部分斜拉橋線形控制及無砟軌道鋪設技術研究

陳杰

中鐵上海設計院集團有限公司， 上海 200070

部分斜拉橋的概念最早由法國工程師Jacgue Mathivat提出，并于日本小田原港橋得以應用［1］。近年來，我國鐵路建設迅速發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)絡日趨完善，部分斜拉橋因其剛度大、造型美觀、經(jīng)濟性好等特點在高速鐵路橋梁建設領域中逐漸普及［2］，如商合杭鐵路潁上特大橋（94.2 + 220 + 94.2） m部分斜拉橋［3］，贛深鐵路劍潭東江特大橋（136 + 260 + 136） m 部分斜拉橋，黔張常鐵路阿蓬江特大橋（135 + 240 + 135） m 部分斜拉橋等［4］。運營期間高速鐵路結(jié)構(gòu)動力響應顯著，且鋪設無砟軌道對橋梁剛度及殘余徐變要求較高，在跨度200 m 以上的高速鐵路橋梁鋪設無砟軌道有一定難度［5］。目前，我國已成功在昌贛鐵路贛江特大橋主跨300 m 斜拉橋和商合杭鐵路裕溪河特大橋主跨324 m鋼箱桁梁斜拉橋鋪設無砟軌道［6-7］，但關于主跨大于200 m的部分斜拉橋無砟軌道鋪設技術總結(jié)較少。

本文通過建立池黃高速鐵路太平湖部分斜拉橋有限元模型，結(jié)合施工過程典型工況對部分斜拉橋主梁線形及無砟軌道鋪設控制技術進行研究，可為高速鐵路大跨度部分斜拉橋無砟軌道鋪設提供技術參考。

1 工程概況

新建池黃高速鐵路太平湖特大橋位于黃山市黃山區(qū)境內(nèi)太平湖，橋梁全長926.1 m，設計速度為350 km/h。太平湖特大橋主橋為（48 + 118 + 2 × 228 +118 + 48） m 三塔部分斜拉橋，全長789.7 m，采用剛構(gòu)連續(xù)梁體系［8］，中塔塔梁墩固結(jié)，邊塔塔梁固結(jié)、塔墩分離，橋型布置如圖1所示。橋面以上塔高48 m，有效塔高35 m，斜拉索為雙索面扇形布置，單個橋塔設9對拉索。主梁截面采用單箱雙室、變高度直腹板截面，中支點梁高12 m，跨中梁高6 m。

圖1 橋型布置（單位：m）

太平湖特大橋主橋采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道（圖2），軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm（內(nèi)軌頂面至混凝土底座底面），兩端左右線共鋪設4組單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，并在梁縫處設置上承式梁端伸縮裝置。CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床、隔離層、底座及限位凹槽周圍彈性墊層等部分組成。

圖2 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道橫斷面（單位：mm）

2 無砟軌道鋪設技術要求

高速鐵路無砟軌道不平順對列車行車的安全性、平穩(wěn)性、舒適性、車輛和軌道部件的壽命及環(huán)境噪聲等有重要影響［9］，根據(jù)對車輛的激擾方向主要類型可分為高低、軌向、軌距、水平和扭曲不平順，而橋梁結(jié)構(gòu)線形變形即橋梁附加變形主要影響軌道高低不平順。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》［10］及TB 10754—2018《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標準》［11］，正線無砟軌道靜態(tài)鋪設精度標準見表1。

表1 正線無砟軌道靜態(tài)鋪設精度標準

為適應高速鐵路大跨度橋梁建設需要，《國家鐵路局關于發(fā)布鐵道行業(yè)標準的公告（工程建設標準2023年第2批）》中修訂了大跨度橋梁軌道鋪設精度標準，明確新建高速鐵路主跨200 ～ 400 m橋梁的軌道靜態(tài)高低長波不平順采用200 m 高通濾波后60 m 弦中點弦測值計算方法。修訂后無砟軌道靜態(tài)鋪設精度標準見表2。

表2 修訂后正線無砟軌道靜態(tài)鋪設精度標準

3 主梁線形控制參數(shù)的影響分析

部分斜拉橋為多次超靜定結(jié)構(gòu)，施工過程中涉及到多次體系轉(zhuǎn)換，且施工步驟多、工期長，在施工過程中不可避免地出現(xiàn)主梁剛度、斜拉索二次張拉次序、鋪軌基準溫度與設計參數(shù)不符的情況，而這些因素會不同程度地影響主梁整體線形［12］。因此，建立太平湖特大橋主橋有限元模型，進一步分析施工過程設計參數(shù)對部分斜拉橋主梁線形的影響。設計參數(shù)取值及變化幅值見表3，其中，次序為主梁合龍→存梁60 d→斜拉索二次張拉→施工二期恒載；次序B 為主梁合龍→存梁60 d→施工二期恒載→斜拉索二次張拉；次序C 為主梁合龍→存梁60 d→施工部分二期恒載（除軌道結(jié)構(gòu)外）→斜拉索二次張拉→施工剩余二期恒載（軌道結(jié)構(gòu)）。

表3 設計參數(shù)取值與變化幅值

3.1 主梁剛度

根據(jù)部分斜拉橋的工程經(jīng)驗，混凝土的材料特性的離散性較大，混凝土彈性模量實測值一般大于設計值，且混凝土的彈性模量隨時間而增大。以原設計主梁C55 混凝土彈性模量為基準值，變化幅值參見表3，不同主梁剛度下成橋狀態(tài)主梁線形見圖3。

圖3 不同主梁剛度下成橋狀態(tài)主梁線形

由圖3可知：主梁彈性模量增加10%，則主梁主跨最大豎向變形減少約5.8 mm；主梁彈性模量增加20%，則主梁主跨最大豎向變形減少約11.0 mm。主梁剛度變化對主梁線形有一定影響，在跨中附近撓度出現(xiàn)較大值，主梁線形與主梁剛度基本呈線性關系。

3.2 斜拉索二次張拉次序

在施工過程中，受現(xiàn)場條件、工期等因素影響，實際施工工序與設計指定的施工次序不同，而斜拉索的二次張拉次序與二期恒載加載次序在一定程度上會影響鋪軌后主梁線形，故在原設計施工次序A 基礎上結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況提出施工次序B 和施工次序C。不同斜拉索二次張拉次序下成橋狀態(tài)主梁線形見圖4。可知，改變斜拉索的二次張拉次序?qū)χ髁壕€形影響較大，施工次序B、C 主梁主跨最大豎向變形分別比原施工次序A減小約32.1、12.7 mm。

圖4 不同斜拉索二次張拉次序下成橋狀態(tài)主梁線形

3.3 鋪軌基準溫度

溫度是影響主梁線形的主要因素之一，溫度變化主要包括日照溫度變化和季節(jié)性溫度變化。日照溫度變化復雜，會引起主梁頂?shù)装鍦夭罴八髁簻夭睿怪髁喊l(fā)生撓曲，同時引起橋塔偏移。通過選擇合適的線形觀測時間可以消除日照溫度對觀測數(shù)據(jù)的影響。季節(jié)性溫度變化對主梁線形的影響一般可簡單表示為線性關系，但施工軌道結(jié)構(gòu)時季節(jié)溫度可能與設計基準溫度不符，應進行溫度修正。因此，基于本橋設計基準溫度，分別計算升溫10 ℃和降溫10 ℃后主梁線形，結(jié)果見圖5。可知，無砟軌道鋪設施工時溫度比設計基準溫度升高10 ℃，主梁主跨最大豎向變形減少約1.5 mm；若降溫10 ℃主跨最大豎向變形增加約1.5 mm。

圖5 不同鋪軌基準溫度下成橋狀態(tài)主梁線形

3.4 設計參數(shù)影響分析

統(tǒng)計設計參數(shù)變化引起的成橋狀態(tài)主梁線形變化最大絕對值，并按照影響程度進行排序，見表4。可知，斜拉索二次張拉次序?qū)χ髁壕€形影響最大，主梁剛度對主梁線形影響次之，二者均為主要影響因素，施工過程中應重點關注；鋪軌基準溫度對主梁影響較小，為次要影響因素。

表4 主梁線形設計參數(shù)影響程度

4 主梁線形精細化控制

4.1 主梁線形控制方案

太平湖特大橋主橋采用預應力混凝土主梁，主梁自重和結(jié)構(gòu)剛度大，斜拉索索力變化引起的梁體撓度變化較小。為滿足無砟軌道靜態(tài)鋪設精度要求，施工過程中必須嚴格進行施工控制，確保達到設計成橋線形。根據(jù)線形控制目標，結(jié)合大橋的設計、施工特點，針對梁段懸臂澆筑階段及無砟軌道鋪設階段分別制定控制措施。

1）懸臂澆筑階段：以精準合龍為目標進行施工控制。遵循線形控制為主、索力控制為輔的原則，節(jié)段懸臂澆筑過程中通過精密水準儀嚴格控制主梁各節(jié)段立模標高、預應力鋼束張拉前和張拉后控制點標高。同時，結(jié)合混凝土應力監(jiān)測結(jié)果，當標高偏差過大時及時分析原因并進行糾正。

2）無砟軌道鋪設階段：確保鋪軌后軌頂標高與設計值一致。遵循自適應控制原理，根據(jù)成橋狀態(tài)的合理結(jié)構(gòu)及線形，按照主梁合龍后各施工階段的實際工況進行仿真分析計算，并通過在線監(jiān)控確保施工過程中大橋的實際軌跡盡量沿著理論參考軌跡平順運行。無砟軌道鋪設過程中采用等代荷載逐級分析，結(jié)合實際施工情況進行溫度修正，確保達到預定成橋線形。

4.2 合理成橋狀態(tài)線形控制

大橋施工期間受現(xiàn)場施工環(huán)境、施工進度要求等條件限制，調(diào)整主梁合龍后部分施工次序，由原設計施工次序A 調(diào)整為施工次序C。斜拉索二次張拉次序?qū)χ髁壕€形影響較大。因此，結(jié)合現(xiàn)場橋梁結(jié)構(gòu)的實際施工狀態(tài)，選取施工過程中典型工況，分析調(diào)整施工次序后實際施工情況與理想設計參數(shù)的誤差并對有限元模型進行調(diào)整。具體工況選取及分析過程如下。

1）工況一，部分橋面附屬荷載施工

主梁合龍后滿足存梁60 d 條件，對梁面標高進行測量，施加部分橋面附屬荷載（約50 kN/m）。梁面標高復測，獲取實測主梁撓度變化。根據(jù)實際施工情況及加載情況調(diào)整理論計算模型，主梁線形見圖6。可知，主梁理論變形略大于實測變形，原因是主梁實際混凝土彈性模量大于設計值。后續(xù)計算可根據(jù)變形差值修正理論模型中混凝土彈性模量。

圖6 部分橋面附屬荷載（50 kN·m-1）施工后主梁線形

2）工況二，斜拉索二次張拉

考慮已施加約50 kN/m 的二期恒載，根據(jù)成橋狀態(tài)主梁線形，結(jié)合當前階段實測索力與梁面標高，重新推算斜拉索二次張拉索力。為避免二次張拉索力調(diào)整導致成橋狀態(tài)主梁索力變化，從而影響主梁受力，需進一步計算成橋狀態(tài)斜拉索索力。通過修正理論計算模型施工次序并代入相關荷載，計算得到成橋狀態(tài)斜拉索索力，與原設計值相比最大誤差為3.53%，在合理誤差范圍內(nèi)。斜拉索二次張拉后，主梁線形理論值與實測值（圖7）基本一致。

圖7 斜拉索二次張拉后主梁線形

3）工況三，無砟軌道鋪設

為消除斜拉索二次張拉后主梁線形存在的局部誤差，軌道結(jié)構(gòu)鋪設時可適當調(diào)整底座板厚度。通過等代荷載的方法，在橋面均勻布置水箱并逐級加載，分別模擬底座板施工（荷載約41 kN/m）和道床板、鋼軌及扣件等其余軌道結(jié)構(gòu)施工（荷載約40 kN/m）。施工處于春夏交替季節(jié)，實測大氣溫度約25 ℃，與設計基準溫度15 ℃不符。因此，根據(jù)等代荷載下主梁實測線形進行溫度修正，推算底座板厚度。待底座板施工完成后，再次通過等代荷載的方法在混凝土箱室內(nèi)施加水箱荷載模擬道床板、鋼軌、扣件等其余軌道結(jié)構(gòu)荷載，確保底座板厚度合理的同時進一步驗證鋪軌完成后主梁線形。

軌道結(jié)構(gòu)鋪設完成后實測主梁軌頂標高。經(jīng)溫度修正后軌頂標高與設計標高最大偏差為8.7 mm（圖8），小于10 mm，滿足無砟軌道鋪設靜態(tài)鋪設精度要求。

圖8 無砟軌道鋪設后主梁主跨撓度變形

5 主梁變形引起的軌道靜態(tài)不平順

大跨度橋梁在溫度、收縮徐變等因素作用下產(chǎn)生的橋面變形多呈現(xiàn)為長波不平順，從而影響軌道幾何形態(tài)，且各因素引起的長波不平順不是孤立的，單純限定某個指標如撓跨比、徐變變形等，并不能保證軌道幾何形態(tài)，應對這些變形的總量進行控制［13］。

溫度荷載需考慮體系整體升降溫、主梁梯度溫度與索梁體系溫差，徐變變形按10 年運營考慮，具體工況見表5。

表5 主梁附加變形計算工況

通過有限元模型分析計算，獲取各工況下主梁線形，濾除波長大于200 m 的部分后計算60 m 弦軌道靜態(tài)高低不平順，并進行最不利情況組合：升溫工況為整體升溫 + 梯度升溫 + 索梁正溫差 + 徐變變形，降溫工況為整體降溫 + 梯度降溫 + 索梁負溫差 + 徐變變形。濾波后軌道60 m 弦高低長波不平順見圖9。可知，高低長波不平順最大值為3.3 mm。

圖9 濾波后軌道60 m弦高低長波不平順

根據(jù)鋪軌后主梁實測線形分別疊加升溫工況與降溫工況組合，計算200 m 高通濾波后60 m 弦高低長波不平順，最大值為6.4 mm，小于7.0 mm，滿足修訂后大跨度橋梁無砟軌道靜態(tài)鋪設精度標準。

6 結(jié)論

1）斜拉索二次張拉次序?qū)Υ罂缍炔糠中崩瓨虺蓸驙顟B(tài)主梁線形的影響最大，主梁剛度的影響次之，鋪軌基準溫度的影響最小。施工過程中應嚴格控制施工次序，若與設計不符則及時調(diào)整原設計理論模型進而指導后續(xù)施工。

2）結(jié)合大跨度部分斜拉橋的設計、施工特點，針對梁段懸臂澆筑階段，提出標高、應力同步監(jiān)測措施確保懸澆過程主梁線形無誤；對無砟軌道鋪設階段，提出通過水箱等代荷載并結(jié)合施工過程實測數(shù)據(jù)對理論計算模型逐級修正的措施，確保主梁線形最終達到合理成橋狀態(tài)。

3）無砟軌道鋪設完成后，實測軌頂標高與設計標高最大偏差為8.7 mm，溫度荷載與徐變組合作用下200 m高通濾波后軌道60 m弦高低長波不平順最大值為3.3 mm，考慮實測線形后最大值為6.4 mm，滿足無砟軌道靜態(tài)鋪設精度要求。