周詩(shī)廣

(鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京 100038)

1 概述

高速鐵路的高速度、高舒適性、高安全性、高密度連續(xù)運(yùn)營(yíng)等特點(diǎn),對(duì)其軌下基礎(chǔ)提出了嚴(yán)格的要求。軌道應(yīng)該在列車以規(guī)定的最大載重和最高速度運(yùn)行時(shí),具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和平順性,以保證高速行車的需要。橋梁在高速列車荷載作用下,應(yīng)具有足夠的剛度以確保梁體的撓曲變形、預(yù)應(yīng)力徐變上拱以及不均勻溫度差引起的橋梁變形控制在一定范圍內(nèi),且同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。針對(duì)大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,就高速鐵路大跨度橋梁無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所應(yīng)注意的問題進(jìn)行探討。

2 橋梁剛度要求

為保證高速列車運(yùn)營(yíng)的安全性和舒適性,大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)首先應(yīng)對(duì)橋梁剛度提出要求。橋梁作為列車、軌道的支承結(jié)構(gòu),應(yīng)該為軌道結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定、平順的支撐基礎(chǔ)。列車通過橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)將使橋梁產(chǎn)生豎向、橫向位移,從而引起支座端部產(chǎn)生轉(zhuǎn)角,導(dǎo)致相鄰范圍內(nèi)的軌道表面成為不平順曲線,列車通過該部位時(shí)受到激振,影響列車行車的安全性與舒適性。因此,必須要求橋梁具有一定的豎向、橫向剛度,才能保證行車安全與乘坐舒適。

由于各個(gè)國(guó)家橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不同,因此對(duì)橋梁剛度的要求也不同。

2.1 日本高速鐵路對(duì)橋梁剛度的要求

關(guān)于鐵路構(gòu)筑物的變形要求,日本2006年2月制訂并發(fā)布了《鐵路構(gòu)造物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與解說—變形限制》規(guī)范予以專門規(guī)定。日本鐵路橋梁采用基于性能設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)法的設(shè)計(jì)體系,根據(jù)不同的荷載組合,分別就橋梁的安全性、使用性和可修復(fù)性對(duì)梁體的變形響應(yīng)值(剛度)進(jìn)行檢算。一般取雙線列車活載來計(jì)算,撓度按表1、表4所示值控制。

同時(shí)該規(guī)范還規(guī)定了列車活載作用下軌面不均勻變形的設(shè)計(jì)限值(折角、錯(cuò)位),如表1～表7所示。

表1 日本新干線鐵路基于運(yùn)營(yíng)安全確定的梁撓度的設(shè)計(jì)限值

表2 日本新干線鐵路基于運(yùn)營(yíng)安全確定的軌面錯(cuò)位的設(shè)計(jì)限值

表3 日本新干線鐵路基于運(yùn)營(yíng)安全確定的軌面折角的設(shè)計(jì)限值

表4 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的梁撓度的設(shè)計(jì)限值

表5 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的軌面錯(cuò)位的設(shè)計(jì)限值

表6 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的軌面折角的設(shè)計(jì)限值

表7 日本新干線鐵路基于可修復(fù)性確定的軌面不均勻變形的設(shè)計(jì)限值

除此之外,該規(guī)范還要求對(duì)橋梁在地震作用狀態(tài)下橫向的振動(dòng)變形和豎向的軌面不均勻變形等進(jìn)行檢算。由此可見,日本鐵路對(duì)橋梁的剛度有著全面系統(tǒng)、嚴(yán)格細(xì)致的要求。

2.2 德國(guó)高速鐵路對(duì)橋梁剛度的要求

德國(guó)《鐵路新干線上橋梁特殊規(guī)程》(BesBDS899/59),第50條中對(duì)跨度小于60 m的簡(jiǎn)支梁“允許變形的極限值”規(guī)定如下：在新干線(即時(shí)速超過200 km的線路)上,一般簡(jiǎn)支梁橋梁端轉(zhuǎn)角限值為1.45‰,多孔連續(xù)梁橋梁端轉(zhuǎn)角限值為1.20‰；每延米橋梁長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)角限值為0.2‰；連續(xù)設(shè)置單聯(lián)結(jié)構(gòu)軸線間的水平轉(zhuǎn)角1‰；變形設(shè)計(jì)時(shí)不計(jì)動(dòng)力系數(shù)的影響。在跨度大于60 m的情況下應(yīng)根據(jù)計(jì)算可適當(dāng)允許采用較大的變位限值。

在《德國(guó)鐵路橋梁及其他工程結(jié)構(gòu)物規(guī)范(VEI)DS804》中,對(duì)橋梁豎向撓跨比作了如表8的補(bǔ)充規(guī)定。

表8 德國(guó)DS804有關(guān)橋梁豎向撓跨比的規(guī)定

2.3 UIC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁剛度的要求

UIC776-2中規(guī)定,對(duì)于行車速度超過200 km/h的橋梁,規(guī)定如下：橋面垂直撓度fv≤L/800,梁端部轉(zhuǎn)角θ≤1/200 rad,水平撓度fh≤L/4 000,橋梁扭曲最大為1 mm/m。

2.4 我國(guó)高速鐵路對(duì)橋梁剛度的要求

我國(guó)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)中對(duì)跨度小于96 m的混凝土結(jié)構(gòu)橋梁剛度提出了如表9、表10所示的要求。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)合梁等特殊結(jié)構(gòu)及96 m以上的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的限值則應(yīng)進(jìn)行專題研究。

表9 ZK豎向靜活載作用下梁體的豎向撓度限值

表10 ZK豎向靜活載作用下梁端豎向轉(zhuǎn)角限值

2.5 橋梁橫向剛度

列車通過橋梁時(shí)引起橫向振動(dòng)的因素較豎向復(fù)雜,各國(guó)對(duì)車橋橫向振動(dòng)的研究相對(duì)較少,同時(shí),各國(guó)對(duì)橫向剛度值評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)定也是不一致。綜合起來,其評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括4類：寬跨比、撓跨比、自振周期和振幅。根據(jù)寬嚴(yán)程度的不同,大致可分為3個(gè)層次,以日本新干線標(biāo)準(zhǔn)、我國(guó)廣深鐵路標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán),AREA-1983、TBJ2-85、UIC76-2R、法國(guó)國(guó)鐵次之,BS5400、DS899/59為最寬。具有代表性的幾種規(guī)范限值見表11。

表11 具有代表性的橋梁橫向剛度的規(guī)定

注：B為梁寬(m)；L為跨徑(m)；[fh]為允許撓度(m)；T為橫向自振周期。

國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC776-2R規(guī)定橋梁水平撓跨比小于1/4 000,計(jì)算水平撓度的荷載為由UIC荷載與風(fēng)荷載、溫度荷載所產(chǎn)生的水平力。

3 梁端扣件系統(tǒng)受力

橋梁因撓曲、徐變等因素引起的梁端變形使梁縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)扣件產(chǎn)生上拔力和下壓力,當(dāng)扣件上拔力和下壓力超過一定限值時(shí),將影響扣件系統(tǒng)的正常使用。因此，對(duì)扣件系統(tǒng)受力進(jìn)行研究,計(jì)算分析扣件是否失效直接關(guān)系到運(yùn)營(yíng)的安全性。

影響梁端扣件上拔力的因素：列車荷載作用下的梁端轉(zhuǎn)角；徐變上拱轉(zhuǎn)角；相鄰兩墩的沉降差異；同墩的兩支座沉降差異；列車荷載的作用；橋梁上下梁面的溫差梯度引起的轉(zhuǎn)角；橋梁的整體溫度差；橋梁的收縮(變短)；列車制動(dòng)→墩的偏移；墩臺(tái)的左右兩側(cè)溫差引起墩的偏移；線路坡度。

由上述因素引起的的梁端結(jié)構(gòu)變形包括：梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角、梁縫兩側(cè)支座截面豎向相對(duì)位移,圖1、圖2為梁端及橋臺(tái)處鋼軌與梁體變形示意圖。

圖1 梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角帶動(dòng)軌道變形示意

圖2 橋臺(tái)處橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)示意

計(jì)算梁端軌道板結(jié)構(gòu)變形引起扣件上拔力,如圖3所示，可采用梁軌一體化計(jì)算模型，綜合上述影響因素進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,選擇滿足扣件上拔力要求的扣件系統(tǒng)。

圖3 梁軌一體化扣件系統(tǒng)受力分析模型

圖4 不同梁端轉(zhuǎn)角扣件系統(tǒng)受力

對(duì)扣件上拔力影響最大的是梁端轉(zhuǎn)角和相鄰梁體由于支座變形等引起的錯(cuò)臺(tái),圖4、圖5分別為不同梁端轉(zhuǎn)角和錯(cuò)臺(tái)高低對(duì)扣件系統(tǒng)受力的影響。

圖5 不同錯(cuò)臺(tái)高度扣件系統(tǒng)受力

4 道床板(軌道板)穩(wěn)定性

無砟軌道道床板(軌道板)與底座為分離式層狀結(jié)構(gòu),當(dāng)扣件的上拔力較大時(shí),引起道床板(軌道板)上抬,嚴(yán)重情況下可使道床板(軌道板)與底座脫離,影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以需對(duì)大跨度橋梁上鋪設(shè)無砟軌道對(duì)道床板穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析。

大跨度橋上道床板穩(wěn)定性問題主要是由于扣件上拔力引起的,一般梁端道床板上扣件上拔力較其他地段大,所以大跨度橋梁道床板穩(wěn)定性計(jì)算分析主要針對(duì)梁端道床板進(jìn)行。如圖6所示,計(jì)算分析可將道床板視為置于剛性基礎(chǔ)上的半無限長(zhǎng)梁,假設(shè)梁在彈性范圍內(nèi)發(fā)生純彎曲變形,則剛性基礎(chǔ)上長(zhǎng)梁上抬長(zhǎng)度和抬起量可用近似微分方程采取初參數(shù)法求得。

圖6 無限長(zhǎng)梁上抬長(zhǎng)度及上抬位移圖示

由于截面O處的曲率半徑趨于無限長(zhǎng),故知截面O上的彎矩應(yīng)為0,即M0=0,根據(jù)力矩平衡有

再由y方向力的平衡條件可求得截面O處的剪力

又根據(jù)y0=0,θ0=0,的邊界條件,應(yīng)用初參數(shù)法可求得長(zhǎng)梁的撓曲線方程為

即可得,道床板上抬位移為

當(dāng)l

對(duì)于板式無砟軌道,其軌道板上抬穩(wěn)定性與軌道板自重及軌道板厚度有關(guān)。圖7、圖8為軌道板厚度不同時(shí),軌道板上抬穩(wěn)定性分析的結(jié)果。計(jì)算中,軌道板寬度取2.4 m,長(zhǎng)度4.962 m,扣件間距為0.629 m?？奂习瘟χ豢紤]作用于板端第1個(gè)扣件8 kN的上拔力,扣件距離板端280 mm。

圖7 軌道板上抬長(zhǎng)度隨軌道板厚度變化曲線

圖8 軌道板上抬位移隨軌道板厚度變化曲線

5 大梁縫處無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無砟軌道的扣件節(jié)點(diǎn)間距一般都在600～650 mm,但是目前在設(shè)計(jì)中由于小半徑曲線、大梁跨或連續(xù)梁考慮梁體的位移變化以及考慮進(jìn)人檢查等因素,其梁縫均超過100 mm。從而導(dǎo)致梁縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距出現(xiàn)大于650 mm的情況。

大梁縫處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,隨梁縫的大小和軌道結(jié)構(gòu)形式的不同而不同。以單元板式軌道為例,針對(duì)大梁縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距超過725 mm和不超過725 mm的不同情況,武廣高速鐵路提出了2種設(shè)計(jì)方案。

(1)梁端最大扣件節(jié)點(diǎn)間距不超過725 mm

最大扣件節(jié)點(diǎn)間距不超過725 mm時(shí),為解決梁端扣件節(jié)點(diǎn)間距超過650 mm的問題,采用的設(shè)計(jì)方案：梁縫處扣件節(jié)點(diǎn)最大間距按725 mm控制,當(dāng)梁縫大于250 mm時(shí),采用底座懸臂最大長(zhǎng)度80 mm方案,軌道板板端第1組扣件與板端距離縮短至225 mm。

(2)最大扣件節(jié)點(diǎn)間距超過725 mm

最大扣件節(jié)點(diǎn)間距超過725 mm時(shí),若采用上述方案，可能會(huì)對(duì)列車運(yùn)行的平順性、安全性產(chǎn)生影響,對(duì)于這種情況,如圖9所示,可以采用在梁縫處設(shè)搭梁的方案。

圖9 大梁縫處搭梁設(shè)計(jì)方案

該方案需對(duì)具體橋梁進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算,圖10為武廣高速鐵路汀泗河特大橋梁端搭梁(亦稱過渡板)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖10 汀泗河特大橋梁端搭梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖11所示,大梁縫處過渡板結(jié)構(gòu)由過渡板和限位板2部分組成。過渡板底面設(shè)板式支座,板端部設(shè)限位結(jié)構(gòu)以限制過渡板在橫向的移動(dòng),過渡板可現(xiàn)澆而成,如圖12所示。限位板通過梁面植筋與橋面相連,由鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成。限位板上設(shè)限位裝置,以限制過渡板的橫向移動(dòng),如圖13所示。

圖11 大梁縫過渡板處縱斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖12 限位板橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖13 過渡板橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6 伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大跨度橋梁在溫度荷載作用下,梁-軌伸縮位移較大,為避免軌枕與道床之間過大的相對(duì)位移會(huì)破壞軌道和橋梁結(jié)構(gòu),須在無縫線路上設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,以便能明顯改善橋梁和軌道的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)橋上伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)主要采用軌枕埋入式設(shè)計(jì),該區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與道岔區(qū)尖軌處相似。

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)段的無砟軌道結(jié)構(gòu),從上至下由鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、扣件、長(zhǎng)枕、道床板、道床板限位結(jié)構(gòu)、橋面保護(hù)層等組成。

圖14為武廣高速鐵路衡陽湘江特大橋上的鋼軌伸縮條件器,道床板由鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成,厚260 mm,道床板寬度可為2 800～3 200 mm,道床板采用分塊設(shè)置，長(zhǎng)度為5～7 m。道床板頂面根據(jù)具體情況設(shè)置一定的橫向排水坡。縱橫向鋼筋及縱向鋼筋間根據(jù)綜合接地和軌道電路絕緣要求設(shè)置焊接接頭或絕緣卡。道床板下設(shè)置C40鋼筋混凝土底座,每塊道床板范圍內(nèi)設(shè)置2個(gè)限位凸臺(tái),道床板與保護(hù)層之間設(shè)置中間滑動(dòng)層。

7 結(jié)論

由于橋梁跨度大、撓度大、梁端轉(zhuǎn)角大,加之大梁縫、鋼軌的線性控制等方面的原因,大跨度橋梁鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)比較困難。針對(duì)大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)所涉及到的橋梁剛度、梁端道床板穩(wěn)定性、扣件上拔力計(jì)算、大梁縫處軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了探討和分析,以期能為大跨度橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益的參考。

[1]何華武.無碴軌道技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

[2]趙國(guó)堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

[3]日本鐵道綜合技術(shù)研究所.鐵道構(gòu)筑物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及解說-變形限制[M].東京:丸善株式會(huì)社，2006.

[4]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.