不同約束體系連續梁橋上無縫線路受力研究

廖 凱 龔小平 姜海君

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 研究背景

近年來，隨著我國高速鐵路的蓬勃發展，橋梁建設迎來了快速發展的春天，大跨度預應力混凝連續梁由于其跨越能力強、行車舒適性好的特點，在我國鐵路橋梁建設中被廣泛應用[1－2]。

我國高速鐵路橋梁均采用無縫線路，隨著連續梁跨度不斷增大，溫度跨度(對于一般簡支梁和連續梁，溫度跨度為固定支座間的距離或與橋臺毗鄰的橋墩固定支座至橋臺胸墻之間的距離)也不斷增大。一般情況下，無縫線路鋼軌伸縮附加應力隨著溫度跨度的增加而增大，因而溫度跨度的大小是衡量橋上無縫線路是否設置溫度伸縮調節器的重要指標。雖然溫度伸縮調節器可以減小梁軌相互作用，但卻影響行車舒適性、增加后期維養工作量，故在非必要情況下盡量避免設置溫度伸縮調節器[3]。

對于無砟軌道混凝土梁，一般情況下溫度跨度小于210 m可不設置溫度伸縮調節器。目前已開通運營未設溫度伸縮調節器的高速鐵路無砟軌道最大跨度連續梁為(80＋136＋80)m，溫度跨度216 m[4－6]。

根據工管站前電[2022]4號?國鐵集團工程管理中心工電部關于報送大跨度橋上無縫線路檢算和鋼軌伸縮調節器設置有關情況的通知?要求:對于2023年底前開通的鐵路項目，溫度跨度超過180 m(最高軌溫差超過80℃的地區溫度跨度超過160 m)的橋梁必須出具橋上無縫線路檢算報告，并對是否設置鋼軌溫度伸縮調節器提出明確意見[7－9]。

2 項目概況

根據工管站前電[2022]4號文要求，對某高速鐵路大橋(80＋136＋80)m連續梁無縫線路鋼軌強度進行檢算[10]。

某高速鐵路大橋為時速250 km雙線(線間距4.6 m)橋梁，鋪設 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，于D1K141＋776處跨巴河，線路與河道夾角86°，跨越處巴河寬142 m。巴河現狀為Ⅶ級通航，規劃為Ⅴ級航道，最高通航水位344.52 m，最低通航水位330.50 m，通航凈寬×凈高為80×8 m。考慮到橋位于彎道及水流橫向流速影響，本橋采用(80＋136＋80)m連續梁跨越巴河，兩側均接橋臺。全橋均位于R＝6 000 m的圓曲線及＋4‰的縱坡上。橋型布置見圖1。

圖1 橋型布置(單位:m)

上部結構采用(80＋136＋80)m連續梁，主梁全長297.6 m，計算跨度(80＋136＋80)m。邊支點梁高6.0 m，中支點梁高度10.0 m，邊支座中心線至梁端0.8 m；梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。中支點和跨中橫斷面見圖2。

圖2 支點和跨中橫斷面(單位:cm)

下部結構橋墩采用圓端形實體墩和鉆孔灌注樁基礎，橋臺采用矩形空心橋臺和明挖基礎。下部結構類型及剛度見表1。

表1 墩臺基礎類型及剛度

3 計算分析

根據通航論證和防洪評估要求，本橋主跨不得小于136 m，全橋位于R＝6 000 m的圓曲線和＋4‰的縱坡上，不具備設置溫度伸縮調節器的條件。結合已有高速鐵路項目經驗，采用(80＋136＋80)m連續梁跨越巴河，不設溫度伸縮調節器，并根據工點實際情況對橋上無縫線路進行檢算。

根據?鐵路無縫線路設計規范?(TB 10015—2012)橋上無縫線路檢算要求，需檢算鋼軌強度、軌道穩定性和鋼軌斷縫值指標。本工程采用無砟軌道，不存在軌道穩定性問題，項目位于西南地區，鋼軌斷縫值也滿足要求。橋上無縫線路檢算控制性因素為鋼軌強度，需分別計算鋼軌溫度應力、動彎應力、伸縮附加應力、撓曲附加應力和制動附加應力等指標。一般情況下，伸縮附加應力大于撓曲附加應力，二者取大值，本研究僅對伸縮附加應力進行檢算[11]。經檢算，當橋上采用常規阻力扣件時，無縫線路鋼軌強度不滿足規范要求；當在連續梁大里程端邊跨及路基地段60 m范圍內鋪設小阻力扣件時，無縫線路鋼軌強度滿足規范要求。考慮到橋位處距離車站較遠，列車在此地段緊急制動的可能性較小，經綜合比較，本橋采用了小阻力扣件不設溫度調節伸縮器的(80＋136＋80)m連續梁方案。無縫線路鋼軌強度檢算結果見表2。

表2 無縫線路鋼軌強度檢算結果 MPa

根據工管站前電[2022]4號文要求，對本橋軌道結構方案進行了專項評審，形成專家意見如下:該橋采用小阻力扣件不設置軌溫伸縮調節器方案合理可行；結合該橋施工現狀，研究減小溫度跨度增加鋼軌強度安全儲備措施的可行性。

本橋下部結構均已施工完畢，1號墩懸灌段施工到A17號段(共17段)，2號墩懸灌段施工到A14號段(共17段)，邊跨現澆段均已施工完畢。結合本橋現場施工情況，分別提出以下三種支座約束體系方案(方案二、三、四)以增加鋼軌強度安全儲備[12]。不同方案支座約束體系及溫度跨度見圖3和表3。

圖3 不同方案支座約束體系及溫度跨度

表3 不同方案支座約束體系及溫度跨度

對以上四個方案，分別按采用常規阻力扣件和小阻力扣件對無縫線路鋼軌強度進行檢算，檢算結果見表4。

表4 不同方案各項鋼軌強度檢算結果統計 MPa

由表4和圖4可知:

圖4 各項鋼軌應力對比(小阻力扣件)

(1)采用常規阻力扣件時，四個方案鋼軌強度均不能滿足規范要求；而采用小阻力扣件時，四個方案鋼軌強度均能滿足規范要求，故無論采用哪種方案都必須設置小阻力扣件。

(2)溫度跨度對溫度應力和動彎應力無影響。溫度跨度越大，伸縮和制動附加應力越大，但對伸縮附加應力影響更為明顯。

(3)速度鎖定器對溫度應力、動彎應力和伸縮附加應力無影響，可顯著減小制動附加應力，但由于制動附加應力占鋼軌總應力比例較低，故速度鎖定器對改善鋼軌總應力效果不明顯。

(4)小阻力扣件對溫度應力、動彎應力和制動附加應力無影響，可顯著減小伸縮附加應力。小阻力扣件和常規阻力扣件相比，鋼軌附加應力減少約60 MPa，占鋼軌總應力15%左右，小阻力扣件對改善鋼軌總應力效果較為明顯。

(5)雙固定墩和縱向活動支座＋速度鎖定器的連續梁體系可極大減小溫度跨度，明顯減小無縫線路鋼軌受力。

結合本橋現場施工情況，對方案二～方案四存在問題及優缺點進行統計，見表5、表6。

表5 實施方案和存在問題統計

表6 不同方案結構體系優缺點對比

4 研究總結

(1)本橋必須設置小阻力扣件無縫線路鋼軌強度方能滿足規范要求。

(2)溫度跨度越大，伸縮和制動附加應力越大，但對伸縮附加應力影響更明顯。

(3)速度鎖定器可顯著減小制動附加應力，對其他各項應力無影響，對改善鋼軌總應力效果不明顯。

(4)小阻力扣件可顯著減小伸縮附加應力，對其他各項應力無影響，對改善鋼軌總應力效果較為明顯。

(5)方案二～方案四均可增加鋼軌強度安全儲備，但方案三、四存在問題多、可實施性難度大；方案二僅能通過減小制動附加應力的方式增加鋼軌強度安全儲備，但橋位處距離車站較遠，列車在此地段緊急制動的可能性很??；方案一檢算時已考慮最不利軌枕間距、最大降溫幅度、疊加制動力等不利因素仍能滿足規范要求。綜合本橋位于曲線坡道地段、氣溫溫差較小(最高軌溫60.6℃，最低軌溫－4.5℃，設計鎖定軌溫28℃ ±5℃)和現場施工情況，本橋維持小阻力扣件不設溫度調節伸縮器方案。

(6)采用縱向活動支座＋速度鎖定器的連續梁體系，可極大減小溫度跨度，減小無縫線路鋼軌受力。此體系雖然目前僅在部分項目應用，技術還不太成熟，但未來將是大跨、長聯連續梁橋約束體系一種發展趨勢。

5 結束語

本文通過對某高速鐵路大橋(80＋136＋80)m連續梁在四種不同支座約束連續梁體系下無縫線路鋼軌應力結果進行對比分析，得出了鋼軌應力與溫度跨度、小阻力扣件和速度鎖定器的關系，并提出了一些增大無縫線路鋼軌強度安全儲備的設計方案和注意事項，對后續類似工程具有一定借鑒意義。