成渝鐵路關(guān)鍵橋梁軌道不平順性分析

敬洪武

（成渝鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

成渝鐵路關(guān)鍵橋梁軌道不平順性分析

敬洪武

（成渝鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

以成渝鐵路資陽(yáng)沱江多線(xiàn)特大橋（主跨為（90+180+90）m連續(xù)梁拱）為例，對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道大跨度橋梁軌道不平順性進(jìn)行分析。對(duì)梁體變形、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行理論計(jì)算后，對(duì)軌面高程在最不利溫度荷載組合作用下靜態(tài)高低不平順進(jìn)行檢算，得出影響軌道不平順性的主要因素；并采用光電傳感、應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)等技術(shù)手段，結(jié)合有限元計(jì)算對(duì)軌道不平順性進(jìn)行分析。在靜態(tài)荷載與動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，提出山區(qū)高速鐵路橋梁軌道不平順性的注意問(wèn)題和解決辦法，對(duì)我國(guó)山區(qū)高速鐵路建設(shè)和安全服役性能具有理論意義和工程價(jià)值，對(duì)建立健全高速鐵路無(wú)砟軌道大跨度橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、軌道養(yǎng)護(hù)規(guī)程具有借鑒意義。

高速鐵路；橋梁；軌道；不平順性；山區(qū)

1 概述

資陽(yáng)沱江多線(xiàn)特大橋?yàn)槌捎彖F路關(guān)鍵橋梁，位于四川盆地內(nèi)，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。地形屬剝蝕丘陵地貌，丘槽相間，地形起伏小。地面高程340～430 m，相對(duì)高差30～90 m，自然橫坡一般10°～35°，局部較陡，跨越成渝鐵路及沱江規(guī)劃V級(jí)航道，線(xiàn)位與成渝鐵路交角約54°，與沱江交角約50°，地震動(dòng)峰值加速度0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s。主橋?yàn)椋?0+180+90）m連續(xù)梁拱，里程為DK79+985.963—DK80+347.900，邊支座至梁端距離0.8 m，全長(zhǎng)361.6 m。對(duì)應(yīng)墩（臺(tái)）號(hào)為0#—3#，其中0#臺(tái)高6.0 m，1#墩高34.5 m，2#墩高29.5 m，3#墩高33.0 m。主橋均位于直線(xiàn)上，線(xiàn)路縱坡-12.9‰，線(xiàn)間距5.0 m，連續(xù)梁地段鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道。資陽(yáng)沱江多線(xiàn)特大橋主橋布置見(jiàn)圖1。

鋼軌采用60 kg/m、100 m定尺長(zhǎng)、無(wú)螺栓孔U71MnG新軌，鋼軌質(zhì)量符合TB/T 3276—2011《高速鐵路用鋼軌》規(guī)定。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器地段采用與相鄰正線(xiàn)相同材質(zhì)的鋼軌。

道床及底座為分塊式結(jié)構(gòu)，分塊長(zhǎng)度為4～7 m，C40鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑。底座直接澆筑在橋面上，并與橋面用預(yù)埋鋼筋連接，每分塊底座板上設(shè)置2個(gè)凹槽，與道床板的限位凸臺(tái)相匹配。

圖1 資陽(yáng)沱江多線(xiàn)特大橋主橋布置

2 橋梁豎向位移

通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，得到梁體的靜態(tài)變形情況[1-3]。

2.1 荷載及荷載組合

2.1.1 恒載

恒載包括結(jié)構(gòu)自重；二期恒載；預(yù)應(yīng)力及其次內(nèi)力；混凝土收縮、徐變。

2.1.2 荷載

按TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱(chēng)《高鐵規(guī)范》）取值[4]，采用ZK荷載。

2.1.3 基礎(chǔ)不均勻沉降

根據(jù)《高鐵規(guī)范》結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況，按5 mm取值。

2.1.4 溫度荷載

梁部合龍時(shí)間為2013年5月15日，合龍溫度為17 ℃。資陽(yáng)地區(qū)1月平均氣溫4 ℃，7月平均氣溫28 ℃，極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-4 ℃。計(jì)算時(shí)，按極端溫度計(jì)算整體升降溫對(duì)梁體變形的影響，故主橋整體升溫按24 ℃、整體降溫按21 ℃計(jì)算。

由于各橋墩（臺(tái)）在升降溫時(shí)會(huì)引起梁體變形，故計(jì)入橋墩（臺(tái)）升降溫影響。計(jì)算按極端溫度整體升降溫對(duì)梁體變形的影響，即橋墩（臺(tái)）整體升溫23 ℃、降溫23 ℃計(jì)算。

2.1.5 荷載組合

根據(jù)TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[5]，計(jì)算工況為：（1）ZK荷載；（2）橋墩（臺(tái)）整體升降溫23 ℃；（3）ZK荷載+0.5倍溫度荷載；（4）0.63倍ZK荷載+溫度荷載。

2.2 理論計(jì)算

以橋梁博士V3.0作為主算程序，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。全橋共209個(gè)單元，除吊桿為拉索單元，其他均為梁?jiǎn)卧?/p>

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《高鐵規(guī)范》檢算在不同工況下梁體豎向位移。其中主梁豎向位移分含橋墩、不含橋墩2種情況考慮。在計(jì)算含橋墩工況時(shí)，按橋墩升溫9 ℃、降溫15 ℃進(jìn)行計(jì)算。

圖2 計(jì)算模型

（1）ZK荷載作用下主梁豎向位移見(jiàn)圖3。

圖3 ZK荷載作用下主梁豎向位移

由圖3可知，在ZK荷載作用下，主跨跨中最大豎向位移為36.8 mm，按規(guī)范計(jì)算容許值為132.0 mm；邊跨跨中最大豎向位移為18.8 mm，按規(guī)范計(jì)算容許值為66.0 mm，均滿(mǎn)足《高鐵規(guī)范》7.3.2第1條規(guī)定。

（2）根據(jù)《高鐵規(guī)范》7.3.2第2條：拱橋、剛架及連續(xù)梁橋的豎向撓度，除應(yīng)考慮列車(chē)豎向ZK荷載作用外，尚應(yīng)計(jì)入溫度影響。橋墩（臺(tái)）整體升降溫23 ℃時(shí)主梁豎向位移見(jiàn)圖4。

圖4 橋墩（臺(tái)）整體升降溫23 ℃時(shí)主梁豎向位移

由圖4可知，橋墩整體升溫荷載作用下，主跨最大豎向位移為7.85 mm（上拱），最大值位于主跨靠近小里程側(cè)主墩附近；邊跨最大豎向位移為6.70 mm（上拱），最大值位于大里程側(cè)邊墩位置。

橋墩整體降溫荷載作用下，主跨最大豎向位移為-6.87 mm（下?lián)希畲笾滴挥谥骺缈拷±锍虃?cè)主墩附近；邊跨最大豎向位移為-5.87 mm（下?lián)希?，最大值位于大里程?cè)邊墩位置。

（3）ZK荷載+0.5倍溫度荷載作用下主梁豎向位移見(jiàn)圖5。

圖5 ZK荷載+0.5倍溫度荷載作用下主梁豎向位移

（4）0.63倍ZK荷載+溫度荷載作用下主梁豎向位移見(jiàn)圖6。ZK荷載與溫度荷載組合作用下主梁豎向位移見(jiàn)表1。

由圖4—圖6、表1可見(jiàn)，在ZK荷載與溫度荷載組合作用下，主跨跨中最大豎向位移為39.8 mm，按規(guī)范計(jì)算容許值為132.0 mm；邊跨跨中最大豎向位移為19.7 mm，按規(guī)范計(jì)算容許值為66.0 mm，均滿(mǎn)足《高鐵規(guī)范》7.3.2第2條規(guī)定。

3 橋梁動(dòng)力學(xué)檢算

根據(jù)車(chē)橋耦合振動(dòng)分析理論，運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析程序BDAP V2.0，針對(duì)該橋連續(xù)梁拱3種橋面線(xiàn)形曲線(xiàn)（設(shè)計(jì)成橋線(xiàn)形、升溫+收縮徐變曲線(xiàn)、降溫+收縮徐變曲線(xiàn)）進(jìn)行分析，采用空間有限元方法建立其全橋動(dòng)力分析模型。模型考慮樁土相互作用，對(duì)該橋的空間自振特性進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)，對(duì)在CRH3型動(dòng)車(chē)組作用下的車(chē)橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

（1）橋梁自振特性。拱肋一階側(cè)傾頻率為0.482 Hz，墩、梁、拱體系一階橫向彎曲頻率為0.797 Hz。

（2）橋梁振動(dòng)性能。梁體的豎向和橫向振動(dòng)位移較小，墩頂橫向振動(dòng)位移也較小，橋梁豎向和橫向振動(dòng)加速度以及橋墩橫向振動(dòng)加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值，橋梁的振動(dòng)性能良好。

（3）列車(chē)行車(chē)安全性。在CRH3型動(dòng)車(chē)組以速度200～450 km/h通過(guò)時(shí)，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以?xún)?nèi)，說(shuō)明高速列車(chē)運(yùn)行的安全性得到保障。

（4）列車(chē)行車(chē)舒適性。在CRH3型動(dòng)車(chē)組以速度200～450 km/h通過(guò)時(shí)，車(chē)輛豎向舒適性、橫向舒適性均能達(dá)到“優(yōu)”。

（5）溫度與收縮徐變變形對(duì)車(chē)橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。車(chē)-線(xiàn)-橋動(dòng)力仿真分析結(jié)果表明，溫度與收縮徐變變形，對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)橫向動(dòng)力響應(yīng)幾乎為0；對(duì)橋梁豎向振動(dòng)位移有一定影響，但影響較??；對(duì)車(chē)輛行車(chē)安全性指標(biāo)（輪重減載率、脫軌系數(shù)）影響很小。

綜上所述，資陽(yáng)沱江多線(xiàn)特大橋連續(xù)梁拱具有足夠的豎向和橫向剛度，溫度變化與收縮徐變引起的橋面變形，滿(mǎn)足成渝鐵路列車(chē)運(yùn)行安全性和行車(chē)舒適性的要求。

圖6 0.63倍ZK荷載+溫度荷載作用下主梁豎向位移

表1 ZK荷載與溫度荷載組合下主梁豎向位移 mm

4 軌道變形檢測(cè)

4.1 施工完成時(shí)

資陽(yáng)沱江多線(xiàn)特大橋無(wú)砟軌道于2014年9月5日施工完成，并于2015年1月27—28日進(jìn)行無(wú)砟軌道施工復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)高程偏差值見(jiàn)圖7。

圖7 復(fù)測(cè)高程偏差值

無(wú)砟軌道完工時(shí)軌道高程偏差較大，左右線(xiàn)均超過(guò)10.00 mm（左線(xiàn)偏差最大值-20.51 mm，右線(xiàn)偏差最大值-11.09 mm），且左右線(xiàn)偏差較大。軌道高低不平順見(jiàn)圖8。

2015年1月27—28日施工復(fù)測(cè)的軌道靜態(tài)不平順較為明顯，10 m弦長(zhǎng)和30 m、300 m基線(xiàn)長(zhǎng)的靜態(tài)高低不平順均超過(guò)靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。左線(xiàn)10 m弦長(zhǎng)高低不平順最大值為3.18 mm；30 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為3.42 mm；300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為14.36 mm。右線(xiàn)10 m弦長(zhǎng)高低不平順最大值為3.56 mm；30 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為3.22 mm；300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為5.20 mm。

圖8 軌道高低不平順

4.2 精調(diào)完成時(shí)

無(wú)砟軌道施工完成后進(jìn)行3次精調(diào)，左線(xiàn)時(shí)間分別為2015年5月25日、6月13日和6月29日；右線(xiàn)時(shí)間分別為2015年5月25日、6月13日和7月7日。根據(jù)工務(wù)部門(mén)提供的精調(diào)數(shù)據(jù)，幾次精調(diào)間的軌面高程變動(dòng)較大，具體情況以左線(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。左線(xiàn)軌面高程測(cè)量數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)圖9。

由圖10可知，6月13日精調(diào)前全橋軌面高程相對(duì)于5月25日精調(diào)完成時(shí)呈曲線(xiàn)波動(dòng)，小里程邊跨和主跨跨中附近變動(dòng)較大，最大值達(dá)-5.55 mm；6月29日精調(diào)前全橋軌面高程相對(duì)于6月13日精調(diào)完成時(shí)普遍下降，小里程方向梁端附近變動(dòng)最大，達(dá)-6.30 mm。小里程方向梁端位置（伸縮調(diào)節(jié)器位置）在后2次精調(diào)前均有明顯的異常下沉現(xiàn)象，在后期調(diào)試過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

圖9 左線(xiàn)軌面高程測(cè)量數(shù)據(jù)匯總

圖10 左線(xiàn)軌面高程變動(dòng)

7月7日最后一次精調(diào)完成后，軌道靜態(tài)高低不平順滿(mǎn)足靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖11），10 m弦長(zhǎng)和30 m、300 m基線(xiàn)長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)均不超限。軌道高程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及靜態(tài)不平順情況見(jiàn)圖12。

7月7日無(wú)砟軌道精調(diào)完成后，10 m弦長(zhǎng)和30 m、300 m基線(xiàn)長(zhǎng)的高低不平順均滿(mǎn)足靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。左線(xiàn)10 m弦長(zhǎng)高低不平順最大值為0.52 mm；30 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為0.53 mm；300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為2.13 mm。右線(xiàn)10 m弦長(zhǎng)高低不平順最大值為0.54 mm；30 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為0.52 mm；300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為1.14 mm。

圖11 7月7日精調(diào)完成后軌面高程

圖12 300 m基線(xiàn)長(zhǎng)軌道高低不平順

5 軌道不平順性分析

根據(jù)橋梁變形計(jì)算及軌道精調(diào)記錄結(jié)果，對(duì)軌道不平順性進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）橋梁最不利升降溫組合工況下，10 m弦長(zhǎng)和30 m、300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順值均滿(mǎn)足《高鐵規(guī)范》要求（10 m弦長(zhǎng)和30 m基線(xiàn)長(zhǎng)容許偏差值為2 mm，300 m基線(xiàn)長(zhǎng)容許偏差值為10 mm），但300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為9.349 mm，接近規(guī)范容許偏差值。

（2）單日極端氣候工況下，10 m弦長(zhǎng)和30 m、300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順值均滿(mǎn)足《高鐵規(guī)范》要求，但300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順值較大。最高氣溫日、最低氣溫日和最大溫差日的300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值分別為8.552 mm、7.652 mm和7.255 mm。

（3）無(wú)砟軌道施工完成后的前3年混凝土收縮徐變對(duì)軌道高低不平順的影響較大，其中對(duì)10 m弦長(zhǎng)和30 m基線(xiàn)長(zhǎng)軌道不平順影響相對(duì)較小，對(duì)300 m基線(xiàn)長(zhǎng)影響相對(duì)較大。在無(wú)砟軌道施工完成至橋梁合龍1 500 d的收縮徐變影響下，300 m基線(xiàn)長(zhǎng)高低不平順最大值為13.4 mm，超過(guò)規(guī)范容許偏差值（10 mm）。

（4）以2015年7月7日無(wú)砟軌道最后一次精調(diào)后的軌道狀態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行檢算，當(dāng)最不利溫度荷載和一年的收縮徐變影響共同作用時(shí)，軌道左線(xiàn)300 m長(zhǎng)波不平順最大值將達(dá)到13.92 mm，右線(xiàn)將達(dá)到12.75 mm，超過(guò)規(guī)范容許偏差值（10 mm）。因此需要根據(jù)日常動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)和軌道幾何狀態(tài)測(cè)量情況適時(shí)進(jìn)行精調(diào)，確保安全舒適運(yùn)行。

6 軌道變形動(dòng)態(tài)檢測(cè)

2015年9月25—27日CRH380AJ-0202綜合檢測(cè)列車(chē)以最高330 km/h速度通過(guò)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明本橋上下行線(xiàn)均無(wú)Ⅳ、Ⅲ級(jí)偏差，無(wú)驗(yàn)收Ⅰ、Ⅱ級(jí)偏差。上下行線(xiàn)動(dòng)力學(xué)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3。

表2 上行線(xiàn)動(dòng)力學(xué)檢測(cè)數(shù)據(jù)

表3 下行線(xiàn)動(dòng)力學(xué)檢測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明：用于檢測(cè)列車(chē)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力測(cè)試最大值均未超出限度值；構(gòu)架橫向加速度未連續(xù)6次超過(guò)8 m/s2；輪軌垂向力測(cè)試最大值未超出最大允許值；車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均為“優(yōu)”。

理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：理論計(jì)算產(chǎn)生的主跨跨中豎向位移與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)較為吻合，最大上拱值及最大下?lián)现涤?jì)算出現(xiàn)時(shí)間與測(cè)量出現(xiàn)時(shí)間基本一致；單日變化幅值及測(cè)量時(shí)間段內(nèi)最大變化幅值兩者基本接近。但由于測(cè)量每2 h 1次，部分極端測(cè)量最大值受外部荷載影響，且由于所選取的基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)量誤差以及溫度荷載的差異（實(shí)際作用在結(jié)構(gòu)上的溫度荷載與理論計(jì)算值有差別）等因素，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算略有差異。

7 結(jié)論

（1）現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的變形控制，能夠滿(mǎn)足高速鐵路無(wú)砟軌道不平順性對(duì)大跨度橋梁的要求。

（2）溫度荷載單獨(dú)作用下，橋梁整體溫度變化對(duì)軌道線(xiàn)形影響較小，日照升溫引起拱肋和主梁溫差造成的主梁豎向變形相對(duì)最大。

（3）前3年收縮徐變對(duì)軌道線(xiàn)形的影響較大，因此運(yùn)營(yíng)后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軌道長(zhǎng)波不平順的監(jiān)測(cè)，根據(jù)日常動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)和軌道幾何狀態(tài)測(cè)量情況適時(shí)精調(diào)，以滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定的要求。

[1] 黃艷紅, 高曉蓉, 杜路泉. 光纖光柵傳感器在橋梁缺陷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督，2007，35(11)：17-20.

[2] 張啟偉. 大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)第十四屆年會(huì).南京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2000：908-913.

[3] 潘超. 新型軌道不平順波形檢測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)鐵路，2013(3)：55-57.

[4] TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

責(zé)任編輯 李葳

On Track Irregularity of Key Bridges along Chengdu-Chongqing Railway

JING Hongwu
（Chengdu-Chongqing Railway Passenger Dedicated Line Co Ltd，Chengdu Sichuan 610031，China）

This paper studies track regularity of long-span bridges with ballastless HSR tracks with Ziyang Tuojiang multi-track grand bridge (with the main span of (90+180+90)m and continuous beam arches) as an example. After the theoretical calculation of the beam deformation and dynamics, the static and horizontal irregularities of the rail surface elevation under the combination of the most unfavorable temperature load are checked and calculated, and the main factors afecting the track irregularity are obtained. Also, photoelectricity test, stress and strain detection and other technical means, together with fnite element calculation, are used to analyze the track smoothness. Based on the comparative analysis of static load and dynamic measured data, this paper puts forward the problems of and solutions thereon for track irregularity on high-speed railway bridges in mountainous areas, which are of theoretical and engineering signifcance to the construction and safe service performance of high-speed railways in mountainous areas in China and can serve as a reference for developing standards for designing large-span bridges with ballastless HSR tracks and track maintenance rules.

high speed railway；bridge；track；smoothness；mountainous area

TU312

：A

：1001-683X（2017）06-0036-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.036

2016-12-21

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2010G007-K）

敬洪武（1969—），男，成渝鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)有限責(zé)任公司總工程師，高級(jí)工程師。

E-mail：yyk36336@163.com