長聯(lián)大跨度連續(xù)鋼桁梁無砟軌道施工線形控制

趙汗青 王小勇 金令 王海彬 楊登輝

1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.中鐵大橋局第一工程有限公司，鄭州 450003

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，無砟軌道被廣泛運(yùn)用到大跨度橋梁上。施工過程中大跨度橋梁的溫度敏感性高，且無砟軌道對線形精度要求高，這給無砟軌道施工線形控制帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，針對大跨度橋梁，研究無砟軌道施工線形控制具有重要意義。

文獻(xiàn)［1］針對京張高速鐵路官廳水庫特大橋主橋，分析了溫度變化對無砟軌道的影響，提出應(yīng)在夜間對該橋進(jìn)行鋪軌和精調(diào)。文獻(xiàn)［2-3］分析了在大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋無砟軌道的鋪設(shè)過程中預(yù)拱度對成橋線形和軌道線形的影響。文獻(xiàn)［4］分析了當(dāng)采用不同施工工序時簡支鋼桁梁橋的設(shè)計預(yù)拱度和施工實(shí)測預(yù)拱度，提出在鋼桁梁的加工和施工過程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求嚴(yán)格控制預(yù)拱度。文獻(xiàn)［5］根據(jù)鄭萬、鄭阜高速鐵路河南段的施工經(jīng)驗(yàn)，提出增加無砟軌道的管控流程并更新其管控措施，從而提高無砟軌道的平順性。文獻(xiàn)［6］在無砟軌道施工前采用橋面預(yù)壓試驗(yàn)得到橋梁的實(shí)際剛度，從而修正無砟軌道的施工線形。

為了確保鄭州萬灘黃河公鐵大橋主橋（112+6 ×168+112）m 連續(xù)鋼桁梁無砟軌道的線形精度滿足規(guī)范和設(shè)計要求，本文在無砟軌道施工前對連續(xù)鋼桁梁進(jìn)行施工線形控制試驗(yàn)，測量連續(xù)鋼桁梁的施工撓度，并與撓度理論計算值進(jìn)行對比，通過修正有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度來預(yù)測無砟軌道的施工撓度，為無砟軌道施工線形控制提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 橋梁簡介

鄭州萬灘黃河公鐵大橋主橋連續(xù)鋼桁梁（圖1）位于黃河主河槽（378#—386#墩），全聯(lián)共計8 跨，全長1 232 m，大橋?yàn)楣F兩用橋，上層為六車道鄭新快速路，下層為四線鐵路（兩線為鄭濟(jì)高速鐵路，兩線為鄭新城際鐵路［7］）。其中，下層鐵路采用無砟軌道施工。

圖1 （112+6 × 168+112）m連續(xù)鋼桁梁布置（單位：m）

1.2 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道

連續(xù)鋼桁梁橋采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、WJ-8B 扣件、道床板以及底座組成，見圖2。

圖2 CRTSⅠ型雙塊式減振無砟軌道（單位：cm）

2 施工線形控制試驗(yàn)

通過澆筑橋面鋪裝層及防護(hù)墻的混凝土來施加荷載，測量連續(xù)鋼桁梁的實(shí)際撓度L1，結(jié)合理論計算撓度L2，推導(dǎo)連續(xù)鋼桁梁的施工剛度。通過連續(xù)鋼桁梁的施工剛度修正無砟軌道施工撓度，為無砟軌道施工線形控制提供依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)荷載

試驗(yàn)前，統(tǒng)計試驗(yàn)荷載（表1）并對其進(jìn)行分析，擬定合理的試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)荷載

2.2 試驗(yàn)測點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況及試驗(yàn)要求，選擇383#—386#墩的三跨連續(xù)鋼桁梁進(jìn)行施工線形控制試驗(yàn)。位移監(jiān)測測點(diǎn)布置在鐵路層下弦桿頂部，按節(jié)間布置：每個節(jié)間為一個斷面，每個斷面按三桁布置4個測點(diǎn)，即鄭新城際鐵路側(cè)邊桁（簡稱市域側(cè)邊桁）和鄭濟(jì)高速鐵路側(cè)邊桁（簡稱高速鐵路側(cè)邊桁）的下弦桿布置1 個測點(diǎn)，中桁下弦桿處布置2 個測點(diǎn)。因此，383#—386#墩三桁共計156 個位移監(jiān)測點(diǎn)。384#—383#墩的節(jié)點(diǎn)編號為24—38（圖3）；386#—384#墩的節(jié)點(diǎn)編號為0 —24。

圖3 383#—384#墩測點(diǎn)平面布置（單位：m）

2.3 試驗(yàn)過程

1）第一次測量。在施工線形控制試驗(yàn)開始前，測量下弦桿各監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)高初始值。

2）第二次測量。澆筑384#—385#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測量下弦桿各監(jiān)測點(diǎn)位移。

3）第三次測量。澆筑383#—384#及385#—386#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測量下弦桿各監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)高。

4）第四次測量。澆筑383#—386#跨市域側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測量下弦桿各監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)高。

3 試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的對比

3.1 有限元模型的建立

采用MIDAS/Civil軟件建立全橋有限元模型，采用板單元模擬鐵路鋼橋面板，采用梁單元模擬鋼桁架和縱橫梁，在橋墩處添加邊界約束條件來模擬橋墩的支撐作用。

3.2 第二次測量結(jié)果對比

澆筑試驗(yàn)跨（384#—385#）高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測量下弦桿標(biāo)高并減去對應(yīng)的初始標(biāo)高，得到第二次測量結(jié)果，見圖4。圖中負(fù)值表示節(jié)點(diǎn)向下移動，正值表示節(jié)點(diǎn)向上移動。

圖4 第二次測量結(jié)果

由圖4可知：①因?yàn)橹煌瓿闪?84#—385#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土的澆筑，所以在384#—385#跨中，高速鐵路側(cè)的邊桁下弦桿處撓度最大，且撓度實(shí)測值和理論計算值的相對誤差最小。②與384#—385#跨的撓度相比，383#—384#、385#—386#跨的撓度較小，實(shí)測值和理論計算值的相對誤差較大。③整體上撓度實(shí)測值小于理論計算值，說明在有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度小于施工剛度。為了能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測出無砟軌道的施工撓度，應(yīng)適當(dāng)增大連續(xù)鋼桁梁的理論剛度。

3.3 第三次測量結(jié)果對比

第三次測量結(jié)果見圖5。因?yàn)楝F(xiàn)場有遮擋物，無法測到幾個測點(diǎn)的下弦桿標(biāo)高，所以圖中缺少一些節(jié)點(diǎn)的撓度實(shí)測值?？芍孩佼?dāng)383#—386#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻的混凝土均澆筑完成后，市域側(cè)邊桁下弦桿處撓度最小，且撓度實(shí)測值和理論計算值的相對誤差最大。②383#—384#和384#—385#跨中，各測點(diǎn)撓度的實(shí)測值均小于理論計算值。

圖5 第三次測量結(jié)果

3.4 第四次測量結(jié)果對比

為了能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測出無砟軌道的施工撓度，為無砟軌道施工線形控制提供依據(jù)，對比分析了連續(xù)鋼桁梁撓度的理論計算值L2與實(shí)測值L1，見圖6?？芍?，L2/L1的擬合值為1.35，即連續(xù)鋼桁梁的施工剛度是理論剛度的1.35倍。因此，有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度增大到原設(shè)計值的1.35倍。

圖6 鋼桁梁撓度的理論計算值與實(shí)測值對比

4 無砟軌道施工線形控制措施

4.1 底座板施工線形控制

根據(jù)施工進(jìn)度以及施工線形控制試驗(yàn)的結(jié)果，修正連續(xù)鋼桁梁的理論剛度，計算出鄭濟(jì)高速鐵路側(cè)底座板施工標(biāo)高控制預(yù)抬值。在底座板施工時，通過測量施工前后各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高，獲得連續(xù)鋼桁梁鋼混結(jié)構(gòu)的撓度，并與理論計算值進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步修正連續(xù)鋼桁梁鋼混結(jié)構(gòu)的理論剛度，為道床板施工線形控制提供數(shù)據(jù)支撐，保證無砟軌道施工線形。

4.2 無砟軌道施工線形控制

采用相對高差控制法控制無砟軌道施工線形。高差如圖7所示。

圖7 高差示意

具體實(shí)施方法如下：

1）在環(huán)境溫度恒定且溫度接近15 ℃時，測量全橋CPⅢ點(diǎn)的高程、坐標(biāo)值，以及全橋CPⅢ斷面處鋪裝層頂面實(shí)際高程（無砟軌道中線處），得到鋪裝層頂面實(shí)際高程曲線。

2）根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑睦碚撥壍讟?biāo)高曲線，得到軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線①。

3）用目標(biāo)曲線①減去實(shí)際曲線，就可以得到各斷面處的高程差，此高程差即為底座板和道床板施工厚度之和。

4）確定各斷面底座板及道床板的施工厚度，消除前期施工高度偏差。

5）按照確定的施工厚度，施工完全部底座板。

6）在溫度恒定且接近15 ℃時，再次測量CPⅢ點(diǎn)的高程及坐標(biāo)，同時測量底座板頂面中心線高程。

7）用第6 步的測量結(jié)果減去第1 步的測量結(jié)果并進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果修正連續(xù)鋼桁梁鋼混結(jié)構(gòu)的理論剛度。

8）根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑睦碚撥壍讟?biāo)高曲線和第7步的計算結(jié)果，得到軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線②。

9）將軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線②測設(shè)放線至相應(yīng)的防護(hù)墻上。

10）根據(jù)軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線②，施工道床板。

11）全橋竣工測量。

4.3 施工線形控制的實(shí)測結(jié)果

測量市域側(cè)邊桁、中桁和高速鐵路側(cè)邊桁的最終線形，鋼梁相對高程設(shè)計值與實(shí)測值對比見圖8?？芍?，相對高程設(shè)計值與實(shí)測值之間的誤差非常小，這說明本文提出的措施可以很好地控制無砟軌道的施工線形。

圖8 鋼梁相對高程設(shè)計值與實(shí)測值對比

5 結(jié)語

連續(xù)鋼桁梁中各測點(diǎn)撓度的實(shí)測值均小于理論計算值，說明在有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度小于實(shí)際剛度。為了能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測出無砟軌道的施工撓度，應(yīng)適當(dāng)增大連續(xù)鋼桁梁的理論剛度。根據(jù)第四次測量結(jié)果可知，連續(xù)鋼桁梁撓度的理論計算值是實(shí)測值的1.35倍，有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度應(yīng)增大到原設(shè)計值的1.35倍。