高速鐵路特大跨度橋梁軌道靜態(tài)幾何偏差影響因素分析

高芒芒，楊靜靜，李國龍，孫憲夫

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

近年來，我國先后規(guī)劃了諸多主跨達(dá)到千米級且設(shè)計（預(yù)留）速度250 km/h的公鐵兩用橋梁。其中主跨為1 092 m的某2座長江大橋已建成通車；主跨1 176 m的某長江大橋、主跨2×1 120 m的某長江大橋分別采用雙塔鋼桁梁斜拉橋、三塔兩大跨鋼桁梁斜拉橋，目前已開工建設(shè)；主跨1 488 m的某大橋、主跨1 780 m的某長江大橋則采用了斜拉-懸吊協(xié)作體系，加勁梁分別為分離式鋼箱梁、鋼桁梁，目前也已通過初步設(shè)計方案審查。

鐵路橋梁跨度增大，會引起橋梁更顯著的撓曲變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力，還會帶來橋上軌道平順性的問題。不同于常規(guī)鐵路橋梁，特大跨度鐵路橋梁具有工程規(guī)模巨大、體系復(fù)雜、結(jié)構(gòu)輕柔、位移量大等特點(diǎn)，在靜動態(tài)驗收和正常服役階段，橋梁處于溫度、風(fēng)及列車荷載的組合作用下，結(jié)構(gòu)變形和軌道形位與基準(zhǔn)溫度下的理想狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。如某長江大橋主航道橋跨中高程比設(shè)計高程高57 cm（環(huán)境溫度20℃時）；某長江大橋根據(jù)線形測量數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度29℃時），實(shí)測線形與原設(shè)計線形換算為同溫度（15℃）下，主跨跨中分別高于原設(shè)計軌面45.60、52.50 cm［1］。

軌道線路作為橋上的附屬結(jié)構(gòu)物，其平順性極大程度依賴橋梁的結(jié)構(gòu)線形，特別是在大跨度斜拉橋、懸索橋和斜拉-懸索協(xié)作體系橋等柔性、半柔性體系橋上。橋梁結(jié)構(gòu)較大撓曲變形可能引起較小半徑的豎曲線和平面曲線，同時受復(fù)雜梁-軌間相互作用及梁端伸縮裝置和軌調(diào)器變形等影響，梁端區(qū)域的局部不平順也明顯加劇，對高度依賴軌道平順性的鐵路列車而言，其行車安全性和穩(wěn)定性將因此受到更嚴(yán)峻的考驗。

特大跨度橋梁在設(shè)計階段均按規(guī)范要求完成了車-線-橋仿真分析，對大橋運(yùn)營階段的動力性能以及行車安全性和乘坐舒適性均有評估結(jié)論，在此針對高速鐵路特大跨度橋梁在驗收階段的軌道靜態(tài)幾何偏差影響因素，從縱斷面設(shè)置、溫度變形、施工偏差及道砟容重偏差等方面探討各影響因素的特征，提出確定特大跨度橋梁軌道靜態(tài)長波不平順驗收標(biāo)準(zhǔn)的研究思路，為特大跨度橋梁達(dá)速開通提供依據(jù)。

1 縱斷面設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范［2-3］，鐵路橋梁可按恒載+0.5倍靜活載產(chǎn)生的撓度曲線反向設(shè)置預(yù)拱度，對鐵路特大跨度橋梁而言，如果列車長度（或到發(fā)線長度）顯著小于跨度，活載不同作用位置產(chǎn)生的撓度曲線不同，在存在多個活載線形的狀態(tài)下，不適合按設(shè)計規(guī)范進(jìn)行預(yù)拱度設(shè)置。

以某長江大橋為例，其主橋為（84+84+1 092+84+84）m雙塔連續(xù)鋼桁梁公鐵兩用懸索橋，橋梁效果見圖1。單列和雙列對開的16輛編組客車在不同位置處的橋面變形曲線見圖2和圖3［1］。由圖可見，無論單列列車還是雙列對開列車，列車在橋面不同位置的橋面變形曲線差異巨大，選擇任一條曲線形式作為靜活載撓度曲線計算預(yù)拱度均不盡合理，因此，建議對主跨跨度超出到發(fā)線長度的橋梁，宜選取“人字坡”作為線路縱斷面。

圖1 某長江大橋橋梁效果

圖2 單列客車（16輛編組）不同位置處某長江大橋橋面變形曲線

圖3 雙列對開客車（16輛編組）不同位置處某長江大橋橋面變形曲線

1.1.1 “人字坡”縱斷面

對采用“人字坡”縱斷面的大跨度橋梁，建議設(shè)置原則如下：

（1）變坡點(diǎn)設(shè)于主橋外，便于鋼梁的制造與架設(shè)。

以某長江大橋為例，跨中較人字坡起點(diǎn)的高程差達(dá)到2 m，需要在鋼梁的制造和架設(shè)過程中完成縱斷面設(shè)置，如果減小坡段長度，將變坡點(diǎn)設(shè)于主橋范圍內(nèi)，同樣需要在鋼梁節(jié)段制造或拼裝時考慮坡度變化，加大了制造和施工難度，且對結(jié)構(gòu)受力不利。

（2）大位移梁端伸縮裝置和軌調(diào)器位于斜坡上，需要保證不同伸縮量下軌面坡度保持不變。

（3）坡度設(shè)置需要考慮溫度及施工偏差、列車荷載的影響，保證客車牽引和制動順暢，建議設(shè)計縱斷面、施工偏差、溫度及列車荷載組合影響下，高速鐵路特大跨度橋梁的鐵路橋面動態(tài)坡度限值不宜超過同線路區(qū)間正線路基區(qū)段的最大坡度［2］，此外，建議坡度設(shè)置時保證最不利高溫狀態(tài)下橋面線形保持輕微上拱；通過車-線仿真分析對考慮溫度影響后的橋上線路縱斷面進(jìn)行評估，建議車體加速度最大值不應(yīng)超過0.5 m/s2。

（4）坡段長度盡可能滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范要求［2］，在兩側(cè)引橋較短甚至缺失（如直接接隧道）的條件下，根據(jù)合理的軌道抬高量調(diào)整坡段長度，但最小夾坡段長度應(yīng)不小于0.4v（v為車速，km/h），最小坡段長度應(yīng)不小于200 m。

對于列車長度（或到發(fā)線長度）與特大跨度橋主跨跨度相當(dāng)甚至偏小的情況，設(shè)“人字坡”可能導(dǎo)致最小坡段長度不滿足規(guī)范要求，且施工偏差也將導(dǎo)致軌道線形較差，因此建議采用“平坡+預(yù)拱度”的方式，此時預(yù)拱度應(yīng)按不平順進(jìn)行評估。

1.1.2 “平坡+預(yù)拱度”縱斷面

對采用“平坡+預(yù)拱度”縱斷面的大跨度橋梁，建議設(shè)置原則如下：

（1）橋上道砟厚度控制在33～45 cm［4］，不僅保證2期恒載均勻，也體現(xiàn)預(yù)拱度的作用；

（2）邊跨不設(shè)預(yù)拱度，保證大位移梁端伸縮裝置和軌調(diào)器與引橋或路基段的平坡順暢銜接；

（3）對多線橋梁，預(yù)拱度的幅值需要專門研究，總原則是溫度疊加預(yù)拱度后軌道線形引起的車體加速度不宜超過0.5 m/s2；

（4）最不利組合工況，如溫度、預(yù)拱度、列車荷載組合，動態(tài)坡度最大值不宜超過同線路區(qū)間正線路基區(qū)段的最大坡度，以保證客車的牽引和制動能力。

2 溫度變形和施工偏差處理

大跨度橋梁的溫度變形和施工偏差往往體現(xiàn)為范圍廣、幅值大的長波變形。由于靜態(tài)驗收階段的環(huán)境溫度往往與設(shè)計基準(zhǔn)溫度存在差異，此時橋梁和軌道線形處于多種因素的組合作用下，且因幅值過大，難以通過調(diào)整道床厚度完全解決，以圖1所示的某長江大橋為例，該橋原始縱斷面設(shè)置見圖4，縱斷面成橋軌面高程與原設(shè)計對比見圖5。該橋主體結(jié)構(gòu)建成后，由于成橋溫度（29℃）與設(shè)計基準(zhǔn)溫度（15℃）的差異、橋上公路鋪裝和附屬工程等恒載質(zhì)量比原設(shè)計恒載偏小等因素，成橋線形與原設(shè)計存在一定差異，主跨段成橋軌面高程較原設(shè)計呈現(xiàn)跨中低、兩側(cè)高的形態(tài)，換算為同溫度下（15℃）后，主跨跨中高于原設(shè)計軌面 45.60 cm［1］。

圖4 某長江大橋原始縱斷面設(shè)置

圖5 某長江大橋縱斷面成橋軌面高程與原設(shè)計對比

該橋基于29℃實(shí)測成橋線形，根據(jù)《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求擬合設(shè)計了各個環(huán)境溫度下的線路縱斷面，擬合時遵循以下3項原則：

（1）控制主橋道床厚度，滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)［4］；

（2）優(yōu)化坡段平順性，便于養(yǎng)護(hù)維修；

（3）最小坡長大于200 m，滿足設(shè)計行車速度要求。

擬合后的各溫度下線路縱斷面見圖6。

圖6 某長江大橋不同溫度下的擬合線路縱斷面

該橋采用擬合縱斷面的方式處理環(huán)境溫度和施工偏差對橋梁和軌道線形的影響，不僅導(dǎo)致存在多個縱斷面，增加了運(yùn)營維護(hù)難度，且擬合縱斷面由直線和圓曲線組成，存在多個變坡點(diǎn)，可能存在理論設(shè)計的曲線拐點(diǎn)、變坡點(diǎn)與多年運(yùn)營后實(shí)際曲線拐點(diǎn)、變坡點(diǎn)不吻合的情況，反而導(dǎo)致縱斷面不平順性增加，鑒于鐵路局集團(tuán)公司運(yùn)營維護(hù)通常要求縱斷面具有穩(wěn)定性，因此，對后續(xù)高速鐵路特大跨度橋梁不建議采用擬合縱斷面的方式處理環(huán)境溫度和施工偏差引起的線形變化，而是仍保持基準(zhǔn)設(shè)計縱斷面，將環(huán)境溫度和施工偏差對軌道線形的影響視為長波不平順［5］，以軌面相對高程控制，僅當(dāng)一定弦長的平順值超標(biāo)時適當(dāng)平順即可，具體處理時可通過10、30和60 m中點(diǎn)弦［6-7］組合標(biāo)準(zhǔn)管控特大跨度橋梁的軌道平順性，由中點(diǎn)弦測法的傳遞函數(shù)可知其有效檢測波長分別為7～20 m、20～60 m和40～120 m，3弦組合的軌道平順性管控波長覆蓋了7～120 m。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的有砟道床厚度可調(diào)量-20～+100 mm，通過滿足上述3個弦長的管理幅值確定軌道結(jié)構(gòu)的目標(biāo)線形，進(jìn)而制定軌道精調(diào)方案。對該橋的跟蹤分析表明，如果采用基于60、30和10 m弦長的中點(diǎn)弦組合標(biāo)準(zhǔn)作為軌道平順性精調(diào)目標(biāo)，且控制標(biāo)準(zhǔn)為60 m弦限值6 mm、30 m弦限值3 mm和10 m弦限值1 mm時，可在基準(zhǔn)起道量的基礎(chǔ)上調(diào)整量最大增15.8 mm、減10.0 mm。包含基準(zhǔn)起道量的調(diào)整量遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的-20～+100 mm大機(jī)搗固調(diào)整量限值要求，軌道平順性能夠滿足要求。該橋根據(jù)2021年2月8號的軌道高程實(shí)測數(shù)據(jù)擬定的軌道精調(diào)方案見圖7—圖11。

圖7 某長江大橋2021年2月8號優(yōu)化前后高程偏差

圖8 某長江大橋2021年2月8號高程調(diào)整量

圖9 某長江大橋2021年2月8號優(yōu)化前后60 m弦正矢

圖10 某長江大橋2021年2月8號優(yōu)化前后30 m弦正矢

圖11 某長江大橋2021年2月8號優(yōu)化前后10 m弦正矢

3 道砟容重偏差影響

圖1所示的某長江大橋在鋪軌時對道砟進(jìn)行稱重，鋪設(shè)時容重為17.5 kN/m3，與設(shè)計階段根據(jù)規(guī)范采用的21.0 kN/m3存在一定差異，原因在于新建線路的道砟密實(shí)度不足，相關(guān)研究單位分析了此類荷載對橋梁變形的影響［1，8］（見圖12）。

圖12 主橋荷載對結(jié)構(gòu)豎向變形影響

根據(jù)分析，跨中最大位移為-126.14 mm（全橋或主跨均勻加載10 kN/m），最小位移為-65.22 mm（主跨靠北岸側(cè)546 m均勻加載10 kN/m）。橋面位移曲線表現(xiàn)為較勻順的長波變形曲線，靜態(tài)驗收階段道砟容重偏差影響與溫度變形曲線具有相似的特點(diǎn)，可以在根據(jù)10、30和60 m中點(diǎn)弦組合標(biāo)準(zhǔn)制定軌道精調(diào)方案時一并處理。

4 結(jié)論

（1）針對特大跨度橋梁的線路縱斷面設(shè)置，對主跨跨度超出到發(fā)線長度的橋梁，宜選取“人字坡”作為線路縱斷面；對主跨跨度接近或小于到發(fā)線長度的橋梁，建議采用“平坡+預(yù)拱度”的方式設(shè)置線路縱斷面。

（2）特大跨度橋梁的溫度變形和施工偏差往往體現(xiàn)為范圍廣、幅值大的長波變形，不建議采用擬合縱斷面的方式處理，而是仍保持基準(zhǔn)設(shè)計縱斷面；將溫度和施工偏差對軌道線形的影響視為長波不平順，以軌面相對高程控制，僅當(dāng)一定弦長的平順值超標(biāo)時適當(dāng)平順即可。

（3）對高速鐵路特大跨度橋梁，靜態(tài)驗收階段存在的溫度變形、施工偏差和道砟容重偏差產(chǎn)生的軌道線形變化，建議采用60 m弦6 mm、30 m弦3 mm和10 m弦1 mm的組合標(biāo)準(zhǔn)確定軌道結(jié)構(gòu)的目標(biāo)線形，并在道砟厚度可調(diào)量-20～+100 mm內(nèi)制定軌道精調(diào)方案。