高速鐵路道岔區橋梁設計綜述

姚漢文

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

高速鐵路道岔區橋梁設計綜述

姚漢文

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

綜合橋上無縫線路和無縫道岔的技術特點，橋上鋪設無縫道岔對高速鐵路橋梁設計提出了更高的要求。針對高速鐵路咽喉區和渡線道岔區特點，確定無昨軌道無縫道岔對橋梁結構變形及梁縫位置的要求，提出道岔區橋梁設計原則與技術要求，以及典型道岔區橋梁布置以及結構形式。高速鐵路道岔區橋梁設計以道岔與橋梁相互作用理論為基拙，充分考慮軌道作用力的影響，通過車-岔-橋耦合動力響應分析，確保高速列車運行的安全性、平穩性。

高速鐵路；橋梁；道岔；設計；綜述

1 概述

高速鐵路橋上鋪設無縫道岔,具有不同于普通無縫線路的受力特性。在溫度、列車荷載作用下,梁體、道岔之間發生相對位移,相互作用。無縫道岔的鋪設對橋梁梁體及下部結構的剛度、溫度變形等提出了更高的要求。由于無縫道岔對變形比較敏感,梁縫處橋梁位移不連續,影響無縫道岔的正常使用。

道岔區橋梁一般可分為正線道岔區橋梁和站線道岔區橋梁,正線道岔區橋梁最常見的是渡線道岔橋梁,站線道岔區橋梁主要有二線變四線、二線變三線、一線變二線等多種布置方式。

道岔區橋梁結構主要采用連續梁、連續剛構,結合線路、地質、地形條件可采用框架或剛架結構,軌底至梁頂1.50 m高,使道岔等同布置于路基,避開無縫道岔不能跨越梁縫和橋路過渡段的限制。使用條件有特別要求的,也可以采用其他結構形式,如連續梁拱組合橋式方案。

由于道岔區橋梁的特殊性,連續梁跨度以32 m居多。橋上布置渡線的橋梁采用6×32 m等截面連續梁,橋上布置岔線的橋梁一般采用3×32 m、4×32 m、6× 32 m連續梁,聯長不宜超過200 m,框架結構跨度不宜超過12 m。跨越道路及河流,道岔區橋梁主跨也可超過48 m,在充分考慮道岔-橋梁靜力相互作用的同時,必須充分考慮車-岔-橋系統的動力性能。

道岔與橋梁孔跨布置的相對關系十分重要,道岔橋梁應系統設計。在方案研究的前期,橋梁與站場道岔布置方案應密切配合,相互協調。在結構設計階段,依據軌道結構類型,橋面布置需充分考慮排水、轉轍機、接觸網基礎布置。

2 道岔區橋梁設計原則與技術要求

橋梁上部結構宜采用整體性好、剛度大、穩定性好的橋梁結構形式,以保證橋梁和軌道結構的安全和良好的動力性能。高速鐵路正線無縫道岔宜布置在一聯梁上。道岔全長范圍內梁體宜采用連續結構。出于梁軌相對位移和道岔受力的考慮,道岔岔頭、岔尾距離梁端不宜小于18 m。站線道岔在困難條件下,道岔連接部分可跨越梁縫,但應滿足尖軌尖端、尖軌跟端、心軌尖端、心軌跟端距離梁縫不小于18 m的要求。

兩聯鋪設無縫道岔的連續梁之間宜設置一孔以上簡支梁。橋上為渡線時,孔跨布置宜以渡線中心對稱布置。橋梁縱向固定支座及橫向固定支座應盡量減小溫度跨度,相鄰簡支梁固定支座布置應有利于道岔變形與受力。加大固定墩縱向剛度,降低無縫道岔基本軌伸縮附加力,保持無縫道岔的穩定性。

道岔區橋梁應滿足車、岔、橋耦合動力性能要求及道岔對橋梁的技術指標要求。一般情況下,道岔區橋梁最主要的控制指標:(1)道岔轉轍機處橋、軌相對位移不能超過5 mm；(2)列車通過時車、岔、橋的耦合振動,各車輪上瞬時減載率不能超過0.80。

3 道岔區橋梁布置及結構形式

以常用的18號高速道岔為例說明。

3.1 典型梁橋布置形式

(1)橋上單組道岔

橋跨布置形式為4×32 m連續梁,道岔尖軌尖端和心軌跟端到梁端梁縫距離相等,見圖1。

圖1 單組道岔岔梁布置

(2)橋上單渡線

橋跨布置形式為6×32 m連續梁,渡線中心與連續梁中心對應布置,見圖2。

(3)橋上雙八字渡線

圖2 單渡線岔梁布置

橋跨布置形式為6×32 m連續梁+2―32 m簡支梁+6×32 m連續梁,兩聯連續梁之間設置2孔簡支梁,見圖3。

圖3 雙八字渡線區橋梁布置

(4)典型咽喉區

橋跨布置形式為4×32 m連續梁+3×32 m連續梁,見圖4。

圖4 典型咽喉區橋梁布置

3.2 橋梁結構形式

(1)連續梁

對于3×32 m、4×32 m、6×32 m等小跨度連續梁,梁體采用單室、斜腹板、等高度箱形截面,縱向預應力體系。箱梁頂部寬13.4 m,箱梁底寬5.5 m,梁高為3.05 m；中支點處設置厚2.0 m橫隔板,端支座處設置厚1.5 m端橫隔板,全橋不設預拱度。

(2)框架橋

結合咽喉道岔區采用多孔8～12 m密排框架。如京滬高速鐵路徐州京杭運河特大橋,橋梁位于徐州東站北咽喉區。橋上共設8組18號道岔、4組42號道岔,道岔區采用86孔8 m密排框架。框架總長862.5 m,框架凈高9.5～12.7 m,凈寬8.28～8.78 m,框架橫向長23 m,頂寬26.4 m,外側接懸臂。

(3)組合結構

杭長客運專線贛江特大橋跨九龍大道,由于渡線位于橋上,橋式方案采用3×32 m+102 m非對稱連續梁拱組合結構形式。

主跨梁體采用單箱雙室預應力混凝土箱形截面,拱肋采用鋼筋混凝土截面；吊桿采用平行鋼絲垂直吊索體系。該結構體系外形優美,整體剛度大,采用鋼筋混凝土拱肋溫度對結構影響相對較小。中主墩設縱向固定支座,其余均為多向活動支座。兩主墩橫向均設3個支座,橫向固定支座設在中間。橋梁布置見圖5。

主梁標準橋面寬14.2 m,梁底寬10.8 m,梁高3.05 m,頂板厚0.5 m,底板厚0.5 m,腹板厚0.50 m,箱梁采用C50預應力混凝土。

圖5 橋梁布置（單位：cm)

采用‘先梁后拱’施工方法,拱肋合龍后按指定次序張拉吊桿,調整吊桿力；張拉主梁后期鋼索；施工橋面系；拆除主梁下支架,調整吊桿力到成橋設計索力。

本橋道岔區主跨達102 m,通過對橋梁與無縫道岔的縱向靜態相互作用和車輛-道岔-橋梁系統的動態相互作用研究,以及連續梁拱橋與無縫道岔靜、動相互作用綜合試驗,驗證了本橋結構滿足無縫道岔受力及結構要求。

4 道岔梁結構設計

結合橋梁及道岔受力及變形規律、“車-岔-橋”相互作用特性等因素,道岔區橋梁設計的關鍵點在于選用合理的橋式方案,減小道岔尖軌和轍叉處的梁軌相對位移,確保道岔結構安全,確保軌道平順。

4.1 結構計算

橋梁跨度以32 m跨為主,根據地面既有及規劃道路和橋上道岔布置情況,輔以其他跨度調節,橋梁結構采用單箱單室或單箱多室預應力混凝土連續梁。

橋上無縫道岔采用梁軌相互作用原理進行檢算,計算時應考慮道岔導軌與基本軌、道岔與橋梁之間的相互作用；道岔梁結構按全預應力混凝土構件進行設計。

(1)靜力計算:檢算在各種工況下道岔梁截面應力、強度安全系數、抗裂安全系數；最大撓度值、撓跨比、梁端豎向轉角、后期徐變上拱最大值以及相鄰梁梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移等技術指標。

(2)動力計算:根據具體的道岔結構、運營條件、橋梁結構進行車-岔-橋耦合動力響應分析,岔橋相對位置對系統振動響應影響較大,轉轍器或轍叉區位于或接近橋梁撓曲率較大位置上時,岔橋相互作用明顯加強,應以列車運行平穩性、安全性,道岔結構強度及動力響應控制指標為判據,評價相應的橋梁結構是否滿足鋪設道岔的要求。

4.2 橋墩線剛度

制約橋墩最小縱向水平剛度的主要因素是鋼軌附加應力、梁軌快速位移以及道岔敏感部位的位移,橋墩縱向水平剛度對鋼軌附加應力和道岔的受力及變形影響很大,因此必須對不同形式的道岔梁縱向水平剛度加以限制。根據《客運專線橋上無縫道岔及橋梁結構設計研究》的研究結果:當渡線區6×32 m連續梁固定墩縱向水平線剛度大于800 kN/cm,咽喉區4×32 m連續梁固定墩縱向水平線剛度大于1 600 kN/cm時,軌道及道岔的強度、穩定性及各項位移可滿足要求。

與連續梁相鄰的簡支梁橋墩相比,一般的簡支梁橋墩承受了更大的軌道力,墩身及基礎設計時要考慮該不利因素的影響。

5 新廣州站咽喉區橋梁

受到環保、地形、地面交通和城市規劃等各種因素限制,部分車站需設置在橋上而成為高架車站,造成咽喉區設置在橋上。新廣州站南北咽喉區長約2.5 km,整個咽喉區都設在橋上,最寬處寬約300 m,共28股道28個站臺面,橋梁總面積達185 043 m2。平面布置見圖6。

圖6 新廣州站咽喉區橋梁平面布置

(1)布置原則

正線需滿足道岔區橋梁設計原則與技術要求,受到站場布置條件限制,困難條件下連續梁和連續梁之間可直接相連。

在站線道岔的轍叉和轉轍器連接部分可設置橫向梁縫,橋上無縫道岔轍叉處和轉轍機處相對位移、梁軌快速位移、道岔鋼軌強度、穩定性、斷縫檢算均應滿足要求。

站線與正線之間的渡線跨越縱向梁縫時,為了保證線路的平順性,減少兩片梁的伸縮對道岔的不利影響,對兩片梁之間的縱向相對位移以及橫向相對位移必須加以限制。兩片梁之間的縱向相對位移小于2 mm,橫向相對位移小于1 mm。

(2)梁部結構

咽喉區采用了多種橋梁結構形式,以適應無縫線路對橋梁結構的要求。

整個咽喉區的橋梁共有各種跨度的簡支梁742孔,各種類型的連續梁35聯。橋梁跨度以32 m跨為主,根據地面既有及規劃道路和橋上道岔布置情況,輔以32.7～17 m等跨度形式。正線道岔區橋梁布置采用單線變雙線、雙線變三線、雙線變四線的單箱多室預應力混凝土連續梁,每組道岔布置在一聯連續梁上,道岔不跨越梁縫；考慮到到發線列車進出站速度不是很高,到發線道岔區的橋梁采用橫向頂板連續的簡支箱梁,各箱梁梁端設橫隔板連接成整體,當道岔跨越簡支梁時,順橋向簡支梁的頂板在梁縫處連續,提高了橋梁的平順性,滿足了道岔受力要求。非道岔區橋梁采用簡支箱梁,箱梁的箱體寬3.0 m,利用箱梁翼緣板寬度的不同來適應不同的線間距。

(3)下部結構

采用靈活的橋墩及基礎布置方式,使基礎和下部結構很好地適應了道岔區橋梁變寬度的要求,同時使橋墩橫橋向排列成直線,既美觀又提高了橋下空間的利用率。

咽喉區簡支梁當線間距大于6 m時,采用5根φ1.25 m梅花形布置的單線樁基礎,當線間距小于6 m時,采用10根φ1.25 m梅花形布置的雙線樁基礎,根據線路情況,還布置了多線樁基礎。通過對基礎類型適當分類,既簡化設計,又方便施工。

咽喉區橋墩當線間距大于5 m時,采用單線橋墩,當線間距小于5 m時,采用雙線或多線橋墩。為了節約模板,外形盡量保持一致。橋墩橫橋向成列布置,排列整齊,視野通透,既有利于美觀,又有利于地面交通和橋下空間的利用。

6 結語

針對高速鐵路咽喉區和渡線道岔區特點,提出無縫道岔對橋梁結構變形及梁縫位置的要求,介紹了道岔區橋梁的設計特點,總結了高速鐵路道岔區橋梁的設計原則、技術要求及結構類型。高速鐵路道岔區橋梁設計的核心在于橋梁與道岔的相對關系及相對變形的控制,跨度不宜過大,一般采用32 m等跨連續梁和密排框架,當跨越河流、道路時,跨度可以適當加大。對于道岔區橋梁來說,需重點研究橋梁與無縫道岔的靜、動態相互作用,保證列車通過橋上道岔的安全性和舒適性。

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Design Summary for Bridges at Turnout Zones of High-sPeed Railway

YAO Han-wen
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

Continuous welded rail and turnout on bridge have their unique and complicated technical characteristics,so there are higher requirements for bridge design when laying continuous welded turnout on a bridge.This paper,focusing on the features of throat zone and crossover turnout zone of high-speed railway,determined the requirements on how to control bridge structure deformation and where to arrange bridge deformation joints at continuous welded turnout zone of ballastless track.In addition,this paper proposed bridge design principle and technical requirement at turnout zone,as well as bridge arrangement and structure forms at typical turnout zones.It is suggested in this paper that the design of bridge at turnout zone of high-speed railway should be based on the theory of integration between turnout and bridge,should be with adequate consideration of the influence of track action force and should be subject to vehicle-turnout-bridge coupling dynamic analysis,so as to ensure operation safety and stability of high-speed train.

high-speed railway；bridge；turnout；design；summary

U238；U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.020

1004-2954(2014)07-0085-04

2014-01-04；

2014-02-21

姚漢文(1967―),男,高級工程師,1989年畢業于長沙鐵道學院鐵道工程專業,工學學士。