高速鐵路大高差橋墩豎向溫度變形對(duì)行車舒適性和安全性影響研究

柏華軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

山區(qū)高速鐵路受地形、地質(zhì)等因素控制，橋梁跨越“V”形溝谷時(shí)不可避免地形成大高差橋墩.這類橋墩在受到荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)變形會(huì)產(chǎn)生較大的差異，尤其基礎(chǔ)整體沉降、溫度變形、收縮徐變變形等[1-3]。規(guī)范要求橋梁設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)整體變形進(jìn)行檢算，但對(duì)橋墩溫度變形、收縮徐變變形沒(méi)有明確規(guī)定。

環(huán)境溫度的變化引起橋墩膨脹或收縮，導(dǎo)致墩身高度的變化，變形大小與墩身高度、溫差幅度成正比。當(dāng)相鄰橋墩高差較大時(shí)，橋墩溫度變形造成橋面凸起或下凹，進(jìn)而引起軌面不平順，對(duì)高速鐵路的行車安全和舒適性造成不可忽略的影響[4-7]。相關(guān)研究表明[8]，當(dāng)相鄰橋墩高差較大時(shí)，僅溫度效應(yīng)引起的軌道結(jié)構(gòu)豎向變形達(dá)±10 mm，接近甚至超過(guò)無(wú)砟軌道的靜態(tài)驗(yàn)收誤差標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)相鄰大高差橋墩因溫度效應(yīng)引起的豎向變形效應(yīng)進(jìn)行研究，對(duì)保證高速鐵路安全性和舒適性具有重要意義。以合福高鐵巷坑大橋?yàn)槔?，通過(guò)理論分析、動(dòng)力仿真及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種措施，研究了相鄰大高差橋墩溫度效應(yīng)下的墩頂豎向位移差對(duì)高速鐵路安全性和舒適性的影響，并參考現(xiàn)有規(guī)范對(duì)墩頂豎向位移的要求，探討了相鄰大高差橋墩的豎向位移溫度效應(yīng)影響。本研究可為同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究及驗(yàn)收提供一定的參考借鑒。

2 規(guī)范對(duì)橋墩豎向變形限值要求

根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在橋梁下部結(jié)構(gòu)的檢算中，墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計(jì)算，工后沉降量值不應(yīng)超過(guò)表1的規(guī)定。特殊條件下無(wú)砟軌道梁無(wú)法滿足沉降要求時(shí)，可采取預(yù)留調(diào)整措施的方法滿足軌道平順要求。

表1 靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值[10]

根據(jù)TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，無(wú)砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值應(yīng)滿足表2規(guī)定。

表1、表2附注中補(bǔ)充說(shuō)明，超靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)沉降量之差除滿足表中規(guī)定外，尚應(yīng)根據(jù)沉降差對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力的影響確定。

表2 無(wú)砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值[11]

在運(yùn)營(yíng)階段，當(dāng)相鄰橋墩高差較大時(shí)，溫差效應(yīng)引起的墩臺(tái)結(jié)構(gòu)豎向變形差會(huì)造成軌道不平順，從而對(duì)車輛通過(guò)橋梁時(shí)的安全性和舒適性造成影響。因此在橋墩沉降檢算中，除了對(duì)單個(gè)橋墩的沉降進(jìn)行檢算外，還需對(duì)相鄰橋墩的變形差值進(jìn)行檢算，這種變形差普通橋梁僅基礎(chǔ)沉降差；當(dāng)相鄰橋墩高差較大時(shí)，理論上還應(yīng)增加橋墩溫度變形差。

根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的要求，時(shí)速250 km及以上高速鐵路，無(wú)砟軌道靜態(tài)鋪軌精度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合表3要求。

表3 無(wú)砟軌道靜態(tài)鋪軌精度標(biāo)準(zhǔn)[10]

注：軌向、高低欄中的a為無(wú)砟軌道扣件節(jié)點(diǎn)間距。

3 工程簡(jiǎn)介

3.1 工程概況

合肥至福州鐵路客運(yùn)專線(簡(jiǎn)稱合福高鐵)線路設(shè)計(jì)時(shí)速300～350 km，采用無(wú)砟軌道。其中巷坑大橋位于安徽省黃山市，橋址處為低山丘陵及山間谷地，地勢(shì)呈“V”形。橋跨布置為(72+72) m T形剛構(gòu)+24 m簡(jiǎn)支梁，①號(hào)橋墩與?號(hào)橋臺(tái)最大高差達(dá)50.5 m(含梁高)，見(jiàn)圖1。

圖1 巷坑大橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

3.2 氣溫氣象

黃山市處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，年均氣溫7.9 ℃，夏季最高氣溫28 ℃，冬季最低氣溫-22 ℃，黃山地區(qū)的7月份平均氣溫與1月平均氣溫的溫差約為19.9 ℃。

3.3 工程地質(zhì)

本橋工程地質(zhì)條件、地層巖性、基本承載力、巖土施工工程分級(jí)見(jiàn)表4。

表4 橋梁工程地質(zhì)參數(shù)

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巷坑大橋主體結(jié)構(gòu)為(72+72) m T形剛構(gòu)，箱梁截面，頂寬12.0 m，底寬6.7 m。邊支點(diǎn)處梁高4.5 m，中支點(diǎn)處梁高8.0 m，梁高按圓曲線變化，R=388.036 m。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 橋梁總體布置(單位：cm)

圖3 (72+72) m T形剛構(gòu)梁截面布置(單位：cm)

?號(hào)橋臺(tái)采用矩形空心橋臺(tái)，臺(tái)長(zhǎng)6.73 m，臺(tái)高6.5 m。③號(hào)橋臺(tái)采用矩形實(shí)體橋臺(tái)，臺(tái)長(zhǎng)2.0 m，臺(tái)高4.5 m。①號(hào)橋墩高48.0 m，為矩形空心墩，墩頂縱寬6.6 m，壁厚1.2 m；墩頂橫寬7.7 m，墩壁厚1.25 m。縱向外坡90∶1，橫向外坡22.5∶1，縱橫內(nèi)坡均為直坡(圖4)。②號(hào)墩高8.5 m，采用圓端形實(shí)體橋墩。巷坑大橋高度參數(shù)見(jiàn)表5。

圖4 ①號(hào)墩墩身構(gòu)造(單位：cm)

表5 巷坑大橋高度參數(shù) m

注：因現(xiàn)場(chǎng)CPⅢ觀測(cè)點(diǎn)布置在橋面，變形計(jì)算按橋面至墩底范圍高度考慮。

4 年溫差效應(yīng)下的墩頂豎向變形

橋墩溫度效應(yīng)主要為日照升溫、寒潮降溫、年溫度變化等3個(gè)因素。年溫差效應(yīng)是指常年緩慢變化的整體溫度，它對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要導(dǎo)致橋梁梁部的縱向位移或橋墩的豎向變形。日照輻射升溫和寒潮驟然降溫則屬于局部溫度影響，往往通過(guò)溫度梯度來(lái)表示結(jié)構(gòu)所處的溫度場(chǎng)，并進(jìn)行橋墩溫度應(yīng)力和溫度變形的計(jì)算分析，同時(shí)還應(yīng)考慮太陽(yáng)側(cè)曬，墩身朝陽(yáng)面與背陰面溫差使墩身?yè)锨鷮?duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，相比局部溫度，整體溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更為明顯和重要。所以為驗(yàn)證均勻升降溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將只計(jì)年溫差下的溫度效應(yīng)。

4.1 計(jì)算理論

4.1.1 豎向變形差確定

年溫差引起的相鄰橋墩豎向變形差可以通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算[14-15]

δmax=α(H1-H2)ΔTumax

(1)

δmin=α(H1-H2)ΔTdmax

(2)

ΔTumax=T7-T鋪min

(3)

ΔTdmax=T鋪max-T1

(4)

式中，δmax和δmin分別為相鄰橋墩升溫和降溫豎向變形差；α為線膨脹系數(shù)，混凝土材料取1.0×10-5m-1；H1和H2分別為兩個(gè)相鄰橋墩中的高墩墩高+對(duì)應(yīng)梁高和矮墩墩高+對(duì)應(yīng)梁高；ΔTumax和ΔTdmax分別為橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能發(fā)生的氣溫最大升溫幅度和最大降溫幅度；T鋪min和T鋪max分別為鋪軌平均氣溫溫度下限值和上限值；T1和T7分別為當(dāng)?shù)?月份平均氣溫和7月份平均氣溫。

橋墩溫度效應(yīng)下軌面高程變化示意見(jiàn)圖5。

圖5 橋墩溫度效應(yīng)下軌面高程變化示意

4.1.2 鋪軌氣溫確定

無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)鎖定軌溫宜按下式計(jì)算

Te=(Tmax+Tmin)/2±ΔTk

(5)

式中，Tmax和Tmin分別為當(dāng)?shù)刈罡哕墱睾妥畹蛙墱兀沪k為設(shè)計(jì)鎖定軌溫的修正值，可取0～5 ℃。

由上述公式計(jì)算所得的設(shè)計(jì)鎖定軌溫Te為軌道結(jié)構(gòu)的溫度，并非氣溫。為統(tǒng)一計(jì)算尺度，這里定義軌道鎖定氣溫為

(6)

(7)

所以，鋪軌氣溫范圍為

(8)

(9)

根據(jù)式(1)～式(4)、式(8)、式(9)計(jì)算T鋪max=8 ℃，T鋪min=-2 ℃。見(jiàn)表6。

表6 鋪軌平均氣溫 ℃

4.1.3 橋面豎向變形理論差

①號(hào)墩、②號(hào)墩在年平均升溫溫度引起的墩頂豎向位移差為8.288 mm；年平均降溫引起的墩頂豎向位移差為-4.42 mm，見(jiàn)表7。

表7 墩臺(tái)變形高差

注：升(降)溫溫差指年平均升(降)溫溫差。

4.2 墩頂實(shí)測(cè)豎向變形

巷坑大橋①號(hào)墩墩身2013年8月開(kāi)始施工，2013年11月完成。②號(hào)墩墩身2013年2月開(kāi)始施工，同年4月完成。全橋合龍時(shí)間為2014年8月。為計(jì)算溫度效應(yīng)下的墩頂豎向位移，施工后共進(jìn)行3次CPⅢ測(cè)量。

第一次CPⅢ測(cè)量是梁部預(yù)應(yīng)力終張拉完成后8d，環(huán)境溫度為28 ℃，第二次CPⅢ測(cè)量是鋪軌完成后3 d，環(huán)境溫度為28 ℃，第三次CPⅢ測(cè)量時(shí)終張拉完成后55 d，環(huán)境溫度為10 ℃。測(cè)量結(jié)果如表8所示。

第一次CPⅢ測(cè)量與第二次CPⅢ測(cè)量溫差差距較小，因此取第一次和第三次CPⅢ測(cè)量結(jié)果進(jìn)行位移對(duì)比。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)橋墩處橋面高程見(jiàn)表8。

表8 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)橋墩處橋面高程

注：CPⅢ點(diǎn)號(hào)340301、340302對(duì)應(yīng)的里程分別為DK340+039.935、DK340+039.858，①號(hào)墩中心里程為DK340+038.850。

根據(jù)表8，①號(hào)墩兩次CPⅢ測(cè)量間隔93 d，降溫溫差18 ℃，實(shí)測(cè)的兩橋墩墩頂豎向變形差在9.5(8.8)-1.9=7.6(7.2) mm(括號(hào)外為①號(hào)墩340302測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，括號(hào)內(nèi)為①號(hào)墩340301測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù))。

需要說(shuō)明的是，隨著施工進(jìn)行，橋面上進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)施工，增加二期恒載，這會(huì)引起橋墩的彈性壓縮變形，且橋墩混凝土的收縮徐變也會(huì)引起橋墩的變形，所以上述橋墩的變形差主要由降溫變形、二期恒載和收縮徐變?nèi)糠纸M成，為考慮后兩者的影響，需要進(jìn)行理論反演。

4.3 墩頂豎向變形理論反演

借助有限元模型，為進(jìn)一步考慮二期恒載和收縮徐變對(duì)橋墩變形的影響，對(duì)巷坑大橋全橋變形進(jìn)行反演分析。限于篇幅，列出①號(hào)墩在各時(shí)程節(jié)點(diǎn)的墩頂處橋面豎向變形，詳見(jiàn)表9。

表9 ①號(hào)墩處橋面豎向變形結(jié)果(負(fù)值為向下)

注：未考慮溫度效應(yīng)影響。

表9反演結(jié)果表明，①號(hào)墩從第一次CPⅢ測(cè)量時(shí)刻至第三次CPⅢ測(cè)量時(shí)刻時(shí)間段內(nèi)收縮徐變和二期恒載引起墩身變形為19.19-21.63=-2.44 mm；預(yù)估從第三次CPⅢ測(cè)量時(shí)刻至鋪軌后10年時(shí)間段內(nèi)收縮徐變和二期恒載引起墩身最大變形為9.1 mm(向下)。

4.4 墩頂豎向變形對(duì)比分析

根據(jù)公式(2)，施工降溫溫差為18 ℃，對(duì)應(yīng)①號(hào)墩、②號(hào)墩墩頂豎向理論變形差為7.65 mm，加上反演測(cè)算的收縮徐變和二期恒載引起壓縮變形2.44 mm，變形總計(jì)10.09 mm；表8實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)豎向位移差在7.6～7.2 mm。理論值與實(shí)測(cè)值基本一致，同時(shí)驗(yàn)證了有限元模型的可靠性，且理論和實(shí)測(cè)結(jié)果都超出規(guī)范[10-11]中相鄰墩臺(tái)沉降差5 mm的限值要求。

表9反演分析表明，以終張拉完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果為參考點(diǎn)(該點(diǎn)以前變形，可通過(guò)施工調(diào)平到理論高程)，①號(hào)墩墩頂至鋪軌后10年內(nèi)二期恒載和收縮徐變引起墩頂最大沉降量變形理論值為9.1 mm，加上溫度效應(yīng)引起的墩頂變形理論值8.288 mm(按最不利年平均降溫19.5 ℃考慮)，總變形17.388 mm，雖滿足規(guī)范[10-11]中(表1、表2)無(wú)砟軌道橋梁墩臺(tái)工后整體沉降要求，但該值接近限值20 mm。如考慮其他不確定因素，安全富裕偏小。需要說(shuō)明是，因?yàn)榛A(chǔ)位于600 kPa千枚狀粉砂巖中，不考慮其工后沉降。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果僅反映了①號(hào)墩與②號(hào)墩豎向變形差的情況，相比之下，0號(hào)橋臺(tái)與①號(hào)墩高差更大(表8)。根據(jù)表7，增加量為(9.848-8.288) mm=1.56 mm豎向變形差達(dá)到(17.388+1.56) mm=18.948 mm，情況更為嚴(yán)重。巷坑大橋?yàn)門形剛構(gòu)，相鄰橋墩(臺(tái))梁面至墩底高差達(dá)50.5 m，豎向變形差將引起梁跨(70+70) m范圍軌面隨同橋面一起產(chǎn)生凸起(均勻升溫)或下凹(均勻降溫)，造成線路軌面不平順，對(duì)行車安全和舒適性造成一定影響。因此，有必要對(duì)本橋進(jìn)行車橋動(dòng)力仿真分析，并考慮溫度效應(yīng)影響，評(píng)估列車行車的安全性和舒適性。

5 考慮溫度效應(yīng)的橋梁動(dòng)力仿真分析

為考慮溫度效應(yīng)對(duì)車橋耦合結(jié)果的影響，基于國(guó)內(nèi)權(quán)威車橋耦合軟件《西南交通大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析軟件BDAP》，針對(duì)巷坑大橋建立空間梁?jiǎn)卧Ｐ停瑢?duì)全橋進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析，見(jiàn)圖6。

圖6 巷坑大橋車橋耦合動(dòng)力仿真分析模型

5.1 車橋耦合模型

根據(jù)黃山地區(qū)氣溫，仿真分析中橋墩按20 ℃溫差考慮，并假定由二期恒載和收縮徐變僅引起橋面變形差，造成的軌面變形差通過(guò)軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整到理論高程，短期內(nèi)對(duì)軌面不平順不會(huì)造成影響。橋梁采用空間梁-桿系有限元分析模型，梁與墩之間的聯(lián)結(jié)根據(jù)實(shí)際約束條件采用主從關(guān)系來(lái)處理；采用一致質(zhì)量矩陣，阻尼為比例阻尼，阻尼的取值為：混凝土橋0.02，鋼橋0.01。橋面二期恒載按質(zhì)量分配到梁?jiǎn)卧?/p>

國(guó)際上主流理論，對(duì)于行駛過(guò)程中的高速列車主要通過(guò)脫軌系數(shù)、輪重減載率對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)；通過(guò)車體的橫、豎向加速度值和Sperling系數(shù)對(duì)乘客的舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)。我國(guó)規(guī)范與國(guó)際基本一致，對(duì)速度大于200 km/h的客車的安全性和舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表10、表11。

表10 舒適性指標(biāo)Sperling系數(shù)限值[12-13]

表11 列車安全性指標(biāo)限值[12-13]

CRH2動(dòng)車組采用編組為(動(dòng)+拖+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+拖+動(dòng))×2的形式，速度等級(jí)取160，180，200，220，250 km/h；國(guó)產(chǎn)CRH3動(dòng)車組采用列車編組為：(動(dòng)+拖+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+拖+動(dòng))×2的形式，速度梯度取250，275，300，325，350，375，400，420 km/h。限于篇幅，本文僅列出采用CRH2、CRH3動(dòng)車組作用下的模擬結(jié)果。

5.2 年溫差20 ℃橋梁響應(yīng)

限于篇幅，列出橋面升溫、降溫20 ℃的兩種工況，國(guó)產(chǎn)CRH3和國(guó)產(chǎn)CRH2動(dòng)車組作用下巷坑大橋跨中位移響應(yīng)(表12、表13)和跨中加速度響應(yīng)(表14、表15)。

表12 升溫20 ℃動(dòng)車組經(jīng)過(guò)時(shí)橋梁位移響應(yīng)

表12、表13表明，上述動(dòng)車組作用下，升溫工況橋梁豎向位移響應(yīng)略小于降溫工況。例如，國(guó)產(chǎn)CRH3以車速250～420 km/h運(yùn)行時(shí)，升溫20 ℃時(shí)，T構(gòu)主跨跨中橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.284,3.215 mm；降溫20 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移最大值則分別為0.285,3.234 mm。

表13 降溫20 ℃動(dòng)車組通過(guò)時(shí)橋梁位移響應(yīng)

表14 升溫20 ℃動(dòng)車組經(jīng)過(guò)時(shí)橋梁加速度響應(yīng)

表15 降溫20 ℃動(dòng)車組經(jīng)過(guò)時(shí)橋梁加速度響應(yīng)

表14、表15表明，上述動(dòng)車組作用下升溫工況橋梁橫向、豎向加速度響應(yīng)略大于降溫工況，且均小于規(guī)范限值0.13g、0.1g。

5.3 年溫差20 ℃車輛響應(yīng)

限于篇幅，列出橋面升溫、降溫20 ℃的兩種工況，國(guó)產(chǎn)CRH3和國(guó)產(chǎn)CRH2動(dòng)車組作用下巷坑大橋車橋耦合動(dòng)力分析評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表16、表17。

表16 升溫20 ℃動(dòng)車組經(jīng)過(guò)時(shí)的車輛響應(yīng)

表17 降溫20 ℃下動(dòng)車組經(jīng)過(guò)大橋時(shí)的車輛響應(yīng)

表16、表17表明，在CRH3動(dòng)車組在速度250～350 km/h通過(guò)時(shí)，車輛橫向、豎向舒適性均能達(dá)到“優(yōu)”；在速度375～420 km/h超速通過(guò)時(shí)，車輛橫向、豎向舒適性基本為“良”。在CRH2動(dòng)車組在速度160～200 km/h通過(guò)時(shí)，車輛的橫向、豎向舒適性達(dá)到“優(yōu)”；在速度220～250 km/h速度范圍超速通過(guò)時(shí)，車輛的豎向舒適性達(dá)到“優(yōu)”，橫向舒適性基本為“良”。且車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率等各項(xiàng)安全性指標(biāo)系數(shù)均在規(guī)范限值以內(nèi)，說(shuō)明高速列車運(yùn)行的安全性得到保障。

6 綜合分析

本文研究未同時(shí)考慮橋墩在梯度溫度作用下墩頂橫橋向變形對(duì)軌道平順性的影響，需另文研究。

僅由墩臺(tái)豎向變形造成的軌面豎向不平順在相鄰兩橋墩之間是均勻線性變化的。雖合福高鐵巷坑大橋(72+72) m T構(gòu)①號(hào)墩、②號(hào)墩豎向變形滿足規(guī)范要求的無(wú)砟軌道橋梁墩臺(tái)整體工后沉降限值20 mm；但由于橋墩高差較大，①號(hào)、②號(hào)橋墩考慮年溫差效應(yīng)后，相鄰橋墩墩頂豎向變形差遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范限值5 mm要求。

無(wú)砟軌道靜態(tài)鋪軌精度標(biāo)準(zhǔn)要求每間隔10 m弦長(zhǎng)，軌面豎向高程差應(yīng)控制在2 mm內(nèi)。巷坑大橋時(shí)0號(hào)橋臺(tái)與①號(hào)墩間距72 m僅考慮溫度效應(yīng)一項(xiàng)因素，當(dāng)溫差19.5 ℃豎向變形差達(dá)到9.848 mm，換算為每隔10 m弦長(zhǎng)，軌面豎向高程差為±1.368 mm(Δ=10 m)，滿足無(wú)砟軌道靜態(tài)鋪軌精度2 mm限值要求；考慮溫差、收縮徐變、二期恒載等因素后，0號(hào)橋臺(tái)與①號(hào)墩豎向變形差達(dá)到18.95 mm，換算為每隔10 m弦長(zhǎng)，軌面豎向高程差為±2.63 mm(Δ=10 m)，將超出無(wú)砟軌道靜態(tài)鋪軌精度2 mm限值要求。

現(xiàn)有規(guī)范[10]對(duì)相鄰橋墩變形差指標(biāo)采用固定數(shù)值，與結(jié)構(gòu)的相鄰跨徑無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)是不科學(xué)合理的。根據(jù)德國(guó)專家對(duì)武廣高鐵咨詢意見(jiàn)，相鄰橋墩的變形差建議采用1.5·L0.5，按該指標(biāo)控制，本橋滿足12.7 mm即可，大大超過(guò)現(xiàn)有規(guī)范的5 mm限制。TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]6.4.2條規(guī)定：無(wú)砟軌道路基工后沉降應(yīng)符合線路平順性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和扣件調(diào)整能力的要求。工后沉降不宜超過(guò)15 mm；沉降比較均勻并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑符合公式(10)時(shí)，允許的工后沉降為30 mm。

(10)

式中，Rsh為線路豎曲線半徑；Vsj為線路的設(shè)計(jì)速度。

結(jié)合本條條文說(shuō)明和5.3.4條以及條文說(shuō)明，該公式的本質(zhì)為控制豎向加速度，公式(10)相當(dāng)于滿足豎向加速度不超過(guò)0.02g時(shí)的最小豎向曲率半徑；根據(jù)規(guī)范，滿足列出舒適性的豎向加速度限值一般為0.04g，困難條件下為0.05g；滿足安全運(yùn)營(yíng)的豎向加速度限值一般為0.13g。

假定變形后的曲線為圓曲線，則曲率半徑與跨度、撓度的關(guān)系為

(11)

式中，f為線路豎曲線的矢高；L為線路豎曲線矢高對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)。

當(dāng)線路豎曲線為拋物線、正弦曲線時(shí)，也可以推算出類似的公式，僅僅系數(shù)有點(diǎn)微調(diào)。

這是本橋相鄰變形差超限情況下實(shí)際運(yùn)營(yíng)列車滿足舒適性和安全性指標(biāo)的主要原因，但不排除規(guī)范限值有一定安全儲(chǔ)備的原因。建議《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》橋梁章節(jié)中補(bǔ)充：高速鐵路的特殊橋梁(大跨度、相鄰大高差墩)結(jié)構(gòu)軌面高程應(yīng)均勻變化，考慮結(jié)構(gòu)變形、沉降差、溫度變形、收縮徐變等綜合作用時(shí)，困難條件下應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行專題研究，豎向變形相關(guān)指標(biāo)可適當(dāng)放松，可按豎曲線的曲率半徑滿足公式(10)、(11)控制。

合福高鐵巷坑大橋在施工過(guò)程及靜態(tài)驗(yàn)收時(shí)，施工單位根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)反饋本橋高程指標(biāo)超標(biāo)，引起上海鐵路局和合福公司的高度重視，并多次組織項(xiàng)目參建設(shè)計(jì)單位、咨詢單位、監(jiān)理單位、施工單位，邀請(qǐng)鐵路行業(yè)內(nèi)專家開(kāi)展原因分析會(huì)，設(shè)計(jì)院根據(jù)車橋耦合仿真分析結(jié)論、專題研討，并結(jié)合其他項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)提出設(shè)計(jì)方的初步意見(jiàn)，認(rèn)為規(guī)范在大跨度橋梁時(shí)，相鄰橋墩的變形指標(biāo)要求過(guò)嚴(yán)甚至不合理，本橋可根據(jù)具體情況適當(dāng)放寬，并應(yīng)在后期加強(qiáng)觀測(cè)；專家研討意見(jiàn)是加強(qiáng)觀測(cè)，建議開(kāi)展相關(guān)課題的研究，并為規(guī)范的修訂積累可靠的數(shù)據(jù)；考慮到高鐵安全，業(yè)主和建設(shè)單位持謹(jǐn)慎態(tài)度，要求嚴(yán)格按照規(guī)范驗(yàn)收，所以該問(wèn)題一直存在爭(zhēng)論，直到聯(lián)調(diào)聯(lián)試后，鐵科院的檢測(cè)報(bào)告反饋各項(xiàng)指標(biāo)正常，爭(zhēng)議才得以平息。合福高鐵自2015年6月28日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，經(jīng)歷了2016年的極端高溫考驗(yàn)，當(dāng)時(shí)上海鐵路局對(duì)所在區(qū)域的杭長(zhǎng)高鐵、杭黃高鐵、合福高鐵等大高差橋墩進(jìn)行了重點(diǎn)排查監(jiān)控。根據(jù)鐵科院的檢測(cè)報(bào)告和鐵路局的排查反饋，合福高鐵整體運(yùn)營(yíng)狀況良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，本橋一切指標(biāo)正常。本研究對(duì)突破規(guī)范限制，在大跨度橋梁鋪設(shè)無(wú)砟軌道具有重要的意義，對(duì)類似工程如昌吉贛客運(yùn)專線贛江特大橋工程(35+40+60+300+60+40+35) m混合梁斜拉橋，采用300 m大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道技術(shù)具有一定的參考借鑒意義。

7 結(jié)論及建議

通過(guò)理論分析、動(dòng)力仿真檢算和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)校核，研究了相鄰大高差橋墩T構(gòu)橋在溫度效應(yīng)下的墩頂豎向變形和車橋耦合響應(yīng)。通過(guò)與相關(guān)規(guī)范對(duì)比研究，得到如下結(jié)論。

(1)合福高鐵巷坑大橋具有足夠的豎向和橫向剛度，動(dòng)車組以不同速度通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，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。

(2)考慮溫度效應(yīng)造成的橋面變形影響下，CRH2動(dòng)車組以速度160～250 km/h和CRH3動(dòng)車組以速度250～420 km/h通過(guò)時(shí)的車輛安全性和舒適性均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。巷坑大橋橋墩頂豎向變形差雖然超過(guò)規(guī)范限值，但橋梁結(jié)構(gòu)和車輛通行均能保證安全要求。