大跨度鋼箱混合梁斜拉橋無縫線路設計研究

朱 彬

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

近年來，斜拉橋在我國新建鐵路中得到了一定的應用，斜拉橋一般采用自錨式體系，它由梁、斜拉索和塔柱3部分組成，梁通過若干根斜拉索拉在塔柱上，該體系顯著提高了橋梁的跨越能力，是大跨度橋梁的主要橋型。以某新建鐵路(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m鋼箱混合梁斜拉橋為研究背景，該橋全長909 m(含梁縫)，中主跨419 m范圍為鋼箱梁，其他主梁采用混凝土箱梁，鋼-混結合段位于中跨距索塔24.5 m處。該橋梁部結構兼有鋼結構和混凝土結構的優點，中主跨采用鋼結構可以減輕結構自重，提高跨越能力，節省支模工序，縮短施工周期，兩側采用混凝土箱梁，可以減小用鋼量，增強結構的剛度、穩定性和整體性。該橋采用半漂浮體系，主梁在塔、墩上設置縱向滑動鋼支座，索塔-梁底設置液壓阻尼器，索塔在橋面以上采用倒Y形，橋面以下塔柱內縮為鉆石形，橋梁布置如圖1所示。

圖1 橋梁結構布置(單位:cm)

國內外對常見橋梁無縫線路的梁軌相互作用的研究較多，大跨度斜拉橋上無縫線路梁軌相互作用有其特殊性，尤其是本橋為鋼-混凝土混合梁，需要對梁軌相互作用進行深入的研究。

2 塔－索－梁－軌一體化計算模型

斜拉橋主梁、拉索和索塔形成一個組合體系，三者之間耦合在一起相互作用，在溫度變化或列車荷載作用下，橋梁變形會通過道床或扣件系統帶動梁上鋪設的鋼軌一起受力變形，形成塔-索-梁-軌一體化的相互作用體系。對于半漂浮體系的斜拉橋，塔與主梁間縱向設置阻尼限位器，溫度變化時，塔、梁之間縱向可自由活動，但在列車荷載作用下，阻尼限位器就會限制主梁的位移。另外鋼-混凝土混合梁斜拉橋，鋼梁和混凝土梁的溫度變化幅度不一樣，且差別較大，鋼混結合段處的主梁縱向位移會有一個轉變。

本文建立的橋上無縫線路模型組成為:100 m路基地段+5-32 m簡支梁+(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m鋼箱混合梁斜拉橋+5-32 m簡支梁+100 m路基地段，鋼軌兩端節點位于無縫線路固定區。主橋采用傳統的“魚骨梁”計算模型，主梁和橋塔按照實際空間位置離散為三維梁單元，拉索離散為三維索單元，橋墩和輔助墩也離散為三維梁單元，鋼軌采用Timoshenko梁單元，橋梁的上下翼緣厚度采用剛臂進行模擬，并按照各自的截面特性和材料特性賦值進行計算，道床縱向阻力用非線性彈簧單元模擬，橋塔、橋墩及輔助墩的縱向剛度采用線性彈簧模擬，塔-索-梁-軌一體化計算模型如圖2所示。

3 無縫線路主要設計參數

(1)斜拉橋體系溫度

根據橋梁所在地氣溫資料，計算時取多年平均氣溫(16.3±5)℃作為合龍溫度。混凝土梁升降溫為±20℃;鋼結構梁升降溫為±35℃;斜拉索有索套保護，升降溫取±20℃。

圖2 塔－索－梁－軌一體化計算模型

(2)線路阻力

有砟軌道采用Ⅲ型軌枕道床縱向阻力取值，如圖3所示，當采用彈條V形小阻力扣件，扣件阻力如圖4所示。

圖3 道床縱向阻力

圖4 小阻力扣件縱向阻力

(3)撓曲力及制動力計算荷載

根據本線運營條件，撓曲力、制動力計算時采用中-活載，應進行多種荷載布置工況分別計算，并取其最不利值，制動力計算時，輪軌粘著系數取0.164。

4 無縫線路設計方案及縱向力計算

(1)無縫線路設計方案

針對大跨度鋼箱混合梁斜拉橋的特點，提出以下4種橋上無縫線路設計方案進行比選。

方案一:全橋采用常阻力扣件，橋上不設小阻力扣件，也不設鋼軌伸縮調節器。

方案二:斜拉橋邊跨及相鄰5跨簡支梁采用小阻力扣件，橋上不設鋼軌伸縮調節器。

方案三:在斜拉橋跨中設置1組雙向鋼軌伸縮調節器，伸縮區影響范圍采用小阻力扣件。

方案四:在斜拉橋邊跨兩端分別設置1組單向鋼軌伸縮調節器，鋼軌伸縮調節器尖軌指向斜拉橋外，基本軌一側伸縮區鋪設小阻力扣件。

(2)縱向力計算分析

大跨度橋梁鋪設無縫線路，伸縮力往往是關鍵因素，根據本橋的實際情況，著重計算了4種設計方案的梁、軌伸縮位移和鋼軌縱向力，計算結果如圖5所示。

圖5 4種設計方案計算結果

4種無縫線路設計方案的鋼軌縱向力計算結果匯總見表1。

表1 鋼軌縱向力匯總 kN

5 軌道結構檢算

(1)鋼軌強度檢算

設計范圍最高軌溫為61.7℃，最低軌溫為-11.1℃，設計鎖定軌溫為(32±5)℃，無縫線路溫升34.7℃，溫降48.1℃，無縫線路溫度拉應力為:λ=EαΔT=119.288 MPa。

該線為客貨共運線路，機車軸重按23 t檢算，本橋位于直線地段，速度系數α=1，偏載系數β=0，橫向水平力系數f=1.25;有砟軌道鋼軌支座剛度D取33 kN/mm進行計算;軌枕間距a=600 mm;鋼軌截面參數按磨耗6 mm計。軌底動彎拉應力為 σd=146.42 MPa。

從本橋縱向力計算結果看，伸縮力大于撓曲力，采用伸縮力進行鋼軌強度檢算，檢算結果見表2。

表2 鋼軌強度檢算 MPa

(2)無縫線路穩定性檢算

無縫線路的穩定性應滿足鋼軌的實際升溫幅度ΔT小于或等于容許的允許升溫幅度［ΔTc]的要求。本文采用“統一公式”進行無縫線路穩定性檢算，等效道床阻力Q=115 N/cm。4種設計方案的穩定性檢算結果見表3。

表3 無縫線路穩定性檢算

(3)鋼軌斷縫檢算

當鋪設小阻力扣件地段鋼軌折斷時，斷縫計算結果如下

當鋪設普通扣件地段鋼軌折斷時，斷縫計算結果如下

可見，斷縫值小于允許斷縫值70 mm，檢算通過。

6 結語

與一般大跨度連續梁不同，本橋主跨為鋼-混結合梁，鋼、混凝土材料的膨脹系數和梁的溫度變化幅度不同，在結合段梁的伸縮位移呈折線形，導致鋼軌伸縮力在結合段有明顯的兩段臺階。

本橋主梁的跨度大，梁伸縮位移大，鋼軌伸縮力大，方案一軌道結構檢算不能滿足要求。方案二在橋上鋪設小阻力扣件能降低部分伸縮力，但鋼軌強度檢算仍不能滿足要求。方案三在斜拉橋跨中設置1組雙向鋼軌伸縮調節器，因斜拉橋跨度過長，與方案二相比并未改善軌道受力。方案四在主橋兩端設置鋼軌伸縮調節器，形成伸縮區，釋放了主橋兩端的溫度力及縱向力，鋼軌強度、無縫線路穩定性及鋼軌斷縫均可滿足要求，因此推薦方案四為本橋無縫線路設計方案。

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