滬昆高鐵北盤江特大橋鋪設(shè)無砟軌道適應(yīng)性研究

謝海清,徐 勇,陳 列,黃 毅

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 工程概況

北盤江特大橋是滬昆高鐵跨度最大的重點橋梁工程，設(shè)計行車速度350 km/h，主橋為跨度445 m上承式鋼筋混凝土拱橋，為目前世界最大跨度的鋼筋混凝土拱橋。引橋及拱上結(jié)構(gòu)為：1-32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁+(2×65 m+8×42 m+2×65 m)預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁+2×37 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，總體布置如圖1所示[1]。

圖1 北盤江特大橋總體布置(單位：cm)

主橋拱圈拱軸線采用懸鏈線，跨度445 m，矢高100 m，矢跨比1/4.45，拱軸系數(shù)采用1.6；拱圈為單箱三室、等高、變寬箱形截面。交界墩墩高102 m，拱上最高墩墩高58.7 m，均采用雙柱空心剛架墩。橋址區(qū)年均氣溫15～18 ℃，極端最高氣溫32.6 ℃，極端最低氣溫-4 ℃；月平均氣溫最高出現(xiàn)在7月份，達23.4 ℃，月平均氣溫最低出現(xiàn)在1月份，為5.8 ℃[2-3]。

2 研究思路

滬昆高鐵設(shè)計最高行車速度為350 km/h，要求全線鋪設(shè)無砟軌道。而北盤江特大橋主跨達445 m，國內(nèi)外目前沒有在此類大跨橋梁上鋪設(shè)無砟軌道的先例。本文從我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10621—2014)(以下簡稱“規(guī)范”)的各項技術(shù)條件出發(fā)，探討北盤江橋鋪設(shè)無砟軌道的適應(yīng)性，并通過橋梁安裝的沉降觀測系統(tǒng)來驗證本文計算結(jié)果[4-5]。

3 豎向變形要求

3.1 活載、系統(tǒng)溫差作用下梁體豎向撓度

大跨度橋梁上鋪設(shè)無砟軌道對橋梁的豎向剛度提出了更高的要求，列車通過橋梁結(jié)構(gòu)時，將使橋梁產(chǎn)生豎向變形，從而導(dǎo)致軌道不平順，影響列車行駛的安全性和舒適性。目前各個國家對橋梁豎向撓度的限值稍有不同[7]。表1為我國規(guī)范對高速鐵路橋梁豎向撓度的限值要求[6]。

表1 梁體的豎向撓度限值

中國規(guī)范對于時速350 km大跨度橋梁的豎向撓度限值為L/1 500，對于多跨橋限值為L/1 650。

為盡量減小活載和系統(tǒng)溫差下的橋梁變形，北盤江特大橋全部結(jié)構(gòu)均采用了受溫度影響小的混凝土結(jié)構(gòu)，梁部則采用了剛度較大的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。該橋在ZK活載作用下的梁體自身豎向撓度變形匯總見表2。

表2 梁部自身豎向變形 mm

由表2可知，梁體自身豎向變形滿足我國規(guī)范的要求。但對于拱橋，梁部變形還應(yīng)考慮拱圈溫度引起的整體變形的影響，結(jié)合橋位氣溫，考慮溫度作用降溫8.8 ℃、升溫15 ℃的組合為：組合1，ZK豎向靜活載+0.5×溫度引起的撓度值；組合2，0.63×ZK豎向靜活載+溫度引起的撓度值。

由表3可知，本橋整體豎向變形遠小于規(guī)范限值。ZK活載豎向位移最大值發(fā)生在主拱1/4跨處，溫度變形亦為該部位的計算值。

表3 考慮主拱溫度影響的梁體豎向變形

3.2 橋梁長期豎向變形

為保證線路的平順，設(shè)計需對橋面無砟軌道鋪設(shè)完成后的殘余變形進行控制。我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》主要適用于跨度96 m以下的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，其控制值為L/5 000。北盤江橋梁部自身殘余徐變變形見表4。

表4 梁部自身殘余徐變變形匯總 mm

從表4可知，梁體自身殘余變形值均遠小于規(guī)范限值。但對于主跨達445 m的大跨度混凝土拱橋來說，其軌道鋪設(shè)完成后，橋梁殘余變形還受主拱殘余徐變、系統(tǒng)溫度等荷載的影響。規(guī)范控制梁部殘余徐變變形是從保證軌道運營階段的平順性為出發(fā)點而提出的，對北盤江特大橋此類復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)，除控制梁部的殘余徐變變形外，還應(yīng)對其整個拱橋跨度下的橋梁豎向殘余變形進行控制。

本橋鋪軌后的整體殘余豎向變形，應(yīng)包含拱圈整體溫度變形和拱圈工后徐變變形兩部分；如參照L/5 000控制，在兩種變形組合下，采用兩側(cè)交界墩的跨度467.8 m，拱頂下?lián)现郸げ荒艹^467 800/5 000=93.6 mm。鋪軌后主拱殘余豎向變形見表5。

表5 鋪軌后主拱殘余豎向變形 mm

由表5可知：拱頂上撓變形滿足要求，拱頂下?lián)献冃纬^了L/5 000限值。因此，設(shè)計考慮在拱上梁設(shè)置調(diào)高支座可將徐變引起的橋面變形回調(diào)。拱橋整體升、降溫變形無法調(diào)節(jié)，當(dāng)剔除溫度變形后，只要將拱圈殘余徐變變形控制在(93.6-49) mm=44.6 mm以下即可滿足要求[7-9]。

4 梁端轉(zhuǎn)角變形及拱上結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對梁橋來說，梁端轉(zhuǎn)角主要由活載作用產(chǎn)生，但是對上承式拱橋來講，拱圈在溫度變化及長期徐變變形情況下，都會引起拱上梁的上抬、下?lián)献冃?，變形傳遞至梁部，就會在拱上梁縫處集中釋放，從而產(chǎn)生較大的梁端轉(zhuǎn)角。

4.1 梁端轉(zhuǎn)角變形

在北盤江特大橋初步設(shè)計階段，根據(jù)橋上軌道結(jié)構(gòu)的縱向受力要求，將拱上梁的溫度聯(lián)長控制在200 m以內(nèi)，因此就必須要將拱上梁斷開，分成多聯(lián)。因此設(shè)計分別研究了在拱上1號墩至拱上5號墩處設(shè)置斷縫的情況，得到拱上梁由于活載、主拱殘余收縮徐變、系統(tǒng)溫度作用下的梁端轉(zhuǎn)角，見表6。

表6 殘余徐變、溫度變化和活載聯(lián)合作用下的梁端轉(zhuǎn)角 ‰

同時考慮收縮徐變、溫度變化，ZK活載聯(lián)合作用下，拱上梁端轉(zhuǎn)角合計最大值為拱上1號墩柱處設(shè)置梁縫，其梁端轉(zhuǎn)角合計為3.592‰，最小為在拱上5號墩柱處設(shè)置梁縫，其兩端轉(zhuǎn)角合計為2.077‰，都超過了無砟軌道2‰限值，不滿足規(guī)范相關(guān)要求。

4.2 拱上結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本橋初步設(shè)計階段考慮在拱上1號墩柱處設(shè)置梁縫，在施工圖階段為徹底消除梁端轉(zhuǎn)角的影響，設(shè)計研究采用了將拱上梁做成一聯(lián)，不設(shè)梁縫的方案，即將拱上梁做成一聯(lián)(2×65 m T構(gòu)+8×42 m+2×65 m T構(gòu))的剛構(gòu)-連續(xù)組合梁。該結(jié)構(gòu)方案，全橋只有引橋4道梁縫，拱上梁不設(shè)梁縫，徹底解決了拱上梁梁端轉(zhuǎn)角變形超標的問題。同時，拱上結(jié)構(gòu)形成一聯(lián)之后，橋面長期變形的不平順折點消除，梁部的橫、豎向剛度進一步提高，大橋的行車條件和性能更佳[10-11]。

由此帶來的不利影響為：(1)拱上梁部連通后，梁部一聯(lián)總長度599.6 m，溫度聯(lián)長為331.7 m，需對橋上無縫線路縱向力重新進行檢算；(2)梁部成為12跨一聯(lián)的長聯(lián)剛構(gòu)-連續(xù)組合橋，主梁混凝土溫度變化和長期徐變的梁長變化無法釋放，要由兩側(cè)交界墩承受，如此將對兩岸2號、3號交界墩產(chǎn)生較大的水平位移和水平推力。經(jīng)檢算，拱上梁部連通后，軌道無縫線路受力、交界墩受力及主梁結(jié)構(gòu)受力均滿足相關(guān)規(guī)范要求，拱上梁連通方案可行[12-14]。

5 車橋耦合動力分析結(jié)果

列車通過橋梁引起橫向振動的因素較豎向復(fù)雜，目前各國對橫向剛度評價指標的規(guī)定也不一致，設(shè)計一般采用車橋耦合動力仿真分析來檢算橋梁是否滿足列車高速行駛的安全性和舒適性的要求。

本橋初步設(shè)計階段就委托中國鐵道科學(xué)研究院進行車橋分析，將主拱在徐變和溫度變形疊加而成的橋面變形作為初始輸入條件，檢算結(jié)果為：除CRH2動車組和國產(chǎn)高速列車通過時出現(xiàn)脫軌系數(shù)和輪重減載率超限外，旅客列車在設(shè)計速度范圍內(nèi)及檢算速度(420 km/h)范圍內(nèi)通過橋梁時，橋梁的各項動力響應(yīng)以及列車的安全性和乘坐舒適性均滿足設(shè)計要求，無需限速。經(jīng)過分析，加速度異常導(dǎo)致的脫軌系數(shù)和輪重減載率超限，是由于初步設(shè)計方案在交界墩T構(gòu)和拱上連續(xù)梁之間的梁縫(拱上1號墩柱處梁縫)導(dǎo)致的軌道不平順造成。在施工圖階段取消拱上梁縫后，重新進行車橋耦合仿真分析，橋梁及車體的各項指標均滿足列車按350 km/h運行時安全性和舒適性的要求。

6 聯(lián)調(diào)聯(lián)試TQI值

2016年9月，中國鐵道科學(xué)研究院對北盤江特大橋進行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試，表7為測試動車組以333 km/h速度通過大橋時的軌道不平順及質(zhì)量指數(shù)。結(jié)果表明，北盤江特大橋軌道不平順質(zhì)量指數(shù)TQI值遠小于管理值，平順度好[15-16]。驗證了取消拱上梁縫后，橋面更為平順的結(jié)論。

表7 北盤江特大橋聯(lián)調(diào)聯(lián)試TQI數(shù)據(jù)

7 結(jié)論

(1)北盤江特大橋在優(yōu)化拱上結(jié)構(gòu)和設(shè)置調(diào)高支座后，其豎向變形、梁端轉(zhuǎn)角及動力響應(yīng)等各項指標，均滿足我國現(xiàn)行規(guī)范橋梁鋪設(shè)無砟軌道的技術(shù)條件，橋梁平順性好。

(2)通過北盤江特大橋拱上梁安裝的沉降觀測系統(tǒng)，實測通車1年周期內(nèi)橋面在系統(tǒng)溫度和主拱殘余徐變共同作用下，最大豎向位移-114.2 mm，小于本文理論計算變形值-154.6 mm，其主要原因是實測的-114.2 mm變形值為通車1年內(nèi)，主拱徐變還未完成。如理論計算采用與實測一致的時間，得到主拱的殘余徐變下?lián)献畲笾禐?3 mm，疊加系統(tǒng)溫度變形后為-122.0 mm，與實測的-114.2 mm基本吻合，從而驗證了本文計算的正確性。