3×340 m公鐵合建斜拉橋成橋線形及平順性分析研究

收稿日期：2024-02-27

作者簡(jiǎn)介：吳其林（1992—），男，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：鐵路大跨橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

摘要 珠機(jī)城際珠海西江公鐵大橋主橋采用（58.5+116+3×340+116+58.5）m四塔三主跨斜拉橋，為國(guó)內(nèi)首座公鐵平層合建的多塔斜拉橋。其塔多聯(lián)長(zhǎng)，公鐵同層合建的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其變形更加復(fù)雜，因此針對(duì)該橋成橋線形及平順性展開研究，結(jié)果表明：活載作用下大橋成橋線形指標(biāo)均滿足要求；10 m弦高低不平順與理論計(jì)算的橋面和軌道線形一致，滿足相關(guān)要求；車輛、軌道、橋梁的動(dòng)力響應(yīng)各指標(biāo)均能滿足相關(guān)要求。可為大跨度公鐵同層合建多塔斜拉橋設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 多塔斜拉橋；公鐵合建；成橋線形；溫度變形；車橋耦合分析

中圖分類號(hào) U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0089-04

0 引言

公鐵合建橋梁集不同運(yùn)輸方式于一體，是集約高效利用資源的重要體現(xiàn)和交通綜合立體式發(fā)展的典型代表，目前我國(guó)已建成各類公鐵兩用橋項(xiàng)目40余座[1]。對(duì)于鐵路橋梁，需要盡量減少成橋線形與設(shè)計(jì)線形的偏差，才能滿足后續(xù)的鋪軌要求，順利通過靜態(tài)驗(yàn)收，保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全[2]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，對(duì)可能導(dǎo)致橋梁偏離設(shè)計(jì)理想狀態(tài)的各類因素進(jìn)行研究，分析成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形及軌道平順性，為大跨度公鐵合建多塔斜拉橋設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

珠機(jī)城際鐵路在珠海市西南部呈東西走向跨越磨刀門水道和白藤河水道出海口，為了節(jié)省橋位資源、降低投資，在跨磨刀門水道時(shí)珠機(jī)城際鐵路與金海高速公路合建跨海大橋[3-4]。主橋采用（58.5+116+3×340+116+

58.5）m公鐵同層合建四塔斜拉橋，全長(zhǎng)1 371.8 m，橋式立面布置如圖1所示。橋上中間通行雙線城際鐵路，有砟軌道，設(shè)計(jì)行車速度160 km/h，兩側(cè)布置雙向6車道高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。

2 成橋變形分析

2.1 活載效應(yīng)變形

對(duì)于大跨度鐵路斜拉橋，現(xiàn)有的鐵路橋梁規(guī)范的剛度標(biāo)準(zhǔn)已不適用，而剛度標(biāo)準(zhǔn)的取值是一項(xiàng)重要的技術(shù)問題，需根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，通過動(dòng)力分析并參考國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。世界各國(guó)已建大跨度鐵路斜拉橋豎向撓度比普遍大于1/500，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，情況良好[5]。該橋豎向剛度控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及車橋耦合振動(dòng)分析結(jié)果確定：列車靜活載作用下，主跨豎向撓度不宜大于L/550。

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）第4.1.4條，公鐵兩用橋梁活載按鐵路活載+0.75倍公路活載考慮[6]。在列車和汽車靜活載作用下，橋梁位移及剛度見表1。

表1 結(jié)構(gòu)變形及剛度表

項(xiàng)目 數(shù)值

主梁豎向撓度 主跨第1、3孔最大/mm 254.2

主跨第1、3孔最小/mm ?473.1

主跨第2孔最大/mm 268.0

主跨第2孔最小/mm ?526.3

主梁撓跨比 主跨第1、3孔 1/718

主跨第2孔 1/646

梁端豎向轉(zhuǎn)角 最大梁端轉(zhuǎn)角/‰rad 0.864

梁端水平轉(zhuǎn)角 最大梁端轉(zhuǎn)角/‰rad 0.043

主梁橫向位移 最大橫向位移/mm 36.0

鋼軌相對(duì)位移變形量 3 m長(zhǎng)范圍最大變形量/mm 0.256

在雙線ZC靜活載和0.75倍公路靜活載作用下，橋面最大豎向撓度?526.3 mm，最大上拱為268.0 mm，如圖2所示，位移峰值均位于中主跨跨中處。主跨最大豎向撓跨比1/646，滿足不宜大于L/550的要求。

橋梁梁端最大豎向轉(zhuǎn)角0.864 ‰rad≤3 ‰rad；橋梁梁端最大橫向轉(zhuǎn)角0.043 ‰rad≤1 ‰rad，主梁最大橫向位移36.0 mm，撓跨比達(dá)到1/9 444＜1/4 000；考慮公路單側(cè)偏載造成梁體扭轉(zhuǎn)引起的3 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)鋼軌相對(duì)變形量為0.256 mm≤3.7/3 mm。結(jié)果表明：活載作用下大橋豎向剛度、橫向剛度、梁端豎向轉(zhuǎn)角、水平折角及鋼軌相對(duì)變形等指標(biāo)均滿足要求。

2.2 溫度效應(yīng)變形理論計(jì)算

根據(jù)氣象條件，取20 ℃作為基準(zhǔn)溫度，對(duì)不同材料類型的構(gòu)件施加不同的溫度效應(yīng)。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）的規(guī)定并適當(dāng)富余取值。

分別按照升溫、降溫工況將前述溫度效應(yīng)荷載進(jìn)行疊加組合，組合工況如下：

（1）升溫組合：整體升溫+拉索升溫+鋼梁正溫差+橋塔梯度升溫。

（2）降溫組合：整體降溫+拉索降溫+鋼梁負(fù)溫差。

如圖3所示，對(duì)比分析不同溫度荷載下的主梁變形計(jì)算結(jié)果，可以看出，體系升降溫與拉索升降溫工況占據(jù)溫度作用變形的主導(dǎo)地位。體系升降溫變形最大處發(fā)生在中主跨跨中，體系升溫最大豎向位移67.8 mm，體系降溫最大豎向位移為?48.4 mm。拉索升降溫變形最大處發(fā)生在邊主跨跨中，拉索升溫最大豎向位移?83.3 mm，拉索降溫最大豎向位移為83.3 mm。

體系溫度效應(yīng)作用下，橋面產(chǎn)生呈現(xiàn)出“中主跨跨中高，邊主跨跨中低”的變形狀態(tài)，而在拉索溫差作用下，各主跨均呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的變形特征，且邊主跨較中主跨的變形更為顯著。

升溫工況作用下橋面最大上拱值為93.3 mm，降溫工況下最大下?lián)现禐?99.7 mm。

2.3 實(shí)測(cè)溫度效應(yīng)影響分析

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)珠海西江公鐵大橋的橋面線形進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，并記錄下了觀測(cè)時(shí)的時(shí)間和溫度，為排除橋面線形與設(shè)計(jì)線形之間的施工誤差，觀測(cè)中記錄不同溫度下橋面同一位置的高程，通過高程之間的豎向差值來反映溫度變化引起的橋面線形變化。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)橋面線形變化規(guī)律與理論計(jì)算一致，單位升溫實(shí)測(cè)的橋面變形與理論計(jì)算值基本接近。

2.4 預(yù)拱度設(shè)置

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，橋梁的預(yù)拱度包括恒載預(yù)拱度和活載預(yù)拱度，活載預(yù)拱度按設(shè)計(jì)靜活載的一半考慮，預(yù)拱度的設(shè)置在施工過程中實(shí)施[6]。大跨度橋梁的橋面線形受溫度影響大且時(shí)上時(shí)下，按規(guī)范設(shè)置的預(yù)拱度過大，會(huì)加劇線形變化。為使近遠(yuǎn)期列車上橋時(shí)均能獲得更平順的線形，預(yù)拱度值常取（單線實(shí)際運(yùn)營(yíng)列車活載變形的一半），并反向設(shè)置，例如昌贛客專贛州贛江特大橋、商合杭鐵路裕溪河特大橋均按此方法設(shè)計(jì)。

珠海西江公鐵大橋按單線活載變形的一半設(shè)置理論預(yù)拱度，跨中最大理論上拱值為166 mm，最終成橋預(yù)拱度受施工過程及合龍實(shí)際溫度影響，最終成橋預(yù)拱度與理論預(yù)拱度基本吻合。

3 軌道平順性分析

珠海西江公鐵大橋設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h，按照規(guī)范要求，軌道靜態(tài)高低不平順按照10 m弦中點(diǎn)弦測(cè)法檢算，有砟軌道靜態(tài)高低平順度鋪設(shè)精度容許偏差不大于4 mm。

根據(jù)對(duì)橋梁和軌道的實(shí)測(cè)結(jié)果，軌道與橋梁在溫度荷載作用下的垂向位移一致，因此按照橋梁理論計(jì)算得出的升降溫荷載下的橋面變形包絡(luò)曲線，用三次樣條差值進(jìn)行數(shù)值擬合，進(jìn)而得到了橋梁和軌道在溫度荷載作用下每隔0.5 m的理論變形包絡(luò)曲線。根據(jù)上述變形包絡(luò)線，10 m弦高低不平順如圖4所示，其最大值為1.3 mm，滿足規(guī)范限值4 mm（10 m弦）要求。

根據(jù)實(shí)測(cè)溫度效應(yīng)分析結(jié)果可知，實(shí)測(cè)的單位溫度作用下的橋面變形曲線與理論計(jì)算的橋面變形曲線基本吻合，無須修正，故10 m弦高低不平順與理論計(jì)算的橋面和軌道線形一致，其最大值為1.3 mm，滿足規(guī)范限值4 mm（10 m弦）要求。

4 車橋耦合動(dòng)力學(xué)分析

針對(duì)珠機(jī)城際珠海西江公鐵大橋（58.5+116+3×340+

116+58.5）m四塔斜拉橋，采用空間有限元建立全橋動(dòng)力分析模型，對(duì)橋梁的空間自振特性進(jìn)行了計(jì)算；同時(shí)，對(duì)該方案在CRH2客車作用下的車橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行了分析，全面評(píng)價(jià)了橋梁的動(dòng)力性能以及列車運(yùn)行時(shí)的安全性與舒適性[7]。

CRH2動(dòng)力分散式車組：列車編組為：2×（動(dòng)+拖+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+動(dòng)+拖+動(dòng)），共16節(jié)。速度等級(jí)取80 km/h、

100 km/h、120 km/h、140 km/h、160 km/h、180 km/h、200 km/h。軌道不平順采用德國(guó)低干擾軌道譜[8-9]。車橋耦合動(dòng)力學(xué)分析主要結(jié)論如下：

4.1 橋梁自振特性分析

主梁一階豎向彎曲頻率為0.305 Hz，橋塔一階側(cè)向彎曲的頻率為0.679 Hz。

4.2 橋梁振動(dòng)性能

橋梁跨中橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.169 mm、59.263 mm，橋梁跨中橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.010 m/s2、0.088 m/s2。

可見，在上述列車作用下，3×340 m鋼箱梁斜拉橋各跨的豎向和橫向振動(dòng)位移較小，橋梁豎向和橫向振動(dòng)加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明橋梁的振動(dòng)性能良好。

4.3 列車行車安全性

在CRH2動(dòng)力分散式車組以速度80～200 km/h通過3×340 m鋼箱梁斜拉橋時(shí)，動(dòng)車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，保證了高速列車的行車安全。

4.4 列車乘坐舒適性

在CRH2動(dòng)力分散式車組以速度80～200 km/h通過3×340 m鋼箱梁斜拉橋時(shí)，豎向舒適性和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”。

4.5 考慮附加變形下的車—線—橋耦合振動(dòng)分析

在考慮公路車輛荷載引起的四種軌道附加變形工況作用下，CRH2動(dòng)力分散式車組以速度80～200 km/h通過3×340 m鋼箱梁斜拉橋時(shí)，動(dòng)車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，保證了高速列車的行車安全，豎向舒適性和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”。且各工況下仿真計(jì)算的結(jié)果與不考慮橋面附加變形時(shí)的結(jié)果差異不大，說明橋面附加變形對(duì)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)及列車的行車安全影響較小。

4.6 風(fēng)—車—線—橋耦合振動(dòng)分析

橋址地處臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，通過大橋節(jié)段模型測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)獲取相應(yīng)的三分力系數(shù)后，再根據(jù)車橋耦合振動(dòng)分析理論，考慮該橋在偏載及塞車工況下風(fēng)—車—橋空間耦合振動(dòng)情況[6-7]。結(jié)果表明：無論是偏載還是塞車在與30 m/s風(fēng)速的組合作用下，列車以160 km/h車速在珠海西江公鐵大橋上行駛時(shí)，列車安全性與舒適性、橋梁動(dòng)力響應(yīng)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

該文以珠機(jī)城際珠海西江公鐵大橋（58.5+116+3×340+116+58.5）m四塔三主跨公鐵同層斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)其變形及

（下轉(zhuǎn)第88頁）

（上接第91頁）

平順性展開分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）大橋在鐵路和公路活載作用下的豎向剛度、橫向剛度、梁端豎向轉(zhuǎn)角、水平折角及鋼軌相對(duì)變形等指標(biāo)優(yōu)越，均滿足相關(guān)要求。

（2）對(duì)于多主跨斜拉橋，體系溫度效應(yīng)作用下，橋面產(chǎn)生呈現(xiàn)出“中主跨跨中高，邊主跨跨中低”的變形狀態(tài)，而在拉索溫差作用下，各主跨均呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的變形特征，且邊主跨較中主跨的變形更為顯著。體系升降溫與拉索升降溫工況占據(jù)溫度作用變形的主導(dǎo)地位。

（3）該橋?qū)崪y(cè)單位溫度作用下的橋面變形曲線與理論計(jì)算的橋面變形曲線吻合良好。

（4）10 m弦高低不平順與理論計(jì)算的橋面和軌道線形一致，其最大值為1.3 mm，滿足規(guī)范限值4 mm

（10 m弦）要求。

（5）列車以80～200 km/h運(yùn)行時(shí)，車輛、軌道、橋梁的動(dòng)力響應(yīng)各指標(biāo)均能滿足相關(guān)要求。該橋于2018年3月開工建設(shè)，于2024年2月建成通車。該橋的建成可為大跨度公鐵同層合建多塔斜拉橋設(shè)計(jì)提供參考。

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