時(shí)速350 km跨度72 m無砟軌道簡支鋼桁梁橋設(shè)計(jì)研究

劉 凱

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

京雄城際鐵路正線長度78.24 km，為設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的雙線高速鐵路，線間距5 m，采用ZK荷載，CRTSⅢ型板式無砟軌道。京雄城際鐵路在DK87+410.30位置上跨津霸鐵路時(shí)，需要跨度70 m左右結(jié)構(gòu)，若采用連續(xù)梁，其上部建筑高度大，需要拉高全橋縱斷面，增加投資；若采用簡支拱，則施工過程對(duì)既有線影響大，且自重反力較大，易引起沉降進(jìn)而影響既有線行車。因此，擬采用72 m簡支鋼桁梁跨越，其具有上建高度小，自重輕，頂推施工對(duì)既有線影響小等優(yōu)點(diǎn)。但近期我國修建的客運(yùn)專線及高速鐵路大跨度鋼橋均采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，如京滬高鐵濟(jì)南黃河大橋、南京大勝關(guān)長江大橋；京廣高鐵鄭州黃河大橋、武漢天興洲大橋公鐵兩用橋等[1]。在鋼橋面上鋪設(shè)無砟軌道，需要解決以下問題。

(1)梁端轉(zhuǎn)角過大，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力不利。

(2)鋼結(jié)構(gòu)受溫度影響大，結(jié)構(gòu)變形對(duì)軌道長短波不平順有較大影響。

(3)梁縫位置橫向錯(cuò)位較大。

(4)橋面系剛度偏弱，行車安全性和舒適性有待驗(yàn)證。

本設(shè)計(jì)通過構(gòu)造設(shè)計(jì)，解決了上述難題，并通過車橋動(dòng)力仿真驗(yàn)證了高速行車的安全性和舒適性。

2 鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式

2.1 主桁結(jié)構(gòu)形式

簡支鋼桁梁橋主桁采用兩片鋼桁梁[2]，桁高12.3 m，桁式為無豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角架[3]；兩片主桁間距為13.8 m；節(jié)間距為12 m，支座中心距梁端0.85 m。主桁結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 鋼桁梁主桁結(jié)構(gòu)示意 (單位：mm)

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，斜腹桿采用焊接箱形截面和H形截面。上弦桿內(nèi)寬800 mm，內(nèi)高952 mm，板厚24～32 mm；箱形截面腹桿內(nèi)寬800 mm，外高分別為860、760 mm，板厚20～28 mm；H形截面腹桿翼板寬760 mm，腹板內(nèi)高800 mm，板厚16～28 m；下弦桿內(nèi)寬800 mm，內(nèi)高1 444 mm，頂?shù)装搴?4 mm，腹板厚28 mm。

2.2 橋面結(jié)構(gòu)形式

橋面結(jié)構(gòu)采用鋼正交異性板[4-5]，為提高橋面系結(jié)構(gòu)剛度、提高行車舒適性，并方便無砟軌道結(jié)構(gòu)與橋面連接，在正交異性板上設(shè)置了35 cm厚的混凝土板，混凝土板與剛橋面板直接采用剪力釘連接。鋼橋面板板厚16 mm，在軌道下方共設(shè)置了4道縱梁，采用倒T形截面，腹板高750 mm，厚16 mm，下翼板寬300 mm，厚20 mm。另外還設(shè)置了16道U肋， U肋高度280 mm，厚8 mm[6-7]，間距600 mm。縱肋全橋連續(xù)，遇橫梁、橫肋腹板則開孔穿過[8]。橫梁間距12 m，中橫梁采用倒T形截面，高1 444 mm，腹板厚20 mm，底板寬800 mm，厚24 mm;端橫梁采用箱形截面，內(nèi)高1 444 mm，腹板厚28 mm，底板寬800 mm，厚24 mm。橫梁上翼板與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出接頭栓接。兩道橫梁之間設(shè)3道橫肋，間距3 m，采用倒T形截面，高1 444 mm，腹板厚16 mm，底板寬600 mm，厚24 mm，上翼板與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出接頭栓接。橋面系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 橋面布置示意(單位：mm)

3 結(jié)構(gòu)靜力分析

梁體豎向剛度達(dá)到1/2 812，橫向剛度達(dá)到1/11 429，均滿足規(guī)范要求，鋼桁梁結(jié)構(gòu)受力計(jì)算也與常規(guī)鋼桁結(jié)構(gòu)類似，不再贅述。本文主要在梁端轉(zhuǎn)角、軌道靜態(tài)鋪設(shè)精度、相鄰梁端鋼軌支點(diǎn)橫向變形等與高速行車相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)方面予以論述。

3.1 梁端轉(zhuǎn)角控制。

高速鐵路無砟軌道要求在梁端懸出長度0.55～0.75 m時(shí)，梁端轉(zhuǎn)角不大于1‰[9]，而簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)由于橋面系及下弦剛度小，梁端轉(zhuǎn)角較大。為解決這個(gè)問題，采用了加大端橫梁剛度、增加橋面混凝土板等措施，分別對(duì)比以下4個(gè)方案。

方案1 端橫梁為倒T形截面；腹板：1 444 mm×28 mm；底板：800 mm×24 mm；橋面不設(shè)混凝土板。

方案2 端橫梁為箱形截面；腹板：2-1 444 mm×28 mm；底板：600 mm×24 mm；橋面不設(shè)混凝土板。

方案3 端橫梁為箱形截面；腹板：2-1 444 mm×28 mm；底板：800 mm×24 mm；橋面不設(shè)混凝土板。

方案4 端橫梁為箱形截面；腹板：2-1 444 mm×28 mm；底板：800 mm×24 mm；橋面設(shè)置混凝土板。

各方案計(jì)算結(jié)果見表1，其中1～4表示的是4根鋼軌位置。如圖2所示。

表1 梁端轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果 ‰

從計(jì)算結(jié)果來看，端橫梁尺寸加大，梁端轉(zhuǎn)角減小，同時(shí)增設(shè)橋面混凝土板能有效提高梁端局部剛度，減小梁端轉(zhuǎn)角。因此，采用轉(zhuǎn)角最小的方案4，且軌道結(jié)構(gòu)梁端第一組扣件采用常阻力扣件彈條，經(jīng)檢算，能滿足無砟軌道受力要求。

3.2 橋面長短波不平順控制

對(duì)于高速鐵路無砟軌道，要求軌道靜態(tài)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(容許偏差)：①短波 2 mm/10 m(弦長)；②長波 2 mm/8a(基線長)、10 mm/240a(基線長)[9]。a為無砟軌道扣件節(jié)點(diǎn)間距，本線a值為0.63 m。在溫度荷載作用下，考慮橋面混凝土板參與整體受力，橋面系縱梁豎向位移見圖3。

圖3 體系溫度與溫度包絡(luò)下鐵路縱梁豎向位移(橋面混凝土板參與整體受力)

溫度荷載按如下因素考慮：

(1)體系升降溫 按整體升降溫35 ℃[10]；

(2)驟然升降溫 混凝土橋面板與鋼結(jié)構(gòu)溫差±15 ℃；

(3)日照溫度 上平聯(lián)、上弦桿、腹桿的溫度為20 ℃，下弦桿的溫度為10 ℃，鋼橋面及縱橫梁溫度0 ℃。

圖3中升溫及降溫為溫度荷載的最不利組合[11]。

由圖3可知，橋面豎向變形不滿足軌道靜態(tài)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。各種溫度荷載中，驟然升降溫造成的變形占主要部分，其原因是混凝土和鋼結(jié)構(gòu)之間有±15 ℃的溫差，造成結(jié)構(gòu)之間變形不協(xié)調(diào)，從而引起豎向變形[12]。因此，考慮橋面混凝土板設(shè)置斷縫，使其不參與整體受力，同時(shí)考慮施工方便和軌道受力，橋面混凝土板斷縫和軌道板斷縫位置對(duì)齊。則在溫度荷載作用下，橋面系縱梁豎向位移見圖4。

溫度荷載按如下考慮：

(1)體系升降溫 根據(jù)該項(xiàng)目氣象資料，按整體升降溫35 ℃；

(2)日照溫度 上平聯(lián)、上弦桿、腹桿的溫度為20 ℃，下弦桿的溫度為10 ℃，鋼橋面及縱橫梁溫度0 ℃。

圖4中升溫及降溫為溫度荷載的最不利組合。

圖4 體系溫度與溫度包絡(luò)下鐵路縱梁豎向位移(橋面混凝土板不參與整體受力)

可見，在橋面混凝土板設(shè)置斷縫的情況下，橋面豎向變形滿足軌道靜態(tài)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 梁端鋼軌支點(diǎn)橫向相對(duì)位移控制

無砟軌道要求相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對(duì)位移不大于1 mm，本梁主桁間距較寬，而相鄰32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁支座間距較小，若將橫向固定支座設(shè)置在一片主桁下，則無法滿足橫向相對(duì)位移小于1 mm的要求。因此，主桁下不設(shè)橫向固定支座，橫向力通過設(shè)置在橋梁中心線上的橫向限位裝置傳遞給橋墩，具體布置見圖5。

圖5 支座及橫向限位裝置布置(單位： mm)

4 車橋耦合動(dòng)力仿真分析

4.1 動(dòng)力模型及關(guān)鍵參數(shù)取值

對(duì)全橋進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析，采用空間梁-板混合單元來建立主橋模型，梁體與橋墩墩頂采用主從約束模擬橋墩對(duì)主梁的約束，以彈簧單元模擬墩底總的基樁約束[13]。橋面二期恒載以線分布形式作為均布質(zhì)量分配到橋面板單元中。動(dòng)力分析模型見圖6，該模型共有節(jié)點(diǎn)1281個(gè)，梁單元1028個(gè)，板單元720個(gè)。列車采用國產(chǎn)CRH3動(dòng)力分散式車組：列車編組為2×(動(dòng)+拖+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+拖+動(dòng))，共16節(jié)。速度等級(jí)取180、200、225、250、275、300、325、350、375、400、420 km/h。軌道不平順采用德國低干擾軌道譜[14]。根據(jù)上述條件，進(jìn)行車橋動(dòng)力仿真分析，檢算橋梁的自振頻率[15]、跨中豎向與橫向動(dòng)位移、跨中豎向與橫向加速度；檢算機(jī)車車輛的安全性和舒適度指標(biāo)，包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、豎橫向加速度及Sperling舒適度指標(biāo)。

圖6 動(dòng)力仿真模型

4.2 橋梁自振特性分析

針對(duì)72 m鋼桁簡支梁橋動(dòng)力仿真模型，進(jìn)行橋梁自振特性分析以及在國產(chǎn)CRH3客車作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析。表2列出了72 m鋼桁簡支梁橋的自振特性頻率分析結(jié)果。

表2 72 m簡支鋼桁梁橋自振頻率

4.3 動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)建立的車橋耦合動(dòng)力仿真模型，在國產(chǎn)CRH3客車作用下，計(jì)算得到車橋動(dòng)力分析評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 車橋動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果

4.4 動(dòng)力仿真結(jié)論

(1)橋梁自振特性分析

支承體系基頻：梁體一階橫向頻率1.877 Hz，梁體一階豎向頻率2.224 Hz。

(2)橋梁振動(dòng)性能

在國產(chǎn)CRH3動(dòng)力分散式車組以速度180～420 km/h運(yùn)行時(shí)，橋梁跨中橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.483、4.825 mm，橋梁跨中橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.374、0.669 m/s2。

可見，在上述列車作用下，72 m鋼桁簡支梁橋各跨的豎向和橫向振動(dòng)位移較小，橋梁豎向和橫向振動(dòng)加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明橋梁的振動(dòng)性能良好。

(3)列車行車安全性

在國產(chǎn)CRH3動(dòng)力分散式車組以速度180～420 km/h通過跨度72 m鋼桁簡支梁橋時(shí)，動(dòng)車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，保證了高速列車的行車安全。

(4)列車乘坐舒適性

國產(chǎn)CRH3動(dòng)力分散式車組以速度180～350 km/h通過72 m鋼桁簡支梁橋時(shí)，豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”； 國產(chǎn)CRH3動(dòng)力分散式車組以速度375～420 km/h通過72 m鋼桁簡支梁橋時(shí)，豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”、“良”。

72 m簡支鋼桁梁在吸收我國既有鋼桁梁經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，解決了簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)無砟軌道、運(yùn)營速度350 km/h高速列車的難題，并得到了車橋動(dòng)力仿真的驗(yàn)證，符合技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理等設(shè)計(jì)原則，其構(gòu)造形式及分析方法可供類似結(jié)構(gòu)借鑒。