高速鐵路大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋預(yù)拱度設(shè)置對無砟軌道的影響研究

王安琪,姜恒昌,張光明,楊榮山,褚衛(wèi)松

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

隨著高速鐵路在全國范圍內(nèi)的大規(guī)模推進，大跨度混凝土梁橋被廣泛應(yīng)用，在大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道已成為高速鐵路工程結(jié)構(gòu)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。目前，日本等國家的高速鐵路橋梁采用無砟軌道已比較普遍[3]，但多以中小跨度橋梁為主，100 m以上的大跨度橋梁應(yīng)用較少，高鐵大跨橋上速度目標(biāo)值與線路保持一致，增加了大跨度橋梁設(shè)計建造及施工工藝的難度，國內(nèi)有關(guān)實踐經(jīng)驗較少，相關(guān)技術(shù)還不成熟。

以往關(guān)于無砟軌道在高速鐵路大跨度橋梁上的研究主要集中在解決梁體剛度和變形控制技術(shù)上，文獻[4]通過分析梁體基頻、剛度和變形設(shè)計值與實測值的差異成因，對高速鐵路常用跨度簡支箱梁進行優(yōu)化設(shè)計；文獻[5-6]針對梁體基頻、豎向剛度、梁結(jié)構(gòu)剛度、梁端轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合我國高速鐵路橋梁參數(shù)的研究思路、參數(shù)設(shè)計及運營現(xiàn)狀，采用車橋豎向相互作用程序分析了高鐵簡支梁動力響應(yīng)規(guī)律；文獻[7-8]從大跨混凝土橋梁的徐變系數(shù)、鋪裝時間等方面出發(fā)，對橋梁徐變上拱、下?lián)系目刂七M行分析，提出大跨度無砟軌道橋梁建設(shè)時減小徐變變形的措施和方法。

上述文獻的研究對象都集中在橋梁結(jié)構(gòu)本身，通過對橋梁各關(guān)鍵參數(shù)及變形控制技術(shù)的分析，探究橋梁結(jié)構(gòu)能夠滿足無砟軌道鋪設(shè)的要求。而針對橋梁線形變化對軌道結(jié)構(gòu)影響的研究相對較少，橋梁結(jié)構(gòu)的線形變化十分復(fù)雜，影響因素很多，主要通過設(shè)置預(yù)拱度[9]的方法加以控制，預(yù)拱度設(shè)置的合理與否直接影響橋梁線形的優(yōu)劣。目前國內(nèi)的大跨度混凝土連續(xù)梁橋普遍存在著跨中下?lián)线^大的問題[10]，使得橋梁線形不符合高速鐵路無砟軌道的高平順要求[11]，進而影響軌道的幾何形位、危及行車安全。

為此，根據(jù)某連續(xù)剛構(gòu)梁橋工程實際參數(shù)，建立橋梁整體有限元模型，利用經(jīng)驗公式為橋梁設(shè)置預(yù)拱度，計算分析無砟軌道鋪設(shè)過程中預(yù)拱度的設(shè)置對橋梁線形的影響，得出橋梁線形及其對軌道波長不平順影響的變化規(guī)律，為后續(xù)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁上鋪設(shè)無砟軌道提供相關(guān)計算參考。

1 工程背景

本文所依托的大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋位于陜西省銅川市王益區(qū)境內(nèi)，橋跨徑組合為(124+248+124) m連續(xù)剛構(gòu)加拱梁橋，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱雙室變高度箱形截面，箱梁頂寬14 m，底寬10.6 m，下部主墩為矩形空心結(jié)構(gòu)，縱、橫向均為直坡，縱向?qū)?.0 m，橫向?qū)?3.1 m，壁厚1.5 m。全橋除梁拱結(jié)合部在支架上施工外，其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑。主橋立面如圖1所示。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)梁橋主橋立面示意(單位：cm)

2 預(yù)拱度設(shè)置

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)變形的性質(zhì)和時間不同，預(yù)拱度可分為施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度[12]。施工預(yù)拱度的設(shè)置主要是為了消除施工過程中各種荷載和變形(包括橋梁自重、二期恒載、溫度、混凝土前期收縮徐變等)對成橋線形的影響，成橋預(yù)拱度的設(shè)置則是為了消除運營過程中后期收縮、徐變、活載變形等對橋面線形的影響。理想狀態(tài)下，橋梁的成橋線形(即橋梁施工完畢后的線形)為設(shè)計線形加成橋預(yù)拱度的線形；最終線形(即橋梁運營過程中收縮徐變基本完成時的線形)與設(shè)計線形基本一致。

根據(jù)目前國內(nèi)的經(jīng)驗，常用的成橋預(yù)拱度設(shè)置方法一般有二次拋物線分配法和余弦分配法[13-14]。為了避免二次拋物線分配法在橋墩頂處出現(xiàn)尖點導(dǎo)致成橋線形不平順、不協(xié)調(diào)的問題，本文采用余弦分配法對連續(xù)剛構(gòu)梁橋的成橋預(yù)拱度進行設(shè)置。

中跨成橋預(yù)拱度曲線方程為

邊跨一般根據(jù)經(jīng)驗在3L/8處設(shè)置fcz/4左右的預(yù)拱度，分配方式同樣采用余弦曲線，邊跨成橋預(yù)拱度余弦曲線方程為

式中，L為中跨跨徑；fcz為中跨跨中成橋預(yù)拱度。

根據(jù)近幾年的實踐，跨中最大預(yù)拱度一般取L/1 500～L/1 000，本文所選用的連續(xù)剛構(gòu)梁橋中跨長為248 m，根據(jù)實際情況將預(yù)拱度設(shè)置精度精確到10 mm，故預(yù)拱度值取值區(qū)間為[0.170 m，0.250 m]，預(yù)拱度梯度取值0.02 m，最終可確定0.170，0.190，0.210，0.230，0.250 m作為5個預(yù)拱度的取值。

3 模型的建立與分析

為探究不同工況下無砟軌道鋪設(shè)引起的橋梁線形及其對軌道結(jié)構(gòu)幾何形位影響的變化規(guī)律，以CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為研究對象，利用有限元法建立完整的連續(xù)剛構(gòu)橋梁模型，依據(jù)施工圖設(shè)計文件確定模型各部分尺寸。其中，梁頂板、底板、腹板、橋墩中部采用Shell181單元模擬，橋墩頂部、底部采用Solid65單元模擬，橫撐采用Beam188單元模擬、吊桿采用Link10單元模擬，拱肋通過梁板組合單元模擬，根據(jù)確定的單元類型和模型尺寸建立連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型如圖2所示。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型

結(jié)合現(xiàn)場實際給模型施加恒載+溫度效應(yīng)的荷載組合，具體計算時，有如下假定：

(1)忽略軌道結(jié)構(gòu)與橋梁之間的相對位移，認為無砟軌道結(jié)構(gòu)依附于梁體表面隨梁體共同變形，橋面節(jié)點位置根據(jù)預(yù)先設(shè)置的預(yù)拱度曲線確定；

(2)軌道結(jié)構(gòu)作為均布荷載施加于橋面上，計算時以7.5 m為一個荷載周期，沿線路方向逐步施加均布荷載；

(3)根據(jù)疊加原理，不同軌道施工順序所造成的橋面最終下沉量是一致的，故不考慮無砟軌道鋪設(shè)順序?qū)蛄合鲁亮康挠绊懀瑑H根據(jù)施工的經(jīng)濟性以及易操作性對模型施加均布荷載。

根據(jù)建立的模型及相關(guān)計算假定，得到5種工況下橋的最終成橋線形如圖3所示。

圖3 不同預(yù)拱度下橋梁成橋線形

從圖3可以看出，橋梁在荷載作用下呈現(xiàn)對稱式的變形，中跨跨中下沉量最大，邊跨總體下沉量小且最大下沉值出現(xiàn)在距離邊跨端點3L/8處左右，與之前成橋預(yù)拱度的設(shè)置中邊跨、中跨的最大下沉位置相符。

5種不同預(yù)拱工況下橋梁最終成橋線形產(chǎn)生很大變化，隨著預(yù)拱度設(shè)置的增大，橋梁線形由整體下?lián)现饾u轉(zhuǎn)變?yōu)樯瞎?。預(yù)拱度設(shè)置為0.17 m時，橋梁整體線形幾乎完全下?lián)嫌谒骄€以下，跨中處有最大下?lián)现?5 mm；預(yù)拱度設(shè)置為0.25 m時，橋梁中跨的成橋線形則完全上拱于水平線上，支座處有最大上拱值46 mm；其他預(yù)拱工況下橋梁線形的波形變化趨勢相同而幅值介于兩者之間。

可以看出，當(dāng)橋梁預(yù)拱度設(shè)置過小時，軌道二期恒載引起的橋梁結(jié)構(gòu)變形不足以被預(yù)設(shè)拱度所抵消，荷載作用下橋梁仍有很大程度的下?lián)?，?dāng)預(yù)拱度設(shè)置過大時，過大的預(yù)拱值又會使橋梁支座處產(chǎn)生較大的上拱，這兩者對于橋上軌道的幾何狀態(tài)來說都是不利的，甚至?xí)＜靶熊嚢踩?/p>

4 橋梁線形對軌道結(jié)構(gòu)高低平順性的影響

為進一步探究橋梁線形對軌道結(jié)構(gòu)高低不平順的具體影響，根據(jù)弦測法對軌道的高低不平順變化規(guī)律進行研究。線路的高低不平順采用弦測法[15-16]計算，30 m弦每隔5 m校核值不應(yīng)超過2 mm，300 m弦每隔150 m校核值不應(yīng)超過10 mm。具體高低不平順矢度計算方法如下。

30 m(48個軌枕間距)弦線按間距5 m(8個軌枕間距)設(shè)置1對檢測點，見圖4。圖4中C1～C49為30 m范圍內(nèi)軌枕編號，h2～h48分別為30 m弦范圍內(nèi)C2～C48軌枕處矢高。以C25與C33軌枕為例，中波不平順校核值通過兩點間實際矢高差與設(shè)計矢高差差值控制，按照公式(1)計算。

Δh=|(h25設(shè)計-h33設(shè)計)-(h25實測-h33實測)|

(1)

圖4 30 m弦中波不平順檢測

圖5 300 m弦長波不平順檢測示意

300 m(480個軌枕間距)弦線每150 m(240個軌枕間距)設(shè)置1對檢測點，見圖5。圖5中C1～C481為300 m范圍內(nèi)軌枕編號，h2～h480分別為C2～C480軌枕處矢高。以C25與C265為例，長波不平順校核值通過兩點間實際矢高差與設(shè)計矢高差差值控制，按照公式(2)計算。

Δh=|(h25設(shè)計-h265設(shè)計)-(h25實測-h265實測)|

(2)

根據(jù)上述弦測計算法，得到軌道結(jié)構(gòu)各波長高低不平順值與橋梁長度之間的關(guān)系如圖6～圖7所示。

圖6 不同預(yù)拱度下30 m/5 m校核值

圖7 不同預(yù)拱度下300 m/50 m校核值

從圖6、圖7可以看出，5種工況下的橋梁線形引起的軌道結(jié)構(gòu)30 m弦隔5 m校核值均小于規(guī)范所規(guī)定的2 mm限值，而300 m弦每隔150 m校核值在某些工況下已遠超出規(guī)范規(guī)定的10 mm限值，即不同預(yù)拱度下軌道結(jié)構(gòu)的中波不平順均滿足要求，而長波不平順則有很大差異，可見預(yù)拱度的設(shè)置及軌道二期恒載主要對軌道結(jié)構(gòu)的長波不平順產(chǎn)生影響。

從圖7的計算結(jié)果可以看出，5種工況下軌道結(jié)構(gòu)的長波不平順波形變化大致相同而幅值不同，當(dāng)預(yù)拱度設(shè)置在0.21～0.23 m時，軌道結(jié)構(gòu)的長波不平順校核值基本沒有超過規(guī)定限值，但當(dāng)預(yù)拱度設(shè)置大于0.23 m，或小于0.21 m時，軌道的長波不平順校核值則已明顯超限，可見預(yù)拱度設(shè)置的過大或過小，都會使橋梁線形形成的軌道長波高低不平順不滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

針對軌道鋪設(shè)過程中大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋預(yù)拱度設(shè)置對橋梁線形及軌道高低不平順影響的問題，利用ANSYS有限元分析軟件，建立橋梁結(jié)構(gòu)整體模型進行計算分析，得到如下結(jié)論。

(1)在大跨度橋梁上鋪設(shè)無砟軌道時，軌道二期恒載與預(yù)拱度設(shè)置會引起橋梁最終成橋線形的變化，預(yù)拱度設(shè)置的合理與否直接影響橋梁成橋線形的優(yōu)劣，從而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的高低平順性發(fā)生變化，且長波高低不平順的影響最為顯著。

(2)在高速鐵路大跨度橋梁上鋪設(shè)對線形要求高的無砟軌道時，需要關(guān)注橋梁線形對軌道結(jié)構(gòu)的影響，建議在橋梁設(shè)計施工階段，建立完整的橋梁結(jié)構(gòu)模型，綜合考慮影響線形的各因素，并對橋梁最終線形造成的軌道長波高低不平順值進行檢算，以滿足規(guī)范規(guī)定的限值要求。