高速鐵路大跨度橋梁變形對線路平順度的影響分析

魏周春

1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院），西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安 710043

我國高速鐵路和部分普速鐵路橋梁工程占比普遍較高。近年來，橋梁設計、建造技術取得了巨大的進步，大跨度橋梁的數量越來越多。據統計，國內處于設計階段主跨超過200 m 的高速鐵路橋梁達到30余座。京津城際鐵路、武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路等第一批高速鐵路建設期間，混凝土連續梁的最大跨度一般不超過80 m，2019年之前建成的高速鐵路橋梁最大跨度一般在200 m 以內。自2019 年昌贛高速鐵路300 m 跨度的贛江特大橋開通，大跨度橋梁的設計進入一個新的階段。2020年開通的滬蘇通鐵路滬蘇通特大橋，主跨達到了1 096 m，標志著我國大跨度橋梁建造技術進入了千米級。

我國早期普速鐵路橋梁設計以結構強度控制為主。隨著鐵路速度標準的提高，逐步納入并加強了對墩臺沉降、梁體變形的控制，高速鐵路提出了更多更高的要求，具體變化如下。

1）TB 10002.1—1999《鐵路橋涵設計基本規范》［1］、TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規范》［2］總則要求橋涵結構應具有規定的強度、穩定性、剛度和耐久性；TB 10002.1—2017《鐵路橋涵設計規范》［3］總則要求橋涵結構應具有規定的強度、剛度、穩定性，并應滿足軌道平順性、列車運行安全性和旅客乘坐舒適性的要求，增加了平順性和舒適性的要求，即提高了對橋梁變形的控制。

2）TB 10002.1—1999 與變形相關的參數僅有豎向撓度，TB 10002.1—2005 增加了工后沉降的要求：有砟橋面工后沉降不得超過80 mm，相鄰墩臺均勻沉降之差不得超過40 mm；TB 10002.1—2017 針對不同速度標準增加了預應力混凝土梁豎向徐變變形限值、梁體扭轉引起的軌面不平順限值、梁端轉角限值，對于工后沉降提出了更詳細的規定。

從上述變化可以看出，高速鐵路針對梁體豎向變形參數提出了更高的要求，以滿足高速鐵路的平順性和舒適性需求。隨著跨度和溫度跨度的增大，橋梁變形對線路平順性和梁端軌道設備的影響愈加明顯，軌道設備的適應能力需要進一步提高。如大跨度橋梁的豎向變形，表現為3～5 段復曲線組成的復雜曲線，其線形不能滿足既有規范豎曲線半徑、最小坡段長度的規定，也不滿足線路平順度的控制標準。梁面線形主要控制標準是撓跨比，但最不利位置并非主跨中部，而是在橋塔附近。因此，除了控制撓跨比，主跨與邊跨的匹配關系也應成為重要的控制指標。梁端伸縮裝置、鋼軌伸縮調節器對橋梁變形的適應能力差，應進一步優化。橋梁縱向伸縮量等變形參數取值不當。這些問題導致大跨度橋梁鋼軌伸縮調節器、伸縮裝置病害頻發，甚至限速運營。

本文研究高速鐵路大跨度橋梁豎向撓度、梁體結構、相鄰梁跨匹配關系、伸縮量、轉角、錯臺差等參數對線路平順度的影響，并給出設計建議。同時，分析靜動態平順性評價標準的不足之處，以期更深入地了解橋梁與軌道設計接口關系的合理性。

1 大跨度橋梁豎向變形的影響

早期的橋梁跨度小、豎向變形相對不大，主要在靜態條件下分析軌道的幾何平順性。隨著橋梁跨度的增大，動態條件下的豎向變形對線路平順性甚至運營安全產生極大影響，必須納入控制標準。控制大跨度橋梁的豎向變形除了考慮橋梁豎向撓度之外，還要考慮結構形式、相鄰橋跨的匹配關系等。

1.1 橋跨結構的豎向撓度

TB 10002.1—2005 規定梁式橋跨結構豎向撓度為L/900 ～L/700（L為跨度），TB 10002.1—2017 規定普速鐵路（速度200 km/h以下）、高速鐵路小于80 m 跨度梁體豎向撓度分別為L/1 200 ～L/700、L/1 900 ～L/1 000。選取主跨撓度最大時跨中（變形最大點）及兩端主墩頂部（變形控制點）高程三點（圖1）擬合豎曲線［4］，并按照不同跨度和撓跨比擬合得到豎曲線半徑，見圖2。這種擬合方式雖然不能準確地反映梁體的平順性，但能說明主跨平順性的變化趨勢。

圖1 跨中擬合豎曲線示意

圖2 主跨撓度擬合豎曲線半徑變化趨勢

由圖2可知，撓度隨橋梁跨度增大而增大，擬合的跨中豎曲線半徑也隨之增大，表明跨度越大梁面的相對平順性越好。

劉超等［5］分析大跨度橋梁線形發現，平順性最不利位置通常在主墩處，少數結構形式的橋梁出現在跨中。橋梁撓跨比影響線路的平順度，但并非橋梁跨度越大梁面線形的平順度越差。因此，大跨度橋梁的撓跨比應根據技術經濟性確定。

1.2 梁體結構形式

梁體采用預應力混凝土梁、鋼箱梁、組合梁等結構形式，在荷載作用下形成的梁面線形會有明顯差別［6-7］。案例1：主橋采用（36+40+64+330+64+40+36）m 鋼-混凝土混合梁斜拉橋結構，主梁由混凝土梁和鋼箱梁兩部分組成，中跨298 m 范圍為鋼箱主梁，見圖3（a）。案例2：主橋采用（40+109+320+109+40）m鋼-混凝土部分斜拉橋結構，主梁由混凝土梁和鋼箱梁兩部分組成，中跨83 m范圍為鋼箱主梁，見圖3（b）。兩座橋梁主跨長度相當，雙線ZK 活載作用下案例1和案例2 跨中靜活載撓度分別為333.9、266.8 mm。案例2 鋼箱梁長度僅83 m，遠小于案例1，豎向整體變形明顯優于案例1。

圖3 孔跨布置及梁體結構（單位：m）

表1列出了四種典型的荷載組合和單項荷載的組合系數，據此計算梁面豎向變形，分析60 m 弦測不平順幅值。以主跨跨中為原點建立坐標系，計算結果見圖4。可知，案例1 跨中不平順幅值最大為15 mm，案例2 跨中不平順幅值為24 mm，案例1 明顯優于案例2。大跨度橋梁局部采用混凝土梁或鋼箱梁等不同結構形式，即使可以提高橋梁的整體剛度，但剛度均勻性差，容易增大梁面局部不平順值。因此，對于平順性要求較高的橋梁，宜采用相同的梁體結構形式；局部采用混凝土梁或鋼箱梁等不同結構形式的梁體，各種結構的長度應有合理的分布比例。

表1 橋梁荷載組合系數

圖4 梁面60 m弦測法不平順幅值

1.3 橋梁主跨與鄰跨長度匹配關系

橋梁主跨與鄰跨長度的比例關系對梁面線形的影響十分明顯。案例1 中鄰主跨的孔跨比為0.19；案例2中鄰主跨的孔跨比為0.34。結合圖4可知，案例1主墩附近不平順幅值大于案例2，案例2主墩附近平順性好，表明鄰跨與主跨的長度越接近，梁面平順性越好。因此，對于平順性要求極高的高速鐵路橋梁，鄰跨長度不宜過小，橋梁相鄰孔跨布置應采用合理的匹配關系。

2 大跨度橋梁縱向伸縮變形的影響

2.1 大跨度橋梁梁端扣件節點間距和伸縮裝置

大跨度橋梁縱向伸縮量較大，對梁端軌道結構和平順性的影響十分顯著。主要問題是溫度降低導致梁縫寬度增加，梁縫處扣件節點間距增大，超過一定限值后，鋼軌下沉量等參數不滿足高速行車的要求。

確定最不利條件下梁縫寬度時需綜合考慮梁縫初始寬度、扣件節點至梁邊緣距離、降溫時擴大量、地震力引起的位移、收縮徐變、制動位移等。設計梁縫寬度可根據要求計算確定，但不應小于100 mm。

梁縫處扣件節點間距最大值一般為750 mm，超過時必須采取相應的措施。目前，采用最多的是上承式伸縮裝置，主要由縱梁、鋼枕、剪刀叉、固定式扣壓塊、活動式扣壓塊等部件組成，見圖5。梁端伸縮裝置主要部件與梁體伸縮量的配置見表2。

圖5 梁端伸縮裝置示意

表2 梁端伸縮裝置配置

梁端伸縮裝置是軌道系統最常見的薄弱環節［8］，懸空軌枕數量、縱梁根數越多，結構伸縮性能越差，發生病害的頻率越高，病害越嚴重。發生病害的主要原因是大跨度橋梁伸縮變形大、變形速度快，導致軌道結構難以適應，設計階段應重點關注以下三方面。

1）系統考慮選線、橋梁、軌道設計接口，盡量避免或減少設置大跨度橋梁，減小梁縫寬度及梁縫變化量，以減少懸空軌枕和縱梁的數量，從源頭上簡化梁端設備，降低病害發生的概率。

2）進一步優化梁端伸縮裝置結構設計。伸縮裝置可釋放梁端變形以及變形引起的應力集中，但對軌枕、鋼軌具有很強的約束力，會限制鋼軌的下沉、橫向位移等。矛盾點在于對軌枕、鋼軌的約束越強，越不容易釋放梁端的應力和變形，導致梁端軌道結構病害多發、頻發。下承式伸縮裝置整體穩定性好，與相鄰有砟軌道相比局部剛度增大，且伸縮裝置范圍僅2 ～3 m，易造成兩端道床密實度不足、軌枕空吊等病害，應從軌道系統剛度均勻性方面進一步優化設計。上承式伸縮裝置整體穩定性較弱，易造成軌排移動、軌枕開裂、平順性降低等問題，宜從鋼枕、縱梁的功能及其與其他部件之間的約束、間隙等相對關系方面進一步優化設計。

3）部分梁縫寬度未嚴格計算，取值偏大，增加了伸縮裝置的鋼枕、縱梁等部件的數量，使得結構更加復雜。因此，梁縫寬度的設計可進一步細化。

2.2 地震力引起的梁縫變化

高烈度地震區橋梁梁縫設計寬度組成中抗震設計占比較高，通常在150～300 mm。地震發生時，梁軌受扣件系統的約束，較大的縱向相對位移不能在瞬間完成。因此，設置梁端伸縮裝置時，是否考慮地震引起的變形影響，或是否按一定系數折減尚需深入研究。

長期運營經驗表明，梁縫處梁軌之間的縱向位移并非線性分布，而是在鋼軌應力積累到一定程度后呈臺階式變化。列車通過時振動可以有效釋放梁軌之間的應力，而通車間隙處鋼軌應力集中程度較高。從蘭新高速鐵路地震中出現的扣件破壞、軌枕傷損情況來看，地震瞬間梁體發生大位移，且伴隨梁體橫向擺動，梁軌之間的縱向阻力急劇增大，軌道結構的適應性很差。

地震發生時軌道結構無法適應瞬間的大位移，無需考慮主動設防，地震引起的軌道結構傷損、破壞應以快速維修為主。因此，梁端軌道系統設計不宜考慮地震引起的梁縫寬度變化，以簡化軌道結構，減少病害的發生。

3 梁端轉角及錯臺的影響

在列車、溫度荷載作用下，梁端產生轉角和豎向位移會對軌道結構產生不利影響。在普速鐵路有砟軌道線路上，梁端轉角和錯臺對線路平順性的影響可忽略，對于高速鐵路大跨度橋梁則是重要的控制指標。

3.1 梁端轉角

TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［9］分別給出了有砟軌道和無砟軌道的梁端轉角及錯臺限值，其中有砟軌道設計容許速度為250 km/h，對梁端的變形要求相對較低；無砟軌道設計允許速度可達350 km/h，對梁端的變形要求較高。梁端轉角及錯臺限值見表3。可知，有砟軌道和無砟軌道的梁端轉角和錯臺差限值的對應關系不太合理。有砟軌道梁梁端變形控制限值較寬松，大約是無砟軌道梁的2倍，但有砟軌道伸縮裝置和鋼軌伸縮調節器穩定性卻遠低于無砟軌道，這兩個因素導致有砟軌道梁端軌道系統的病害比無砟軌道更嚴重，發生頻率更高。因此，從減少軌道系統病害、提高運營安全性的角度考慮，建議高速鐵路大跨度橋梁上采用無砟軌道，或適當提高有砟軌道梁邊跨梁端的變形控制標準。

表3 梁端轉角及錯臺限值

3.2 梁端錯臺

考慮排水、結構設計要求等因素，大跨度橋梁一般設置在一定的坡度上。由于梁體的伸縮，在梁縫處產生的錯臺是影響軌道結構的另一個因素。不同線路坡度條件下梁體伸縮引起的錯臺差見表4。可知，當縱坡大于3‰、梁體伸縮量大于±300 mm 時，錯臺量在0.9 mm 以上，比梁端轉角的影響更大。因此，大跨度橋梁應盡量設置在平坡或小坡度上。若受條件所限設置在大坡度上，當梁體伸縮量較大時宜采用斜坡支座，以避免出現大的錯臺差，提高線路的平順性。

表4 不同線路坡度條件下梁體伸縮引起的錯臺差

4 大跨度橋梁平順性評價方法存在的不足

我國高速鐵路修建的大跨度橋梁越來越多，但對梁面平順性分析評估的方法和深度尚需深入研究。

4.1 靜態驗收方法

大跨度橋梁上軌面變形幅值遠超規范要求的長波不平順管理值10 mm/300 m，驗收項目主要采用60 m 弦長中點弦測法進行管理。這種方法存在三個問題：①大跨度橋梁僅驗收靜態線形，而實際運營的線形是在列車荷載作用下產生了豎向撓度的線形，即驗收方法將橋梁等同于路基、隧道結構，忽略了列車荷載引起的豎向變形；②設計時采用60 m 弦長中點弦測法對梁面線形進行控制，但施工線形與設計線形有一定的偏差，竣工后再按60 m 弦長中點弦測法驗收，不平順幅值可能超出規定的限值；③已開通和在建的大跨度橋梁采用60 m 弦長中點弦測法分析均接近限值，其中部分橋梁靜態驗收階段滿足60 m 弦長中點弦測法要求，然而考慮全部收縮徐變后不平順幅值超出驗收標準，驗收管理標準值的計算方法和合理性尚需進一步研究。

4.2 動態線形評估

針對大跨度橋梁在列車荷載作用下線形的特征、規律、控制標準等方面研究尚少，列車動力性能的評價主要采用模型簡化后的動力仿真分析，而動力仿真是理論計算的最低要求。為提高大跨度橋梁豎向線形的平順性，尚需進一步研究其他輔助評價方法。

5 結論

1）隨著橋梁跨度增大，跨中梁面線形的平順度有提高的趨勢，撓跨比應根據技術經濟性比較合理確定；同一孔梁宜采用相同的梁體結構形式。

2）梁端軌道系統設計不宜考慮地震引起的梁縫寬度變化，采用有砟軌道的大跨度橋梁宜提高邊跨梁端的變形控制標準。

3）大跨度橋梁設置在大坡度上時宜采用斜坡支座以減小梁體伸縮引起的梁端錯臺差。

4）大跨度橋梁靜態線形驗收和動態線形評價方法存在不足之處，驗收管理標準值的計算方法和合理性需進一步研究，動態線形評估還需研究其他輔助評價方法。