鄭濟高鐵黃河特大橋梁端橫向相對位移控制研究

馮 祁,金 令,高靜青,劉 成

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055; 2.成都市新筑路橋機械股份有限公司,成都 611430)

1 工程概況

鄭濟高鐵黃河特大橋[1]為新建鄭州至濟南高速鐵路[2]、河南省規劃的鄭新市域鐵路及鄭新快速路跨越黃河的共用橋梁，橋梁全長34 322.10 m，公鐵共建段長12 180.19 m。

鄭濟高鐵黃河特大橋作為國家重點工程，對滿足中原與山東半島間的交通需求，構筑我國東中部地區西經云南、新疆的出境通道，促進“一帶一路”經濟走廊建設具有重要意義[3-4]。

鄭濟高鐵黃河特大橋公鐵共建段橋梁采用雙層橋面布置，公路在上層，鄭濟高鐵和市域鐵路在下層。其中，公路采用3(2)×40 m先簡支后連續并置小箱梁，鐵路均采用40 m簡支梁[5]。公鐵共建段內共含有4部分鋼桁梁段，第1部分為1-(112+6×168+112) m下變高連續鋼桁梁；第2部分為7-112 m簡支鋼桁梁；第3部分為南岸引橋120 m簡支鋼桁梁；第4部分為北岸引橋(73+139+73) m連續鋼桁梁。鋼桁梁均采用華倫式整體桁架結構，橫向布置為3片桁[6]。公鐵共建段標準跨段及鋼桁梁段典型橫斷面如圖1、圖2所示。

圖1 公鐵共建段標準跨段典型橫斷面(單位：cm)

圖2 公鐵共建段鋼桁梁典型橫斷面(單位：cm)

鄭濟高鐵及市域鐵路均采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道[7-8]。

橋址位置極端氣溫為-10.2～+42.5 ℃。

2 梁端橫向相對位移影響

無砟軌道因其構造上的特點，梁縫兩側的鋼軌支點產生橫向相對位移時，會對鋼軌、扣件等局部受力產生不利影響[9]，所以在《鐵路橋涵設計規范》、《高速鐵路設計規范》及德國規范中均對無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側鋼軌支點的橫向相對位移做出了限制規定。根據《鐵路橋涵設計規范》5.2.3條及《高速鐵路設計規范》7.3.3條規定，無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移不應大于1 mm[10-11]。德國規范規定，橫向相對位移不超過1 mm，必要時在梁端兩支座中部設置橫向限位裝置[12]。

鄭濟高鐵黃河特大橋公鐵共建段鋼桁梁與混凝土梁支座布置方式不同，鋼桁梁為3片桁整體結構，橫向固定支座位于中桁位置；混凝土梁鄭濟高鐵和鄭新市域鐵路為分開兩幅梁體，橫向固定支座位于兩梁靠中心側，兩種梁體斷面示意及支座布置示意如圖3所示。并且因其梁體材質不同導致線膨脹系數及溫度影響亦不同，從而影響無砟軌道線路在鋼桁梁橋與混凝土箱梁梁縫處的橫向穩定，所以需對其橫向相對位移進行分析研究。

圖3 公鐵共建段交界斷面及支座布置示意(單位：mm)

以1-(112+6×168+112) m下變高連續鋼桁梁與40 m混凝土簡支梁交界位置為例，鄭濟高鐵及鄭新市域鐵路40 m混凝土簡支梁支座橫向間距為4.4 m，而鋼桁梁橫向設置3個支座，固定支座設置于中間桁架位置，橫橋向3個支座橫向間距為13.4 m。考慮鋼與混凝土不同的線膨脹系數，對各條線路在鋼桁梁橋與混凝土箱梁梁縫處溫度作用(系統升降溫30 ℃，鋼與混凝土溫差12 ℃)影響下的橫向相對位移進行計算[13-15]，計算數據如表1所示。

表1 鋼梁-混凝土梁過渡縫位置線路橫向相對位移

由計算數據可知，在溫度作用影響下鋼梁與混凝土梁過渡縫位置線路橫向相對位移均大于1 mm限值，不滿足規范要求。因此，需在梁縫位置采取橫向相對位移控制措施來減小相對位移對無砟軌道的不利影響。

3 橫向相對位移控制措施研究

3.1 功能目標

首先，應對橫向相對位移控制措施功能目標進行探討，以確定研究方向。根據使用狀態的不同，其功能目標應分為兩大部分。

(1)正常運營情況下：協同臨跨混凝土梁與鋼梁過渡縫的橫橋向變形，從而消除或控制兩種梁體間線路橫向的相對位移，保證列車高速運行平穩舒適。

(2)地震工況下：不影響鋼梁抗震/減隔震體系[16]的正常工作，從而保證地震時的結構安全。

3.2 方案研究設計

根據功能目標的需求及以往橫向變形控制案例，提出3種橫向相對位移控制措施方案。

3.2.1 措施方案1

措施方案1采用在鄰近跨的兩幅混凝土簡支箱梁間設置鋼結構橫梁，使兩幅箱梁連為一體，并在鋼橫梁中心設置橫向固定支座，交界墩位置混凝土梁上原橫向固定支座均調整為橫向活動支座。通過以上措施，混凝土梁側結構連為一體，調整支座布置后，混凝土梁的結構及支撐布置體系趨近于鋼桁梁側。方案示意如圖4所示。

圖4 公鐵共建段交界斷面及支座布置示意(方案1)

方案1僅對混凝土梁體進行了連接和固定支撐位置調整，所以并不影響地震工況下鋼梁的抗震性能，可有效地實現地震工況下的功能目標。對方案1僅需考察其在正常運營情況下協同臨跨橫向相對位移的能力即可。

方案1中梁體過渡縫的線路橫向相對位移最大值Δ相對與系統極端溫度T、鋼軌鎖定溫度t、鋼與混凝土溫差Δt、材質線膨脹系數α及梁體伸縮長度L有關，橫向相對位移最大值計算公式如下

Δ相對=Δ鋼梁-Δ混凝土梁

Δ鋼梁=α鋼·(T-t)·L鋼梁

Δ混凝土梁=α鋼·(T-t)·L鋼橫梁+α混凝土·

(T-Δt-t)·L混凝土

(1)

其中，系統極端溫度、鋼與混凝土溫差、材質線膨脹系數及梁體伸縮長度均為常量，鋼軌鎖定溫度作為變量直接影響梁體的升溫和降溫區間，所以方案1中影響線路橫向相對位移最大值的變量僅為鋼軌鎖定溫度。

參考既往鋼軌鎖定溫度數據，鎖定溫度一般在10～30 ℃[17-18]。考慮到擴大參考數據區間以利于確定數據趨勢，模擬鋼軌鎖定溫度取0 ～+40 ℃，線路橫向相對位移最大值計算數據如圖5所示。

圖5 方案1線路橫向相對位移趨勢

根據圖5可知，采用措施方案1后，靠近中線固定端的線路其兩種梁體的橫向相對位移得到較好的控制且比較穩定，均小于0.5 mm；而遠離固定端的線路其兩種梁體的橫向相對位移隨鋼軌鎖定溫度的增大而逐步減小，并且在出現極端降溫情況時位移限值超過規范限值。

分析結構構造可知，出現靠近固定端的線路橫向相對位移小，而遠離固定端的線路橫向相對位移大，這種現象的主要原因在于協調用鋼橫梁與混凝土梁連接位置趨近于靠近固定端的線路中線，從而有效地保障了此位置處線路的橫向相對位移值，而遠離固定端的線路仍受到材質不同的線膨脹系數和材質溫差的影響，難以實現協調變形的功能目標。

所以，方案1雖然可很好地滿足地震工況下的功能目標，但仍存在缺陷，無法滿足正常運營情況下的功能目標。

3.2.2 措施方案2

措施方案1中，中間鋼橫梁為固定長度，無法進一步調節遠離固定端線路的橫向相對位移值，考慮對其進行改進，進而得到措施方案2。措施方案2采用在鄰近跨的兩幅混凝土箱梁各設置單獨的變形協調鋼橫梁，并且鋼橫梁端頭設置固定支座，再將交界墩位置混凝土梁橫向固定支座調整為橫向活動支座，從而得到了兩個單獨的調整體系[19]。方案示意如圖6所示。

圖6 公鐵共建段交界斷面及支座布置示意(方案2)

方案2相較于方案1，梁體過渡縫的線路橫向相對位移值影響因素中增加了鋼橫梁長度L這一變量。由于存在鋼軌鎖定溫度和鋼橫梁長度兩項變量，難以確定在兩項變量下線路橫向相對位移最大值的發展趨勢。為了便于研究，本文將鋼軌鎖定溫度取為常量值，重點研究在不同鋼橫梁長度下橫向相對位移最大值的趨勢。假定將模擬鋼軌鎖定溫度取為25 ℃，鋼橫梁長度取5～7 m區間(箱梁邊緣到中心距離4.8 m)，對線路橫向相對位移最大值進行計算，計算數據如圖7所示。

圖7 方案2線路橫向相對位移趨勢

根據圖7可知，隨著鋼橫梁長度的增加，極端升溫工況下橫向相對位移最大值呈下降趨勢，而極端降溫工況下橫向相對位移最大值呈上升趨勢。鋼橫梁長度在5.5～6.6 m范圍內時，線路位置的橫向相對位移最大值可控制在±1 mm范圍內。所以，在選擇適當的鋼橫梁長度下，方案2在理論上可以滿足橫向相對位移控制措施的功能目標。

下面對其構造上可否實施進行分析，對于鄭濟黃河特大橋的交界墩來說，交界墩混凝土箱梁側兩幅箱梁中間位置設有支撐公路梁的墩柱，墩柱距交界墩邊緣僅有1.22 m寬空間，難以設置交替兩根協調用鋼橫梁，因此，在空間構造上，本工程的交界墩無法滿足方案2鋼橫梁的設置空間，沒有實施的可行性。

故而，措施方案2雖然可有效地滿足橫向相對位移控制功能目標，但需要在交界墩上預留足夠的設置空間，雖在本工程中無實施的可行性，但對其他類似項目工程存在參考借鑒意義。

3.2.3 措施方案3

方案1和方案2的橫向相對位移控制思路是通過在混凝土梁上設置與鋼梁材質相同的鋼桿件，來增加混凝土梁線路位置的溫度位移，從而減小兩種梁體的橫向相對位移差，滿足功能要求。

措施方案3有別于前兩種方案的控制思路，采用在鋼桁梁與混凝土梁交界位置設置位移協調裝置，再調整交界墩混凝土梁橫向固定支座為橫向活動支座，從而保證在溫度作用下混凝土梁隨鋼桁梁同步形變，減小梁體間的橫向相對位移。由于梁體分為鄭濟高鐵側和市域側，所以在每側混凝土梁需各設置1處位移協調裝置，方案示意如圖8所示。

圖8 措施方案3平面示意

在方案3中，橫向相對位移值不僅受系統極端溫度、鋼與混凝土溫差及鋼與混凝土不同的線膨脹系數影響，還受到位移協調裝置本身安裝間隙及自身剛度的影響，所以在考量方案可行性時，需增加對位移協調裝置安裝間隙及自身剛度的考慮。本研究中考慮0.5 mm的安裝間隙及自身剛度影響，得到方案3各鋼梁-混凝土梁過渡縫位置線路橫向相對位移數據，如表2所示。

表2 方案3線路橫向相對位移 mm

根據表2可知，方案3在不考慮安裝間隙及自身剛度影響時，橫向相對位移值為0.435 mm，考慮影響后增加至0.935 mm，所以方案3可滿足正常運營情況下橫向相對位移控制措施功能目標。

但是，由于采用位移協調裝置來協調兩個梁體的橫向位移，在鋼梁與混凝土梁間增加了橫橋向連接作用，在將混凝土梁支座調整為橫向活動支座后，鋼梁側固定支座需額外承受混凝土梁側產生的橫橋向作用力。在運營階段，混凝土梁側產生的橫橋向作用力較小，尚在鋼梁和支座承受區間，但在地震力作用下，較大的地震力會對鋼梁側支座及鋼梁本體產生較大影響乃至破壞，故而，在協調裝置中需增加橫向協調退出機制，當有較大地震力作用時，橫向協調裝置退出工作，保證鋼梁梁體及支座安全。混凝土梁支座也需增加地震力下的限位措施，防止橫向協調裝置退出工作后混凝土梁橫向傾覆[20]。

4 橫向位移協調裝置研究

鄭濟黃河特大橋所采用的位移協調裝置主要由位移協調榫、位移限制裝置、鋼桁梁端橫梁加勁、配套支座等組成。其中，位移協調榫安裝于混凝土梁側，位移限制裝置安裝于鋼桁梁端橫梁底部。位移協調裝置示意如圖9、圖10所示。

圖9 位移協調裝置示意

圖10 位移協調榫及位移限制裝置示意

位移協調榫采用鋼箱結構，內部設置加勁肋。位移限制裝置由限制裝置、剪力銷、摩擦副組成。

在正常運營情況下，通過箱形榫柱與位移限制裝置之間的作用，在滿足順橋向伸縮的功能(摩擦副功能)下，協同臨跨混凝土梁與鋼梁梁端的橫橋向變形。

同時，為保障地震作用下梁體的結構安全及位移協調裝置使用的連續性，位移限制裝置設置退出工作機制。在頻遇地震工況下，位移限制裝置的內置剪力銷破壞，滑動摩擦副的萬向柱頭與滑動面間不再形成約束，位移協調榫可在兩個位移限制裝置間有限擺動，從而，鋼桁梁與混凝土梁之間不再協同橫橋向變形。

配套對混凝土梁的支座布置進行局部調整，將交界墩位置混凝土梁橫向固定支座均調整為橫向活動支座。并且，由于在地震時橫向位移協調裝置退出工作，在配套支座上設置特殊的限位措施，以保障地震力作用下梁體不至過擺，保證梁體的安全性能。

5 結語

本文對鄭濟高鐵黃河特大橋的梁端橫向相對位移影響進行了分析及研究，并提出3種橫向相對位移控制方案。根據3種方案的分析數據，可以得到如下結論。

(1)通過在混凝土梁上設置與鋼梁材質相同的鋼桿件來增加混凝土梁線路位置的溫度位移，從而減小兩種梁體的橫向相對位移差的方案可滿足橫向相對位移控制功能要求，但是，此方案易受到設置空間的制約，需要在設計之初預留足夠的作業空間。

(2)通過在鋼桁梁與混凝土梁交界位置設置位移協調裝置來減小梁體間的橫向相對位移，并配合調整混凝土梁支座布置，可有效滿足橫向相對位移控制兩階段的功能要求，此種方案實施的獨立性較高，并且控制性更優。

鄭濟黃河特大橋采取的位移協調與配套裝置，有效地保證了無砟軌道線路在鋼桁梁橋與混凝土箱梁梁縫處的橫向穩定，滿足了規范對線路橫向相對位移的要求，對今后類似工程具有積極的參考借鑒意義。