大跨度橋上鋪設無砟軌道結構設計研究

周詩廣

(鐵道部經濟規劃研究院,北京 100038)

1 概述

高速鐵路的高速度、高舒適性、高安全性、高密度連續運營等特點,對其軌下基礎提出了嚴格的要求。軌道應該在列車以規定的最大載重和最高速度運行時,具有足夠的強度、穩定性和平順性,以保證高速行車的需要。橋梁在高速列車荷載作用下,應具有足夠的剛度以確保梁體的撓曲變形、預應力徐變上拱以及不均勻溫度差引起的橋梁變形控制在一定范圍內,且同時具有良好的穩定性。針對大跨度橋上鋪設無砟軌道的結構設計進行研究,就高速鐵路大跨度橋梁無砟軌道結構設計所應注意的問題進行探討。

2 橋梁剛度要求

為保證高速列車運營的安全性和舒適性,大跨度橋上鋪設無砟軌道結構首先應對橋梁剛度提出要求。橋梁作為列車、軌道的支承結構,應該為軌道結構提供穩定、平順的支撐基礎。列車通過橋梁結構時將使橋梁產生豎向、橫向位移,從而引起支座端部產生轉角,導致相鄰范圍內的軌道表面成為不平順曲線,列車通過該部位時受到激振,影響列車行車的安全性與舒適性。因此,必須要求橋梁具有一定的豎向、橫向剛度,才能保證行車安全與乘坐舒適。

由于各個國家橋梁設計技術標準的不同,因此對橋梁剛度的要求也不同。

2.1 日本高速鐵路對橋梁剛度的要求

關于鐵路構筑物的變形要求,日本2006年2月制訂并發布了《鐵路構造物設計標準與解說—變形限制》規范予以專門規定。日本鐵路橋梁采用基于性能設計的極限狀態法的設計體系,根據不同的荷載組合,分別就橋梁的安全性、使用性和可修復性對梁體的變形響應值(剛度)進行檢算。一般取雙線列車活載來計算,撓度按表1、表4所示值控制。

同時該規范還規定了列車活載作用下軌面不均勻變形的設計限值(折角、錯位),如表1～表7所示。

表1 日本新干線鐵路基于運營安全確定的梁撓度的設計限值

表2 日本新干線鐵路基于運營安全確定的軌面錯位的設計限值

表3 日本新干線鐵路基于運營安全確定的軌面折角的設計限值

表4 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的梁撓度的設計限值

表5 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的軌面錯位的設計限值

表6 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的軌面折角的設計限值

表7 日本新干線鐵路基于可修復性確定的軌面不均勻變形的設計限值

除此之外,該規范還要求對橋梁在地震作用狀態下橫向的振動變形和豎向的軌面不均勻變形等進行檢算。由此可見,日本鐵路對橋梁的剛度有著全面系統、嚴格細致的要求。

2.2 德國高速鐵路對橋梁剛度的要求

德國《鐵路新干線上橋梁特殊規程》(BesBDS899/59),第50條中對跨度小于60 m的簡支梁“允許變形的極限值”規定如下：在新干線(即時速超過200 km的線路)上,一般簡支梁橋梁端轉角限值為1.45‰,多孔連續梁橋梁端轉角限值為1.20‰；每延米橋梁長度的轉角限值為0.2‰；連續設置單聯結構軸線間的水平轉角1‰；變形設計時不計動力系數的影響。在跨度大于60 m的情況下應根據計算可適當允許采用較大的變位限值。

在《德國鐵路橋梁及其他工程結構物規范(VEI)DS804》中,對橋梁豎向撓跨比作了如表8的補充規定。

表8 德國DS804有關橋梁豎向撓跨比的規定

2.3 UIC標準對橋梁剛度的要求

UIC776-2中規定,對于行車速度超過200 km/h的橋梁,規定如下：橋面垂直撓度fv≤L/800,梁端部轉角θ≤1/200 rad,水平撓度fh≤L/4 000,橋梁扭曲最大為1 mm/m。

2.4 我國高速鐵路對橋梁剛度的要求

我國《高速鐵路設計規范》(TB10621—2009)中對跨度小于96 m的混凝土結構橋梁剛度提出了如表9、表10所示的要求。對于鋼結構、鋼混結合梁等特殊結構及96 m以上的大跨度橋梁結構的限值則應進行專題研究。

表9 ZK豎向靜活載作用下梁體的豎向撓度限值

表10 ZK豎向靜活載作用下梁端豎向轉角限值

2.5 橋梁橫向剛度

列車通過橋梁時引起橫向振動的因素較豎向復雜,各國對車橋橫向振動的研究相對較少,同時,各國對橫向剛度值評價指標的規定也是不一致。綜合起來,其評價指標主要包括4類：寬跨比、撓跨比、自振周期和振幅。根據寬嚴程度的不同,大致可分為3個層次,以日本新干線標準、我國廣深鐵路標準最嚴,AREA-1983、TBJ2-85、UIC76-2R、法國國鐵次之,BS5400、DS899/59為最寬。具有代表性的幾種規范限值見表11。

表11 具有代表性的橋梁橫向剛度的規定

注：B為梁寬(m)；L為跨徑(m)；[fh]為允許撓度(m)；T為橫向自振周期。

國際鐵路聯盟UIC776-2R規定橋梁水平撓跨比小于1/4 000,計算水平撓度的荷載為由UIC荷載與風荷載、溫度荷載所產生的水平力。

3 梁端扣件系統受力

橋梁因撓曲、徐變等因素引起的梁端變形使梁縫兩側一定范圍內扣件產生上拔力和下壓力,當扣件上拔力和下壓力超過一定限值時,將影響扣件系統的正常使用。因此，對扣件系統受力進行研究,計算分析扣件是否失效直接關系到運營的安全性。

影響梁端扣件上拔力的因素：列車荷載作用下的梁端轉角；徐變上拱轉角；相鄰兩墩的沉降差異；同墩的兩支座沉降差異；列車荷載的作用；橋梁上下梁面的溫差梯度引起的轉角；橋梁的整體溫度差；橋梁的收縮(變短)；列車制動→墩的偏移；墩臺的左右兩側溫差引起墩的偏移；線路坡度。

由上述因素引起的的梁端結構變形包括：梁端支座截面豎向轉角、梁縫兩側支座截面豎向相對位移,圖1、圖2為梁端及橋臺處鋼軌與梁體變形示意圖。

圖1 梁端支座截面豎向轉角帶動軌道變形示意

圖2 橋臺處橋梁轉動示意

計算梁端軌道板結構變形引起扣件上拔力,如圖3所示，可采用梁軌一體化計算模型，綜合上述影響因素進行分析。根據計算分析結果,選擇滿足扣件上拔力要求的扣件系統。

圖3 梁軌一體化扣件系統受力分析模型

圖4 不同梁端轉角扣件系統受力

對扣件上拔力影響最大的是梁端轉角和相鄰梁體由于支座變形等引起的錯臺,圖4、圖5分別為不同梁端轉角和錯臺高低對扣件系統受力的影響。

圖5 不同錯臺高度扣件系統受力

4 道床板(軌道板)穩定性

無砟軌道道床板(軌道板)與底座為分離式層狀結構,當扣件的上拔力較大時,引起道床板(軌道板)上抬,嚴重情況下可使道床板(軌道板)與底座脫離,影響軌道結構的穩定性。所以需對大跨度橋梁上鋪設無砟軌道對道床板穩定性的影響進行分析。

大跨度橋上道床板穩定性問題主要是由于扣件上拔力引起的,一般梁端道床板上扣件上拔力較其他地段大,所以大跨度橋梁道床板穩定性計算分析主要針對梁端道床板進行。如圖6所示,計算分析可將道床板視為置于剛性基礎上的半無限長梁,假設梁在彈性范圍內發生純彎曲變形,則剛性基礎上長梁上抬長度和抬起量可用近似微分方程采取初參數法求得。

圖6 無限長梁上抬長度及上抬位移圖示

由于截面O處的曲率半徑趨于無限長,故知截面O上的彎矩應為0,即M0=0,根據力矩平衡有

再由y方向力的平衡條件可求得截面O處的剪力

又根據y0=0,θ0=0,的邊界條件,應用初參數法可求得長梁的撓曲線方程為

即可得,道床板上抬位移為

當l

對于板式無砟軌道,其軌道板上抬穩定性與軌道板自重及軌道板厚度有關。圖7、圖8為軌道板厚度不同時,軌道板上抬穩定性分析的結果。計算中,軌道板寬度取2.4 m,長度4.962 m,扣件間距為0.629 m。扣件上拔力只考慮作用于板端第1個扣件8 kN的上拔力,扣件距離板端280 mm。

圖7 軌道板上抬長度隨軌道板厚度變化曲線

圖8 軌道板上抬位移隨軌道板厚度變化曲線

5 大梁縫處無砟軌道結構設計

無砟軌道的扣件節點間距一般都在600～650 mm,但是目前在設計中由于小半徑曲線、大梁跨或連續梁考慮梁體的位移變化以及考慮進人檢查等因素,其梁縫均超過100 mm。從而導致梁縫處扣件節點間距出現大于650 mm的情況。

大梁縫處的結構設計方案,隨梁縫的大小和軌道結構形式的不同而不同。以單元板式軌道為例,針對大梁縫處扣件節點間距超過725 mm和不超過725 mm的不同情況,武廣高速鐵路提出了2種設計方案。

(1)梁端最大扣件節點間距不超過725 mm

最大扣件節點間距不超過725 mm時,為解決梁端扣件節點間距超過650 mm的問題,采用的設計方案：梁縫處扣件節點最大間距按725 mm控制,當梁縫大于250 mm時,采用底座懸臂最大長度80 mm方案,軌道板板端第1組扣件與板端距離縮短至225 mm。

(2)最大扣件節點間距超過725 mm

最大扣件節點間距超過725 mm時,若采用上述方案，可能會對列車運行的平順性、安全性產生影響,對于這種情況,如圖9所示,可以采用在梁縫處設搭梁的方案。

圖9 大梁縫處搭梁設計方案

該方案需對具體橋梁進行詳細的設計和結構計算,圖10為武廣高速鐵路汀泗河特大橋梁端搭梁(亦稱過渡板)結構設計。

圖10 汀泗河特大橋梁端搭梁結構設計

如圖11所示,大梁縫處過渡板結構由過渡板和限位板2部分組成。過渡板底面設板式支座,板端部設限位結構以限制過渡板在橫向的移動,過渡板可現澆而成,如圖12所示。限位板通過梁面植筋與橋面相連,由鋼筋混凝土現場澆筑而成。限位板上設限位裝置,以限制過渡板的橫向移動,如圖13所示。

圖11 大梁縫過渡板處縱斷面結構設計

圖12 限位板橫斷面結構設計

圖13 過渡板橫斷面結構設計

6 伸縮調節器區無砟軌道結構設計

大跨度橋梁在溫度荷載作用下,梁-軌伸縮位移較大,為避免軌枕與道床之間過大的相對位移會破壞軌道和橋梁結構,須在無縫線路上設置鋼軌伸縮調節器,以便能明顯改善橋梁和軌道的運營狀態。目前國內橋上伸縮調節器區無砟軌道結構主要采用軌枕埋入式設計,該區域內的結構設計與道岔區尖軌處相似。

鋼軌伸縮調節器區段的無砟軌道結構,從上至下由鋼軌伸縮調節器、扣件、長枕、道床板、道床板限位結構、橋面保護層等組成。

圖14為武廣高速鐵路衡陽湘江特大橋上的鋼軌伸縮條件器,道床板由鋼筋混凝土現場澆筑而成,厚260 mm,道床板寬度可為2 800～3 200 mm,道床板采用分塊設置，長度為5～7 m。道床板頂面根據具體情況設置一定的橫向排水坡。縱橫向鋼筋及縱向鋼筋間根據綜合接地和軌道電路絕緣要求設置焊接接頭或絕緣卡。道床板下設置C40鋼筋混凝土底座,每塊道床板范圍內設置2個限位凸臺,道床板與保護層之間設置中間滑動層。

7 結論

由于橋梁跨度大、撓度大、梁端轉角大,加之大梁縫、鋼軌的線性控制等方面的原因,大跨度橋梁鋪設無砟軌道結構比較困難。針對大跨度橋上鋪設無砟軌道結構所涉及到的橋梁剛度、梁端道床板穩定性、扣件上拔力計算、大梁縫處軌道結構設計以及鋼軌伸縮調節器區無砟軌道結構設計等問題進行了探討和分析,以期能為大跨度橋上無砟軌道結構設計提供有益的參考。

[1]何華武.無碴軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社，2005.

[2]趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構[M].北京:中國鐵道出版社，2006.

[3]日本鐵道綜合技術研究所.鐵道構筑物等設計標準及解說-變形限制[M].東京:丸善株式會社，2006.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009.