨蝾A(yù)拱度的存在，橋上的軌道線形無法成為平坡，故需要對(duì)軌道線形進(jìn)行擬合。即在逐跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度的基礎(chǔ)上，以跨中最大上拱值為依據(jù)，通過填充不同厚度的道砟實(shí)現(xiàn)橋梁整體坡度的調(diào)整，如圖1所示。調(diào)坡整改后，共計(jì)增加道砟量約4 730.7 t，每側(cè)增加約2 365.4 t，約1.83 t/m。

圖1 傳統(tǒng)橋梁線形設(shè)置方法

成橋后的線形為雙向平順的人字坡，坡長(zhǎng)為750 m (坡度0.08%)+700 m(坡度－0.085 7%)，本段落及相鄰段落的縱斷面線形為2 000 m(坡度0.55%)+750 m (坡度0.08%)+700 m(坡度－0.085 7%)+550 m (0%)?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)［6］中規(guī)定，最小坡段長(zhǎng)度應(yīng)按式(3)計(jì)算確定，且取50 m的整數(shù)倍

式中:lp為最小坡段長(zhǎng)度，m;Δi1，Δi2為坡段兩端坡度差，‰;Rsh為豎曲線半徑，m;v為設(shè)計(jì)速度，km/h。

據(jù)此，正線最小坡段長(zhǎng)度一般條件下不應(yīng)小于900 m，困難條件下不應(yīng)小于600 m。由于線形擬合時(shí)受有砟區(qū)段長(zhǎng)度的限制，該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋最小坡段長(zhǎng)度僅550 m，不滿足目前規(guī)范中的規(guī)定值。

3 鋼桁梁斜拉橋線形偏差原因分析

3.1 設(shè)計(jì)原因

理論計(jì)算活載引起的鋼梁撓度，一般采用影響線加載，對(duì)于斜拉橋主跨跨中撓度來說，多以主跨滿載時(shí)計(jì)算的撓度作為活載撓度進(jìn)行預(yù)拱度設(shè)置［7］。但實(shí)際運(yùn)營(yíng)列車一般為8節(jié)編組(200 m)或16節(jié)編組(400 m)，該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋主跨630 m，實(shí)際運(yùn)營(yíng)車輛長(zhǎng)度小于斜拉橋主跨長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)理論預(yù)拱度時(shí)仍以滿跨的工況計(jì)算，預(yù)拱度的活載加載長(zhǎng)度偏長(zhǎng)，是橋梁實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形偏差的原因之一。

另外，理論計(jì)算活載引起的鋼梁撓度時(shí)采用的活載為標(biāo)準(zhǔn)ZK活載，即客車按6.4t/m、貨運(yùn)列車按8 t/m計(jì)算，一般按照33 mm/(t/m)計(jì)算撓曲量，該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋下?lián)狭?含公路荷載)及預(yù)拱度據(jù)此設(shè)為498 mm。但實(shí)際運(yùn)營(yíng)動(dòng)車荷載不足3 t/m (按400 m長(zhǎng)，16節(jié)編組，1 088 t計(jì)算)、貨車荷載不足6.6 t/m(按普通貨車滿載)，均小于設(shè)計(jì)參數(shù)6.4 t/m和8 t/m。采用標(biāo)準(zhǔn)ZK活載與實(shí)際運(yùn)營(yíng)列車不符，是橋梁實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形偏差的原因之二。

3.2 施工原因

該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋鋪設(shè)有砟軌道，振搗作業(yè)后道砟密度實(shí)測(cè)值為1.8 g/cm3，與設(shè)計(jì)取值2.1 g/cm3偏差14.3%。而荷載每減少1 t/m，鋼梁上拱約33 mm/(t/m)，因此橋上道砟鋪設(shè)、振搗過程中引起的道砟實(shí)際密度偏差影響鋼梁下?lián)霞s103 mm。

另外施工過程中主塔混凝土收縮徐變也會(huì)不可避免地影響鋼梁線形，經(jīng)估算后期由于主塔混凝土收縮徐變效應(yīng)鋼梁下?lián)霞s26 mm。

此外，斜拉索調(diào)索前后，實(shí)測(cè)鋼梁跨中撓度變化值與理論計(jì)算跨中撓度變化值不符，調(diào)索誤差約13 mm。

4 運(yùn)營(yíng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

4.1 軌道質(zhì)量指數(shù)

自2015年6月該高速鐵路開通運(yùn)營(yíng)1年來，鋼桁梁斜拉橋上的線路動(dòng)態(tài)檢測(cè)無Ⅱ級(jí)及以上偏差，動(dòng)態(tài)質(zhì)量即軌道質(zhì)量指數(shù)TQI(Track Quality Inderx)均值＜3.5mm，線路區(qū)段整體平順性較好?？梢?，從運(yùn)營(yíng)情況分析，鋼桁梁斜拉橋縱斷面設(shè)為人字坡后，雖然有一個(gè)坡段長(zhǎng)度小于目前規(guī)范中規(guī)定的困難條件下最小坡段長(zhǎng)度，但只要保證靜態(tài)情況下的線形相對(duì)平順，坡度的變化并不影響旅客的舒適性。

4.2 跨中動(dòng)撓度

為獲取該鋼桁梁斜拉橋動(dòng)載情況下主橋線形變化情況，設(shè)備管理單位于2016年4月利用地基雷達(dá)干涉測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該橋進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)。采用地基雷達(dá)干涉測(cè)量系統(tǒng)FS型、FL型同時(shí)開展工作，共采集數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)24 h，記錄了溫度、氣壓、風(fēng)速等氣象資料，并利用系統(tǒng)專用軟件IBIS-DV對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。一列動(dòng)車經(jīng)過跨中、1/4跨等結(jié)構(gòu)點(diǎn)的變形曲線見圖2。

圖2 跨中、1/4跨等結(jié)構(gòu)點(diǎn)的形變曲線

由圖2可知，在列車動(dòng)態(tài)作用下跨中位置的最大變形為89.59 mm，1/4跨位置最大變形為72.44 mm，且各結(jié)構(gòu)點(diǎn)變形規(guī)律一致，均表現(xiàn)為V字形。另外在跨中位置記錄了不同車次列車經(jīng)過時(shí)的變形曲線，如圖3所示。由圖3可知，高速列車經(jīng)過時(shí)變形的幅度范圍約為50～100 mm，大型貨車經(jīng)過高速公路時(shí)變形的幅度約為21.1 mm。由此可見，運(yùn)營(yíng)期該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋主跨的拱度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，隨著橋面荷載、環(huán)境溫度等因素發(fā)生變化。另外，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，橋梁在列車動(dòng)荷載作用下，跨中實(shí)際下?lián)现祪H為50～100 mm，與設(shè)計(jì)預(yù)拱度理論計(jì)算的200 mm相差較大，說明列車通過時(shí)軌道線形實(shí)際上仍為以跨中為變坡點(diǎn)的人字坡，因此，目前關(guān)于鋼桁梁斜拉橋的預(yù)拱度計(jì)算理論尚不夠精確，仍需進(jìn)一步完善。

圖3 跨中位置不同車次列車經(jīng)過時(shí)變形曲線

5 線形設(shè)置新方法

高速鐵路對(duì)軌道的平順性要求較高，靜態(tài)需進(jìn)行10 m波長(zhǎng)與30～300 m波長(zhǎng)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)需進(jìn)行1.5～42 m波長(zhǎng)與1.5～120 m波長(zhǎng)檢測(cè)［8］。通過前述分析可知，設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)中的諸多因素，例如荷載計(jì)算長(zhǎng)度、道砟實(shí)際密度等會(huì)導(dǎo)致施工完成后的實(shí)際預(yù)拱度與設(shè)計(jì)預(yù)拱度產(chǎn)生偏差。而在線形重新擬合過程中又受道砟厚度、擋砟墻高度、有砟無砟分界位置等因素的限制，擬合難度大，需要尋求新的思路。

鑒于以上的實(shí)踐與分析，與其到斜拉橋成橋后將軌道豎曲線擬合成雙向平順的人字坡，不如設(shè)計(jì)之初就采用豎曲線代替預(yù)拱度，即鋼梁設(shè)計(jì)時(shí)采用人字坡代替逐跨設(shè)置的預(yù)拱度和調(diào)坡整改。鋼梁桿件加工時(shí)結(jié)合坡度線形進(jìn)行制造，施工時(shí)通過斜拉索的設(shè)計(jì)索力，將主梁線形控制為帶豎曲線的成橋線形。這樣設(shè)計(jì)的鋼梁線形與軌道線形較為匹配，實(shí)際施工時(shí)，僅需要通過軌道線形擬合調(diào)整施工控制帶來的誤差(調(diào)整量較小)。

據(jù)了解，目前已經(jīng)開工建設(shè)的滬通長(zhǎng)江公鐵大橋、商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋均采用了此種方法進(jìn)行線形設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論

本文基于一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設(shè)置的工程實(shí)際，在分析該橋線形偏差原因的基礎(chǔ)上，提出了高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設(shè)置的新方法。結(jié)合運(yùn)營(yíng)期該橋在列車動(dòng)荷載作用下的平順性檢測(cè)和動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)基于橋梁因成橋跨中上拱值過大，導(dǎo)致實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形差別較大的現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)過程中的活載加載長(zhǎng)度、活載大小和施工過程中的道砟密度是導(dǎo)致成橋后實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形差別較大的主要原因。

2)對(duì)該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋進(jìn)行運(yùn)營(yíng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)雖然最小坡段長(zhǎng)度不滿足現(xiàn)有規(guī)范，但線路動(dòng)態(tài)檢測(cè)并無Ⅱ級(jí)及以上偏差，說明鋼桁梁斜拉橋坡段長(zhǎng)度并不影響旅客的舒適性。此外該鋼桁梁斜拉橋在列車動(dòng)荷載作用下跨中實(shí)際下?lián)现祪H為50～100 mm，與設(shè)計(jì)預(yù)拱度理論計(jì)算的200 mm相差較大，說明目前關(guān)于鋼桁梁斜拉橋的預(yù)拱度計(jì)算理論尚不夠精確，可進(jìn)一步完善。

3)針對(duì)傳統(tǒng)先逐跨設(shè)置預(yù)拱度再進(jìn)行坡度整改的方法，提出鋼梁桿件加工制造時(shí)應(yīng)考慮坡度線形，施工時(shí)通過設(shè)計(jì)索力將主梁線形控制為帶豎曲線的成橋線形的新方法。

［1］吳尚德．高速鐵路橋梁移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)計(jì)算及預(yù)拱度設(shè)置［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2013(2):58-62．

［2］姜嫚．基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正的徐變預(yù)測(cè)模型在鐵路橋預(yù)拱度計(jì)算中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2014(5):5-8．

［3］杜闖，丁紅巖，張浦陽，等．斜跨曲線異形拱橋施工過程應(yīng)力和撓度分析［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015(5):1130-1135．

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［5］王贊芝，張鍇，王淼，等．用灰色系統(tǒng)理論確定高速鐵路橋梁施工預(yù)拱度［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015(3):482-488．

［6］國(guó)家鐵路局．TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2015．

［7］曾永平，陳天地，袁明，等．大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋預(yù)拱度設(shè)置［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(10):78-81．

［8］羅林．高速鐵路軌道必須具有高平順性［J］．中國(guó)鐵路，2000 (10):8-11．

Study on Alignment Setting Method of Steel Trussed Cable-stayed Bridge on High Speed Railway

TAN Shehui
(Permanent Way Departmant，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China)

Steel trussed cable-stayed bridges are widely used as large-span bridges in railways．T he background of this paper is the vertical profile setting of a steel trussed cable-stayed bridge on a high speed railway．T he live load amount and loading length during design，and the density of railway ballast during construction were indicated to be the main reasons of the great difference between the designed vertical profile and the actual vertical profile．Dynamic detection in the operational period was conducted．It suggests that the short slope does not affect passenger comfort although the minimum slope length does not meet the requirements of current code，given noⅡlevel and above deviations are detected．T he actual deflection under the vehicle dynamic load is less than the designed value，and this suggests that the existing pre-camber calculation method for steel trussed cable-stayed bridge is not precise and requires improvement．T he current method includes twosteps:pre-camber setting span byspan，and postconstruction setting of pre-camber through slope adjustment．T his method results in the great difference between actual and designed vertical profile．Based on the analysis，a new vertical profile setting method of steel trussed cablestayed bridge in high speed railway was proposed．

High speed railway;Steel trussed cable-stayed bridge;Pre-camber;Alignment

U212．34

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．01

1003-1995(2016)12-0001-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2016-07-26;

2016-09-15

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAG20B01);國(guó)家自然科學(xué)基金(50908179);上海市自然科學(xué)基金(11ZR1439200)

譚社會(huì)(1973—)，男，高級(jí)工程師。