高速鐵路大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋預(yù)拱度設(shè)置對(duì)無(wú)砟軌道的影響研究

王安琪,姜恒昌,張光明,楊榮山,褚衛(wèi)松

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

引言

隨著高速鐵路在全國(guó)范圍內(nèi)的大規(guī)模推進(jìn)，大跨度混凝土梁橋被廣泛應(yīng)用，在大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道已成為高速鐵路工程結(jié)構(gòu)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。目前，日本等國(guó)家的高速鐵路橋梁采用無(wú)砟軌道已比較普遍[3]，但多以中小跨度橋梁為主，100 m以上的大跨度橋梁應(yīng)用較少，高鐵大跨橋上速度目標(biāo)值與線路保持一致，增加了大跨度橋梁設(shè)計(jì)建造及施工工藝的難度，國(guó)內(nèi)有關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，相關(guān)技術(shù)還不成熟。

以往關(guān)于無(wú)砟軌道在高速鐵路大跨度橋梁上的研究主要集中在解決梁體剛度和變形控制技術(shù)上，文獻(xiàn)[4]通過分析梁體基頻、剛度和變形設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值的差異成因，對(duì)高速鐵路常用跨度簡(jiǎn)支箱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[5-6]針對(duì)梁體基頻、豎向剛度、梁結(jié)構(gòu)剛度、梁端轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合我國(guó)高速鐵路橋梁參數(shù)的研究思路、參數(shù)設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，采用車橋豎向相互作用程序分析了高鐵簡(jiǎn)支梁動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；文獻(xiàn)[7-8]從大跨混凝土橋梁的徐變系數(shù)、鋪裝時(shí)間等方面出發(fā)，對(duì)橋梁徐變上拱、下?lián)系目刂七M(jìn)行分析，提出大跨度無(wú)砟軌道橋梁建設(shè)時(shí)減小徐變變形的措施和方法。

上述文獻(xiàn)的研究對(duì)象都集中在橋梁結(jié)構(gòu)本身，通過對(duì)橋梁各關(guān)鍵參數(shù)及變形控制技術(shù)的分析，探究橋梁結(jié)構(gòu)能夠滿足無(wú)砟軌道鋪設(shè)的要求。而針對(duì)橋梁線形變化對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響的研究相對(duì)較少，橋梁結(jié)構(gòu)的線形變化十分復(fù)雜，影響因素很多，主要通過設(shè)置預(yù)拱度[9]的方法加以控制，預(yù)拱度設(shè)置的合理與否直接影響橋梁線形的優(yōu)劣。目前國(guó)內(nèi)的大跨度混凝土連續(xù)梁橋普遍存在著跨中下?lián)线^大的問題[10]，使得橋梁線形不符合高速鐵路無(wú)砟軌道的高平順要求[11]，進(jìn)而影響軌道的幾何形位、危及行車安全。

為此，根據(jù)某連續(xù)剛構(gòu)梁橋工程實(shí)際參數(shù)，建立橋梁整體有限元模型，利用經(jīng)驗(yàn)公式為橋梁設(shè)置預(yù)拱度，計(jì)算分析無(wú)砟軌道鋪設(shè)過程中預(yù)拱度的設(shè)置對(duì)橋梁線形的影響，得出橋梁線形及其對(duì)軌道波長(zhǎng)不平順影響的變化規(guī)律，為后續(xù)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁上鋪設(shè)無(wú)砟軌道提供相關(guān)計(jì)算參考。

1 工程背景

本文所依托的大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋位于陜西省銅川市王益區(qū)境內(nèi)，橋跨徑組合為(124+248+124) m連續(xù)剛構(gòu)加拱梁橋，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱雙室變高度箱形截面，箱梁頂寬14 m，底寬10.6 m，下部主墩為矩形空心結(jié)構(gòu)，縱、橫向均為直坡，縱向?qū)?.0 m，橫向?qū)?3.1 m，壁厚1.5 m。全橋除梁拱結(jié)合部在支架上施工外，其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑。主橋立面如圖1所示。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)梁橋主橋立面示意(單位：cm)

2 預(yù)拱度設(shè)置

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)變形的性質(zhì)和時(shí)間不同，預(yù)拱度可分為施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度[12]。施工預(yù)拱度的設(shè)置主要是為了消除施工過程中各種荷載和變形(包括橋梁自重、二期恒載、溫度、混凝土前期收縮徐變等)對(duì)成橋線形的影響，成橋預(yù)拱度的設(shè)置則是為了消除運(yùn)營(yíng)過程中后期收縮、徐變、活載變形等對(duì)橋面線形的影響。理想狀態(tài)下，橋梁的成橋線形(即橋梁施工完畢后的線形)為設(shè)計(jì)線形加成橋預(yù)拱度的線形；最終線形(即橋梁運(yùn)營(yíng)過程中收縮徐變基本完成時(shí)的線形)與設(shè)計(jì)線形基本一致。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)，常用的成橋預(yù)拱度設(shè)置方法一般有二次拋物線分配法和余弦分配法[13-14]。為了避免二次拋物線分配法在橋墩頂處出現(xiàn)尖點(diǎn)導(dǎo)致成橋線形不平順、不協(xié)調(diào)的問題，本文采用余弦分配法對(duì)連續(xù)剛構(gòu)梁橋的成橋預(yù)拱度進(jìn)行設(shè)置。

中跨成橋預(yù)拱度曲線方程為

邊跨一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在3L/8處設(shè)置fcz/4左右的預(yù)拱度，分配方式同樣采用余弦曲線，邊跨成橋預(yù)拱度余弦曲線方程為

式中，L為中跨跨徑；fcz為中跨跨中成橋預(yù)拱度。

根據(jù)近幾年的實(shí)踐，跨中最大預(yù)拱度一般取L/1 500～L/1 000，本文所選用的連續(xù)剛構(gòu)梁橋中跨長(zhǎng)為248 m，根據(jù)實(shí)際情況將預(yù)拱度設(shè)置精度精確到10 mm，故預(yù)拱度值取值區(qū)間為[0.170 m，0.250 m]，預(yù)拱度梯度取值0.02 m，最終可確定0.170，0.190，0.210，0.230，0.250 m作為5個(gè)預(yù)拱度的取值。

3 模型的建立與分析

為探究不同工況下無(wú)砟軌道鋪設(shè)引起的橋梁線形及其對(duì)軌道結(jié)構(gòu)幾何形位影響的變化規(guī)律，以CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，利用有限元法建立完整的連續(xù)剛構(gòu)橋梁模型，依據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件確定模型各部分尺寸。其中，梁頂板、底板、腹板、橋墩中部采用Shell181單元模擬，橋墩頂部、底部采用Solid65單元模擬，橫撐采用Beam188單元模擬、吊桿采用Link10單元模擬，拱肋通過梁板組合單元模擬，根據(jù)確定的單元類型和模型尺寸建立連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型如圖2所示。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際給模型施加恒載+溫度效應(yīng)的荷載組合，具體計(jì)算時(shí)，有如下假定：

(1)忽略軌道結(jié)構(gòu)與橋梁之間的相對(duì)位移，認(rèn)為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)依附于梁體表面隨梁體共同變形，橋面節(jié)點(diǎn)位置根據(jù)預(yù)先設(shè)置的預(yù)拱度曲線確定；

(2)軌道結(jié)構(gòu)作為均布荷載施加于橋面上，計(jì)算時(shí)以7.5 m為一個(gè)荷載周期，沿線路方向逐步施加均布荷載；

(3)根據(jù)疊加原理，不同軌道施工順序所造成的橋面最終下沉量是一致的，故不考慮無(wú)砟軌道鋪設(shè)順序?qū)蛄合鲁亮康挠绊懀瑑H根據(jù)施工的經(jīng)濟(jì)性以及易操作性對(duì)模型施加均布荷載。

根據(jù)建立的模型及相關(guān)計(jì)算假定，得到5種工況下橋的最終成橋線形如圖3所示。

圖3 不同預(yù)拱度下橋梁成橋線形

從圖3可以看出，橋梁在荷載作用下呈現(xiàn)對(duì)稱式的變形，中跨跨中下沉量最大，邊跨總體下沉量小且最大下沉值出現(xiàn)在距離邊跨端點(diǎn)3L/8處左右，與之前成橋預(yù)拱度的設(shè)置中邊跨、中跨的最大下沉位置相符。

5種不同預(yù)拱工況下橋梁最終成橋線形產(chǎn)生很大變化，隨著預(yù)拱度設(shè)置的增大，橋梁線形由整體下?lián)现饾u轉(zhuǎn)變?yōu)樯瞎啊ｎA(yù)拱度設(shè)置為0.17 m時(shí)，橋梁整體線形幾乎完全下?lián)嫌谒骄€以下，跨中處有最大下?lián)现?5 mm；預(yù)拱度設(shè)置為0.25 m時(shí)，橋梁中跨的成橋線形則完全上拱于水平線上，支座處有最大上拱值46 mm；其他預(yù)拱工況下橋梁線形的波形變化趨勢(shì)相同而幅值介于兩者之間。

可以看出，當(dāng)橋梁預(yù)拱度設(shè)置過小時(shí)，軌道二期恒載引起的橋梁結(jié)構(gòu)變形不足以被預(yù)設(shè)拱度所抵消，荷載作用下橋梁仍有很大程度的下?lián)希?dāng)預(yù)拱度設(shè)置過大時(shí)，過大的預(yù)拱值又會(huì)使橋梁支座處產(chǎn)生較大的上拱，這兩者對(duì)于橋上軌道的幾何狀態(tài)來說都是不利的，甚至?xí)＜靶熊嚢踩?/p>

4 橋梁線形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)高低平順性的影響

為進(jìn)一步探究橋梁線形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)高低不平順的具體影響，根據(jù)弦測(cè)法對(duì)軌道的高低不平順變化規(guī)律進(jìn)行研究。線路的高低不平順采用弦測(cè)法[15-16]計(jì)算，30 m弦每隔5 m校核值不應(yīng)超過2 mm，300 m弦每隔150 m校核值不應(yīng)超過10 mm。具體高低不平順矢度計(jì)算方法如下。

30 m(48個(gè)軌枕間距)弦線按間距5 m(8個(gè)軌枕間距)設(shè)置1對(duì)檢測(cè)點(diǎn)，見圖4。圖4中C1～C49為30 m范圍內(nèi)軌枕編號(hào)，h2～h48分別為30 m弦范圍內(nèi)C2～C48軌枕處矢高。以C25與C33軌枕為例，中波不平順校核值通過兩點(diǎn)間實(shí)際矢高差與設(shè)計(jì)矢高差差值控制，按照公式(1)計(jì)算。

Δh=|(h25設(shè)計(jì)-h33設(shè)計(jì))-(h25實(shí)測(cè)-h33實(shí)測(cè))|

(1)

圖4 30 m弦中波不平順檢測(cè)

圖5 300 m弦長(zhǎng)波不平順檢測(cè)示意

300 m(480個(gè)軌枕間距)弦線每150 m(240個(gè)軌枕間距)設(shè)置1對(duì)檢測(cè)點(diǎn)，見圖5。圖5中C1～C481為300 m范圍內(nèi)軌枕編號(hào)，h2～h480分別為C2～C480軌枕處矢高。以C25與C265為例，長(zhǎng)波不平順校核值通過兩點(diǎn)間實(shí)際矢高差與設(shè)計(jì)矢高差差值控制，按照公式(2)計(jì)算。

Δh=|(h25設(shè)計(jì)-h265設(shè)計(jì))-(h25實(shí)測(cè)-h265實(shí)測(cè))|

(2)

根據(jù)上述弦測(cè)計(jì)算法，得到軌道結(jié)構(gòu)各波長(zhǎng)高低不平順值與橋梁長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖6～圖7所示。

圖6 不同預(yù)拱度下30 m/5 m校核值

圖7 不同預(yù)拱度下300 m/50 m校核值

從圖6、圖7可以看出，5種工況下的橋梁線形引起的軌道結(jié)構(gòu)30 m弦隔5 m校核值均小于規(guī)范所規(guī)定的2 mm限值，而300 m弦每隔150 m校核值在某些工況下已遠(yuǎn)超出規(guī)范規(guī)定的10 mm限值，即不同預(yù)拱度下軌道結(jié)構(gòu)的中波不平順均滿足要求，而長(zhǎng)波不平順則有很大差異，可見預(yù)拱度的設(shè)置及軌道二期恒載主要對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波不平順產(chǎn)生影響。

從圖7的計(jì)算結(jié)果可以看出，5種工況下軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波不平順波形變化大致相同而幅值不同，當(dāng)預(yù)拱度設(shè)置在0.21～0.23 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波不平順校核值基本沒有超過規(guī)定限值，但當(dāng)預(yù)拱度設(shè)置大于0.23 m，或小于0.21 m時(shí)，軌道的長(zhǎng)波不平順校核值則已明顯超限，可見預(yù)拱度設(shè)置的過大或過小，都會(huì)使橋梁線形形成的軌道長(zhǎng)波高低不平順不滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

針對(duì)軌道鋪設(shè)過程中大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋預(yù)拱度設(shè)置對(duì)橋梁線形及軌道高低不平順影響的問題，利用ANSYS有限元分析軟件，建立橋梁結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論。

(1)在大跨度橋梁上鋪設(shè)無(wú)砟軌道時(shí)，軌道二期恒載與預(yù)拱度設(shè)置會(huì)引起橋梁最終成橋線形的變化，預(yù)拱度設(shè)置的合理與否直接影響橋梁成橋線形的優(yōu)劣，從而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的高低平順性發(fā)生變化，且長(zhǎng)波高低不平順的影響最為顯著。

(2)在高速鐵路大跨度橋梁上鋪設(shè)對(duì)線形要求高的無(wú)砟軌道時(shí)，需要關(guān)注橋梁線形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，建議在橋梁設(shè)計(jì)施工階段，建立完整的橋梁結(jié)構(gòu)模型，綜合考慮影響線形的各因素，并對(duì)橋梁最終線形造成的軌道長(zhǎng)波高低不平順值進(jìn)行檢算，以滿足規(guī)范規(guī)定的限值要求。