超長跨度剛構連續(xù)梁拱橋鋪設無砟軌道線形及施工步序研究

褚衛(wèi)松

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，陜西西安 710043）

1 概述

目前，國內(nèi)鋪設無砟軌道且運營速度達到350 km/h的橋梁最大跨度為180 m，為京滬高速鐵路的鎮(zhèn)江京杭運河特大橋，大于該跨度的橋梁運營速度均小于250 km/h。在建項目昌贛高速鐵路的贛江特大橋［1］主橋結構采用（35+40+60+300+60+40+35）m 混合梁斜拉橋，全長572.1 m，最大跨度為300 m，近期設計速度為250 km/h。西安至延安高速鐵路設計速度350 km/h，采用CRTS 雙塊式無砟軌道，王家河特大橋為西延高速鐵路控制性工程，大橋主跨為（124+248+124）m 剛構連續(xù)梁拱橋，長497.5 m，橋梁結構特殊，規(guī)模龐大，橋高達115 m［2］。大跨度橋上鋪設無砟軌道技術尚不成熟，無砟軌道線形控制缺乏實踐經(jīng)驗。

對于高墩大跨橋上軌道幾何形位研究，勾紅葉、袁明等［3-4］建立車-線-橋模型研究了大跨度橋上車橋耦合振動特性與動力特性；李聞秋、張夢楠等［5-6］研究了橋梁收縮徐變、溫度效應對大跨橋上無縫線路平順性的影響規(guī)律；黎郝東［7］提出了一個基于自回歸滑動平均模型和車橋耦合理論相結合的算法。國內(nèi)對成橋線形分析多集中于公路工程中的連續(xù)剛構及連續(xù)梁橋［8-12］，對于高速鐵路拱橋及拱肋對預拱度的影響鮮有涉及。

王家河特大橋采用連續(xù)剛構柔性拱組合橋式結構，二期恒載及活載由拱肋與主梁共同承受，各自承擔荷載的大小受梁拱剛度比例、吊桿力的大小等因素影響，結構受力復雜。無砟軌道對線下基礎變形的適應性較差，要求靜態(tài)及動態(tài)驗收精度均為毫米級。因此，有必要建立車-線-橋的協(xié)調(diào)分析模型，對橋梁結構的變形、徐變、剛度控制等進行計算，對該橋上鋪設無砟軌道成橋線形、施工線性控制等進行系統(tǒng)分析，為設計和施工提供參考。

2 橋梁預拱度設置

2.1 預拱度的影響因素

橋梁預拱度是為了抵消橋梁結構在荷載作用下產(chǎn)生的撓度，在施工或制造時需預留與位移方向相反的校正量。其分為施工預拱度和成橋預拱度［13］。施工預拱度的設置主要是為了消除施工過程中荷載對線形的影響，成橋預拱度主要是為了消除后期運營過程中的混凝土收縮徐變、預應力損失、二期恒載、活載變形等。

2.2 預拱度的設置方法

國內(nèi)對于連續(xù)梁橋線形控制主要采用預拋高的方法，即在建造期通過設置預拱度來抵消橋梁長期下?lián)献冃?。工程實踐中，一般將主跨跨中最大預拋高設置為L/1 500～L/1 000（L為橋梁跨徑），通過每個梁端的立模標高來實現(xiàn)。

成橋預拱度設置方法包括：經(jīng)驗曲線分配法、公式法［14］。

1）經(jīng)驗曲線分配法。首先計算確定跨中最大預拱度，然后按二次拋物線或余弦曲線向全跨分配。預拱度曲線方程為

式中，fcz為中跨跨中成橋預拱度。

邊跨一般根據(jù)經(jīng)驗在3L/8處設置fcz/4左右的預拱度，分配方式采用余弦曲線。

邊跨成橋預拱度余弦曲線方程為

式中，Lb為邊跨長度。

2）公式法。公式法中的修正系數(shù)一般根據(jù)經(jīng)驗所得，中跨跨中成橋預拱度為

式中：α為修正系數(shù)，根據(jù)同橋型相近跨徑橋梁的實際下?lián)锨闆r確定；d1為10 年運營期收縮徐變撓度計算值；d2為活載撓度計算值，取其標準值。

宋澤岡等［13］提出應用位移影響線對預拱度進行設置的方法，與經(jīng)驗曲線分配法類似，將曲線擬合的方式變?yōu)樘囟ü?jié)點的位移影響線。

余弦曲線分配法能較好地擬合成橋預拱曲線，與實際情況較為相符，故本文采用余弦曲線分配法來設置橋梁的預拱度曲線。擬取5個fcz值設置為模型中的成橋預拱度，取值區(qū)間為［L/1 500，L/1 000］，橋梁主跨長為248 m。根據(jù)實際情況預拱度設置精度取10 mm，取值區(qū)間為［0.17，0.25］m。預拱度梯度設置為0.02 m，即fcz分別取0.17，0.19，0.21，0.23，0.25 m。

3 有限元模型建立

3.1 單元類型及材料參數(shù)選取

采用有限元軟件ANSYS 建立連續(xù)剛構拱橋計算模型（圖1），將軌道結構作為均布荷載施加于橋面上，橋面節(jié)點位置根據(jù)預先設置的預拱度曲線確定，橋梁采用實體模型。主梁混凝土采用C60；拱肋采用C55；墩身、承臺及基礎混凝土均采用C40；普通鋼筋采用HRB400；吊桿采用抗拉標準強度1 670 MPa 的平行鋼絲束。剛構橋墩梁按照固結設置，橋墩底部約束自由度。有限元模型單元和材料力學性能分別見表1和表2。

圖1 王家河特大連續(xù)剛構拱橋有限元模型

表1 有限元模型單元

表2 材料力學性能

3.2 橋梁結構參數(shù)

梁體采用變高度變截面箱梁，計算跨度為（124+248+124）m，一聯(lián)總長497.60 m。主梁為預應力混凝土結構，采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點處梁高5.80 m，中支點處梁高15.50 m，梁底按1.8次拋物線變化。箱梁頂寬14.00 m，中支點拱腳處局部加寬為15.60 m，頂板厚0.95～1.60 m；箱梁底寬10.60 m，中支點處局部加寬為13.4 m，底板厚0.45～1.50 m。全橋設置22 對吊桿，吊桿縱向間距10 m，吊桿長20.00～48.80 m，鋼絲束公稱截面積為23.48 cm2。

3.3 橋上無砟軌道類型

橋上CRTS 雙塊式無砟軌道結構自上而下由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座等部分構成。設計采用 60 kg/m 鋼軌、SK-2 型軌枕、WJ-8B 型扣件，道床板寬度為2 800 mm，高度為260 mm，道床板混凝土強度等級為C40。底座長度、寬度與道床板相同，高度為210 mm。

模型中鋼軌采用梁單元，扣件采用彈簧單元，道床板和底座均采用板殼單元。

3.4 荷載組合

本文主力+附加力組合為恒載+溫度效應。恒載包括梁體自重與二期恒載，二期恒載包括鋼軌、扣件、軌道板、混凝土底座等線路設備重。二期恒載在模型中通過設置荷載步與重啟動計算技術根據(jù)相應的工況施加，單線取值為67.3 kN/m。

考慮溫度作用產(chǎn)生的附加力，主梁整體升溫25 ℃。考慮材料感應溫差，拱肋與主梁溫差+10 ℃；吊桿與主梁溫差+20 ℃；橋面升溫+8 ℃。

4 成橋線形分析

4.1 橋梁最終成橋線形分析

恒載作用下橋梁變形如圖2 所示?？芍?，橋梁呈對稱變形，邊跨產(chǎn)生一定程度的下沉，而中跨產(chǎn)生的變形最為顯著。在支座處橋面產(chǎn)生輕微的凸起，橋墩產(chǎn)生輕微側傾，梁體的變形牽動拱腳向兩側微移。跨中最大沉降量0.23 m 落在預拱度的設置區(qū)間［0.17，0.25］m，與余弦曲線分配法基本吻合。

圖2 在恒載作用下橋梁變形（單位：m）

設置預拱度可以有效地抵消梁體在自重及恒載作用下產(chǎn)生的下?lián)希O置不同的預拱度抵消后的效果（即成橋線形）也不相同。但在軌道自身未進行調(diào)整的情況下，單靠設置預拱度難以完全使橋面平整。過小的預拱度不足以抵消恒載帶來的下?lián)?，過大的預拱度則導致支座處產(chǎn)生較大的凸起，這對橋上的軌道幾何狀態(tài)來說都是不利的。施加恒載后橋梁線形與設計成橋線形對比如圖3所示。

圖3 施加恒載后橋梁線形與設計成橋線形對比

施加恒載后不同預拱度橋梁線形對比如圖4 所示。預拱度設置為0.17 m 時，中跨下?lián)巷@然過大，故剔除預拱度為0.17 m 的情況。由圖4 可知，預拱度越高則下?lián)显叫?，橋墩處的上拱程度與跨中相比影響較小，當預拱度設置為0.23 m 時橋梁線形最為平順。本文只考慮了靜力學分析，如后續(xù)進行動力學分析時可疊加預拱度 0.25，0.23，0.21，0.19 m 共4 條不平順數(shù)據(jù)，在軌道不平順上進行動力學分析。

圖4 不同預拱度橋梁線形對比

4.2 無砟軌道施工步序影響

不同施工階段無砟軌道的鋪設對橋梁的線形與受力狀態(tài)影響不同。為研究不同鋪設情況對橋梁成橋線形的影響大小，本文模擬不同的施工方向與施工時間，共設置3種工況，見表3。

表3 無砟軌道鋪設工況

無砟軌道作用在橋梁上的恒載可視為作用在橋梁一定范圍內(nèi)的均布荷載。單線鋪設軌道板作用于橋面上的均布荷載約為67.3 kN/m，計算時以7.5 m為1個荷載施加周期，并沿線路方向逐步施加。

3 種施工工況下橋面節(jié)點下沉量如圖5 所示?？芍?，設置橋面的預拱度對結構整體剛度影響微乎其微，不論橋梁設計預拱曲線如何設置，橋面節(jié)點在垂向上的沉降變化都是基本一致的。因此，鋪設軌道時可僅考慮施工的方便性、經(jīng)濟性以及易操作性。

圖5 3種施工工況下橋面節(jié)點下沉量

5 結論

1）王家河特大橋跨中設置0.23 m 預拱度時，鋪設無砟軌道線形更為平順。

2）進行動力學分析時可疊加預拱度0.25，0.23，0.21，0.19 m共4條軌道不平順數(shù)據(jù)。

3）不同無砟軌道施工步序對軌面下沉量的影響較小。