長聯大跨連續梁橋無縫線路布置方案

楊新文， 趙 亮， 宮 寅

(1. 陜西城際鐵路有限公司， 西安 710065； 2. 中鐵上海設計院集團有限公司， 上海 200070)

長聯大跨連續梁橋無縫線路布置方案

楊新文1， 趙 亮1， 宮 寅2

(1. 陜西城際鐵路有限公司， 西安 710065； 2. 中鐵上海設計院集團有限公司， 上海 200070)

西安機場線渭河特大橋采用長聯大跨連續梁，主橋連續梁聯長900 m，最大溫度跨度715 m，具有溫度跨度大且多跨連續梁相接的特點，需合理設計無縫線路。針對該工況提出5個無縫線路布置方案，采用有限單元法進行無縫線路附加力計算，從鋼軌強度、橋墩受力兩方面進行方案比選后，現場調研國鐵類似工況，確定最終推薦方案。得出結論：(50+8×100+50)m連續梁兩側梁端布置單向鋼軌伸縮調節器，滿足鋼軌強度檢算的要求且能有效減小相鄰連續梁固定墩受力，無需布置雙向鋼軌伸縮調節器。

地鐵； 長聯大跨連續梁； 無縫線路； 鋼軌伸縮調節器

1 工程概述

西安機場線渭河特大橋具有溫度跨度大、多跨連續梁相接的特點，該工況無縫線路布置方案是設計難點[1-2]，其大橋主橋連續梁效果圖見圖1。橋跨布置為：(2×30+3×30+3×30+105+2×38.5+4×50+(50+8×100+50)+(60+111+94+100+60)+3×30+3×25)m。其中，4×50 m與(50+8×100+50)m連續梁的溫度跨度為550 m；(50+8×100+50)m與(60+111+94+100+60)m連續梁的溫度跨度為715 m。主橋(50+8×100+50)m連續梁位于直線、平坡地段，除系桿拱外均采用箱梁，箱梁截面剛度較大且本工況多為連續梁，因此不計算撓曲力[3]。軌道工程采用U75V定尺軌、DTⅦ2型扣件及支承塊承軌臺式道床。

圖1 渭河特大橋主橋(50+8×100+50)m連續梁效果圖Fig.1 Effect diagram of(50+8×100+50)m continuous girder of Weihe River grand bridge

2 設計參數

2.1列車荷載

地鐵B2型車輛，軸重140kN，6輛編組，車長117m。設計最高行車速度100km/h。

2.2軌溫與梁溫差

根據《鐵路無縫線路設計規范》(TB10015-2012)[4]，采用最高軌溫Tmax=61.8℃，最低軌溫Tmin=-20.6℃。參考鄭西客專西安—咸陽段、大西客專西安—咸陽段、西安地鐵3號線高架的鎖定軌溫，同時參考鐵科院對鄭西客專渭河橋地區長達1年的軌溫監測數據[5]，設計鎖定軌溫采用25±3℃，則鋼軌最大升溫幅度ΔTumax=39.8℃，最大降溫幅度ΔTdmax=48.6℃。橋梁均為混凝土梁，無砟軌道梁年溫差ΔTb=30℃。

2.3線路阻力

采用DTⅦ2型扣件，支承剛度D=30 kN/mm，單個彈條扣件壓力為4 kN，扣件間距為595 mm。采用常阻力墊板時，扣件阻力1Q-r1=8.07 kN/m/軌；采用小阻力墊板時，扣件阻力2Q-r1=5.04 kN/m/軌[6]。

3 強度檢算

3.1軌底動彎應力

采用《鐵路無縫線路設計規范》(TB10015-2012)附錄A無縫線路鋼軌強度檢算，公式中各符號意義見該規范，其中速度系數α=0.6，軌道橫向水平力系數f=1.25，偏載系數β=0[4]。

動彎矩Md=M0(1+α+β)=21.06kN·m；

3.2鋼軌最大溫度拉應力

鋼軌最大溫度拉應力為

σt拉=EαΔTdmax=2.478×48.6=120.43MPa。

3.3鋼軌最大附加拉應力

采用鐵科院VRF軟件，利用有限單元法計算橋上無縫線路縱向力[7]。

計算原理為:梁軌相互作用力通過梁體傳遞于設有固定支座的墩臺上，墩臺產生撓曲變形，并通過固定支座帶動梁體在縱向上位移，梁體上翼緣與鋼軌之間的相對位移改變，從而引起梁軌相互作用力的重分布。由此可建立梁軌相互作用的計算模型，如圖2所示。在計算模型中，k表示梁軌間縱向阻力系數，K表示橋梁下部結構的縱向剛度，EJ表示鋼軌伸縮調節器或鋼軌折斷處，P為列車垂直荷載，Q為軌面制動力，ΔtR為鋼軌溫差，ΔtB為梁伸縮溫差，長鋼軌在橋梁兩端的長度為任意長。計算模型表示第i座橋梁為連續梁，L1為固定支座左邊溫度跨度，L2為固定支座右邊溫度跨度。當L1或L2為零時，連續梁就成為簡支梁的情況。因此，計算模型包括了連續梁橋和簡支梁橋的無縫線路。

圖2 梁軌相互作用有限單元法計算模型Fig.2 Finite element calculation model of bridge/rail interaction

建立有限單元模型，右側(3～30)m簡支梁+(3～25)m簡支梁簡化為(5～30)m簡支梁[8]。比選5個無縫線路布置方案[9-10]，見表1。

表1 無縫線路布置方案

3.3.1有限單元計算模型

各方案的有限單元計算模型見圖3。

3.3.2計算結果

1) 鋼軌受力和梁軌位移。各方案的計算結果見圖4，圖中共3部分內容，上部為鋼軌受力，中部為梁軌位移，下部為對應模型。鋼軌最大附加力和最大附加應力見表2。

圖3 各方案的有限單元計算模型Fig.3 The finiteelement computing model of different schemes

圖4 各方案的計算結果Fig.4 The results of the calculation of different schemes

項目鋼軌最大附加力/(kN/軌)鋼軌最大附加應力/MPa方案1 常阻力扣件1241.2160.3方案2 小阻力扣件898.6116方案3 主橋兩端設單向調節器487.963方案4 主橋兩端設雙向調節器487.963方案5 主橋跨中設雙向調節器898.6116

由計算結果可知，不設調節器時，鋼軌附加應力明顯較大的位置為(50+8×100+50)m連續梁兩側梁縫處，其中(50+8×100+50)m連續梁與(60+111+94+100+60)m連續梁的梁縫處鋼軌附加應力最大，采用常阻力墊板時為1241.2kN/軌，采用小阻力墊板時為898.6kN/軌。在(50+8×100+50)m連續梁兩側梁端設鋼軌伸縮調節器時，鋼軌最大應力位置為(60+111+94+100+60)m連續梁與相鄰簡支梁的梁縫處，為487.9kN/軌，采用單向鋼軌伸縮調節器與采用雙向鋼軌伸縮調節器時的計算結果基本相同。(50+8×100+50)m連續梁跨中采用雙向調節器時，無法減小連續梁梁端的鋼軌應力。

2) 橋墩承受伸縮力T1見表3，5個方案T1對比見圖5。

表3 橋墩承受伸縮力T1

圖5 T1對比Fig.5 Comparison of T1

由表3和圖5可知，(4×50)m連續梁和(60+111+94+100+60)m連續梁的固定墩受力較大。采用常阻力墊板時,(60+111+94+100+60)m連續梁的固定墩T1為781.6kN/軌；采用小阻力墊板時該力為603.8kN/軌；梁端設調節器后降低至294.8kN/軌，降幅達62.28%，梁端設單向鋼軌伸縮調節器與設雙向鋼軌伸縮調節器對T1的影響相同。主橋跨中設調節器無法減小相鄰連續梁固定墩受力。

3) 強度檢算，結果見表4。

表4 鋼軌強度檢算

由表4可知，方案1全部采用常阻力墊板時鋼軌強度檢算不通過；方案2和方案5滿足鋼軌強度檢算通過，但余量僅為21MPa，且(60+111+94+100+60)m連續梁的固定墩受力較大，為603.8kN/軌，對橋梁影響較大，因此不采用方案2和方案5。方案3和方案4的理論計算結果基本相同。因此，開展現場調研，進一步確定方案。

4 現場調研

調研鄭西客專的連續梁+連續梁典型工況，調研點A，鄭西客專二跨渭河特大橋采用了多組雙向鋼軌伸縮調節器[11]，調研點B采用了多組單向鋼軌伸縮調節器，其中調研點B的橋跨布置見圖6。

圖6 調研點B的橋跨布置示意Fig.6 Bridge span arrangement of survey spot B

分析調研點B單向鋼軌伸縮調節器的現場情況：圖7中的1點為鋼跨過梁縫與尖軌位于同一跨連續梁的基本軌與扣件的相對位移，現場測量相對位移約70～80 mm，從此處開始到基本軌跟端范圍的基本軌與扣件相對位移為70～80 mm，尖軌與扣件無相對位移。圖7中2點為梁縫處抬枕，基本軌與該處扣件存在較小的相對位移，該位移比1點小很多。圖7中3點基本軌位于另外一側連續梁，現場基本軌與扣件幾乎無相對位移。現場觀察調研點A雙向鋼軌伸縮調節器僅一側發揮了作用，與調研點B的情況類似。因此，本工程設單向鋼軌伸縮調節器即可，無需設置雙向鋼軌伸縮調節器。

圖7 調研點B單向鋼軌伸縮調節器的現場情況Fig.7 The scene of one-way REJ of survey spot B

5 結論

1) 推薦方案3，本工況在(50+8×100+50)m連續梁兩側設單向鋼軌伸縮調節器后，可滿足軌道強度檢算要求，(60+111+94+100+60)m連續梁的固定墩受力僅為294.8 kN/軌，(4×50)m連續梁的固定墩受力僅為216.6 kN/軌，對橋梁影響小。

2) 理論計算及現場調研均表明，梁端設單向鋼軌伸縮調節器可滿足功能需求，無需采用雙向鋼軌伸縮調節器。

地鐵工程采用連續長聯大跨連續梁的工況較少，本文可為同類型工程無縫線路布置方案設計提供參考。

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Arrangement Schemes of Continuous Welded Rail for Long Span and Long Unit Continuous Girder Bridge

YANG Xinwen1, ZHAO Liang1, GONG Yin2

metro; long span and long unit continuous girder; continuous welded rail; rail expansion joints

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.011

2016-11-26

2017-01-26

楊新文，男，本科，高級工程師，從事軌道交通軌道工程技術管理工作，1193070229@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0060-05

(編輯：郝京紅)