徐鹽高鐵大跨度連續(xù)鋼桁梁斜拉橋無縫線路技術(shù)研究

劉家兵

(中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071)

1 概述

橋上無縫線路橋梁-軌道相互作用原理較為復(fù)雜，自1963年開始在橋梁上鋪設(shè)無縫線路以來，部分學者對橋上無縫線路的檢算與設(shè)計開展深入的研究，已經(jīng)明確了橋梁-軌道縱向相互作用機理，以及伸縮力、撓曲力、制動力、斷軌力的計算方法[1]。但對特殊型式橋上無縫線路研究還相對較少。斜拉鋼桁結(jié)構(gòu)為半漂浮體系，橋梁-軌道縱向相互作用原理與普通鋼桁梁差異較大[2]，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)鋼桁梁(長聯(lián))伸縮的影響

鋼桁斜拉橋?qū)τ跍囟茸兓容^敏感，溫度發(fā)生變化時，橋梁-軌道產(chǎn)生相對位移(縱向)，使軌道內(nèi)部出現(xiàn)附加力(縱向)，特別是大跨度鋼桁梁(長聯(lián))對軌道縱向力的影響更為明顯。

(2)主塔及斜拉索的影響

鋼桁梁的縱向位移會受到主塔及斜拉索的反向作用，主塔及斜拉索設(shè)置對伸縮力、撓曲力、制(啟)動力以及斷軌力的數(shù)值大小、分布規(guī)律都會有明顯影響。

(3)半漂浮體系的影響

需要分析研究制動阻尼器的布置、半漂浮狀態(tài)等因素對橋梁-軌道相互作用下各種受力傳遞的影響。動車組制(啟)動荷載作用下，需要更深層次研究半漂浮體系的影響。

(4)橋梁結(jié)構(gòu)形變的影響

橋梁兩端主跨、副跨出現(xiàn)橫向位移、垂向位移，會給軌道平穩(wěn)性、安全性造成較大影響。斜拉橋梁撓曲變形較大，對鋼桁斜拉橋的結(jié)構(gòu)變形進行深入研究，具有重要意義。

總之，原來基于梁式橋的研究，得出的橋梁-軌道相互作用機理，對于大跨度斜拉橋是否能適用，還無法確定，需要結(jié)合實踐、理論研究才能得出結(jié)論。

以徐宿淮鹽鐵路鹽城特大橋為例，利用通用的建模軟件建立大跨橋橋梁-軌道耦合模型并進行計算分析，對設(shè)置了調(diào)節(jié)器的大跨橋進行檢算，提出適用于大跨斜拉橋的無縫線路設(shè)計技術(shù)方案，并總結(jié)在研究過程中出現(xiàn)的問題，為類似橋梁設(shè)計提供借鑒[3]。

徐宿淮鹽鐵路經(jīng)過蘇北的徐州市、宿遷市、淮安市及鹽城市，是江蘇省腹地最重要的鐵路大動脈之一，被冠以江蘇省“鐵路金腰帶”的美譽，全線設(shè)計速度250 km/h，近期共設(shè)置車站10座，遠期預(yù)留車站1座。正線長315 km，橋梁比例為91%。鹽城特大橋主橋跨越鹽城市通榆河與新洋港交界的喇叭口，橋位緊鄰既有普速鐵路新長線，是徐宿淮鹽鐵路的控制性工程。

為適應(yīng)動車組運行動力性能和平順性的要求，按照經(jīng)濟、環(huán)保、安全、美觀的原則，鹽城特大橋跨新洋港主跨采用(72+96+312+96+72) m連續(xù)鋼桁斜拉橋，主橋全長650 m。主橋采用半漂浮體系，雙索面雙塔連續(xù)鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，主梁設(shè)置三角形桁式；主塔采用H形雙塔雙索面結(jié)構(gòu)；橋塔共設(shè)置48對斜拉索。

結(jié)合項目情況，新洋港主跨采用單懸臂不對稱拼裝施工的施工工藝，鋼桁梁結(jié)構(gòu)的抗風穩(wěn)定性得到明顯提高。主橋比例協(xié)調(diào)美觀，線型簡潔流暢，結(jié)構(gòu)受力合理。

橋上鋪設(shè)有砟軌道，采用60 kg/m、U71MnG鋼軌，彈條V形扣件，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，主跨結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鹽城特大橋主跨結(jié)構(gòu)示意

斜拉索采用耐久性能、受力性能良好的環(huán)氧平行鋼絲拉索，在上塔柱采用預(yù)應(yīng)力齒塊錨固，工程造價較低，后期養(yǎng)護維修工作量較小。配套使用低回縮量錨具，索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力采用單端張拉的方式，有效減少預(yù)應(yīng)力損失。利用地形特征，采用不對稱懸拼施工的工藝，配合斜拉橋抗風措施，有效提高鋼桁梁的抗風穩(wěn)定性；邊跨采用支架拼裝的方式，利用支點高程控制成橋的線形及拱度；為降低上塔柱斜拉索的施工干擾，對斜拉索不對稱張拉進行專項設(shè)計。

2 檢算思路

徐宿淮鹽鐵路鹽城鋼桁特大橋設(shè)計中，對以下設(shè)計方案進行比選[4]。

方案一：采用彈條V形常阻力扣件；方案二：采用彈條V形小阻力扣件，并根據(jù)實際情況調(diào)整鎖定軌溫；方案三：采用調(diào)節(jié)器。

若采用常阻力扣件(方案一)和小阻力扣件(方案二)，軌道檢算達不到規(guī)范要求，故決定采用方案三，即在鋼桁斜拉橋兩端設(shè)置調(diào)節(jié)器，尖軌位于鋼桁梁上、其區(qū)域鋪設(shè)常阻力扣件，調(diào)節(jié)器基本軌位于兩端的混凝土梁上、其區(qū)域鋪設(shè)小阻力扣件[5]。

3 有限元模型

利用通用建模軟件，建立橋梁-軌道模型并進行計算分析[6]。整個檢算模型由軌道模塊和橋梁模塊組成，兩個模塊通過扣件連接實現(xiàn)力的傳導(dǎo)等相互作用[7]。有砟軌道結(jié)構(gòu)模型包括鋼軌以及扣件，橋梁結(jié)構(gòu)主要包括橋墩、梁體、燕尾板、鋼軌、主塔柱、塔柱連接斜拉索等[8]。主橋和引橋部分的模型見圖2、圖3。

圖2 鋼桁斜拉橋分析模型

圖3 混凝土連續(xù)梁橋分析模型

塔結(jié)構(gòu)采用beam3單元，鋼軌采用link1單元，橋梁采用桿單元，橋梁與軌道的連接采用combin39彈簧單元，斜拉索采用桿單元，橋墩和橋臺采用combin14彈簧單元。

對于活動及固定支座的問題，利用橋梁-軌道檢算的假定，即固定支座能完全阻擋橋梁的縱向位移，忽略活動支座的縱向力。橋梁固定支座采用全部約束，而橋梁活動支座只有垂向約束[9]。

本次建模采用兩線結(jié)構(gòu)，每一條線路的兩根鋼軌利用扣件和軌枕建立連接，需要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的慣性矩貢獻和框架剛度。

4 橋上無縫線路檢算

在橋梁兩端設(shè)置兩處調(diào)節(jié)器，尖軌位于主橋上，并設(shè)置常阻力扣件；基本軌位于引橋上，并設(shè)置小阻力扣件[10]。軌道結(jié)構(gòu)布置見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

4.1 基本溫度力+伸縮力

溫度下降情況下，基本溫度力加上伸縮力的變化見圖5，數(shù)值最大的點位于路基上。由圖5可知，降溫46.2℃時，鋼軌的最大附加壓力為0，出現(xiàn)在鋼桁梁兩側(cè)，最大附加拉力為865.56 kN，出現(xiàn)在引橋和路基上。

圖5 基本溫度力+伸縮力示意(降溫)

溫度升高條件下，基本溫度力加上伸縮力的變化見圖6，數(shù)值最大的點位于路基上。升溫33.1 ℃時，鋼軌的最大附加拉力為0，出現(xiàn)在鋼桁梁兩側(cè)，最大附加壓力為677.93 kN，出現(xiàn)在引橋和路基上。

圖6 基本溫度力+伸縮力示意(升溫)

4.2 制動力分析

根據(jù)動車組制動或啟動位置的不同，可以分為兩種工況[11]。

(1)工況一

動車組在主橋左側(cè)發(fā)生制動或啟動，荷載的長度為400 m，鋼軌縱向力受力變化見圖7。由圖7可知，工況一下列車制動時，制動拉力的最大值為34.94 kN，制動壓力的最大值為10.53 kN。

圖7 制動力示意

動車組制動或啟動時，鋼軌、橋梁和兩者之間相對的變化見圖8。由圖8可知，鋼軌縱向位移最大值為5.14 mm，橋梁縱向位移最大值為5.14 mm，橋梁和軌道相對變化最大值為1.04 mm，小于4 mm，符合相關(guān)規(guī)定。

圖8 梁軌快速相對位移

(2)工況二

動車組在主橋右側(cè)發(fā)生制動或啟動，荷載的長度為400 m，制動附加力及橋梁-軌道相對的變化見圖9、圖10。制動拉力的最大值為34.94 kN，制動壓力最大值為10.53 kN。動車組制動或啟動時，鋼軌縱向位移的最大值為5.16 mm，橋梁縱向位移最大值為5.16 mm，橋梁-軌道相對變化最大值為1.06 mm，小于4 mm，符合相關(guān)規(guī)定。

圖9 制動力示意

圖10 梁軌快速相對位移

4.3 強度與穩(wěn)定性等檢算

(1)強度與穩(wěn)定性

鋼軌強度檢算結(jié)果見表1，軌道穩(wěn)定性檢算結(jié)果見表2。

由表1、表2可知，對于橋上無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，鋼軌強度及軌道穩(wěn)定性能均達到相關(guān)規(guī)定要求[12]。

表1 鋼軌強度檢算

表2 軌道穩(wěn)定性檢算

(2)斷縫值

在主橋兩邊都設(shè)置調(diào)節(jié)器后，伸縮附加力最大值出現(xiàn)在右側(cè)的引橋(60 m+100 m+60 m)與簡支梁梁縫處。鋼軌溫度降低、橋梁收縮時，該處鋼軌的縱向拉力最大，最易出現(xiàn)斷軌問題[13]。斷縫值計算結(jié)果見圖11。

圖11 斷縫值計算

由圖11可知，當混凝土連續(xù)梁與簡支梁梁縫處出現(xiàn)斷軌情況時，斷縫值為39.98 mm，小于70 mm，符合相關(guān)規(guī)定。

(3)梁軌快速相對位移

不同動車組發(fā)生制動或啟動時，橋梁-軌道相對的變化最大值分別為1.04 mm和1.06 mm，小于4 mm，符合相關(guān)規(guī)定。

4.4 墩臺受力分析

梁體撓曲、伸縮、斷軌和列車制動時，橋梁固定支座所在墩臺的受力見表3[14]。

表3 不同工況下墩臺受力

4.5 斜拉索的受力

梁體升溫25 ℃條件下，主橋及索的變形見圖12。

圖12 斜拉索變形云圖(伸縮工況)

由圖12可知，梁體變形條件下，斜拉索縱向荷載較大，最大值為303.259 kN；動車組制啟動條件下，索受力較小，縱向荷載主要導(dǎo)致梁體變形，并將受力傳導(dǎo)給半漂浮體系。相較于斜拉索的初始應(yīng)力(2 500～3 500 kN)，橋梁變形所導(dǎo)致的索受力較小，小于初始應(yīng)力的15%。

4.6 斜拉橋垂向變形

鋼桁梁伸縮(升溫25 ℃)工況下，鋼桁梁最大垂向位移為61.6 mm，鋼軌最大垂向位移為58.2 mm，位于連續(xù)鋼桁梁主跨跨中。由于梁體伸縮是一個緩慢變化的過程，且垂向變形相對于鋼桁跨度比值較小(1/5 000)，產(chǎn)生的軌道長波不平順不會對列車運營產(chǎn)生影響[15]。如考慮索結(jié)構(gòu)升溫(25 ℃或20 ℃)，由于索結(jié)構(gòu)的伸長效應(yīng)，鋼桁梁跨中的垂向位移會有所減小，見圖13。

圖13 伸縮工況下垂向位移

列車荷載(ZK荷載分布)作用下，鋼桁梁會出現(xiàn)撓曲變形，最大值位于連續(xù)鋼桁梁主跨跨中。雙線過車且荷載均位于連續(xù)梁主跨區(qū)域時，梁體撓曲變形量和軌道垂向變形量最大，梁體撓曲最大值為251.9 mm，軌道垂向變形最大值為239.8 mm。實際情況中，列車荷載作用長度大于主跨長度(312 m)，即部分荷載作用于邊跨(96 m跨鋼桁區(qū)域)，此時梁體撓曲會稍小，見圖14。

圖14 列車荷載下垂向位移

鹽城鋼桁斜拉特大橋主橋為鋼桁斜拉橋，主跨達312 m，撓跨比大于1/1 600，按相關(guān)規(guī)范規(guī)定應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度。列車荷載作用下，邊跨結(jié)構(gòu)(96 m、72 m的鋼桁部分)跨度較小，梁體的撓曲變形相對較小。

綜上所述，橋上無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案合理、可行，在連續(xù)鋼桁梁(72+96+312+96+72) m兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，尖軌固定、基本軌伸縮。尖軌位于連續(xù)鋼桁梁上、不跨越梁縫，基本軌跨越鋼桁梁端部梁縫設(shè)置，在邊跨混凝土簡支梁、連續(xù)梁橋上布置小阻力扣件[16]。

5 結(jié)語

(1)對徐宿淮鹽鐵路鹽城特大橋跨新洋港鋼桁梁斜拉橋橋上無縫線路進行設(shè)計檢算，鋼軌壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分別為221.34 MPa、227.07 MPa，軌道結(jié)構(gòu)壓力為880 kN，橋梁-軌道相對的變化最大值分別為1.04 mm和1.06 mm，鋼軌斷縫值為39.98 mm，均滿足規(guī)范要求。

(2)在有調(diào)節(jié)器工況下的大跨橋設(shè)計檢算中，橋梁-軌道相互作用機理復(fù)雜，在車輛荷載的應(yīng)用時，應(yīng)將不同車輛荷載進行一定組合，使得計算更符合實際情況。

(3)若大跨度斜拉橋采用鋼混組合梁、無砟軌道時，可考慮建立無砟軌道的橋梁-軌道耦合模型；在進行設(shè)計與檢算時，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的實際情況分別選取當?shù)夭煌臒o砟軌道年溫差，在寒冷地區(qū)更應(yīng)嚴格進行計算與檢算，以保證軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用。