周詩廣

（鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院工學(xué)博士，北京 100038）

大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

周詩廣

（鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院工學(xué)博士，北京 100038）

分析日本、德國、UIC及我國標(biāo)準(zhǔn)中對鋪設(shè)無砟軌道大跨度橋梁剛度要求，研究和探討大跨度橋梁梁端道床板穩(wěn)定性、扣件上拔力計算、大梁縫處軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計等橋上無砟軌道的關(guān)鍵問題，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，以期為我國大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

無砟軌道；大跨度橋梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)運營等特點，對其軌下基礎(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行時，具有足夠的強度、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)，且同時具有良好的穩(wěn)定性。本文針對大跨度橋上鋪設(shè)無砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究，就高速鐵路大跨度橋梁無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計所應(yīng)注意的問題進行探討。

2 橋梁剛度要求

為保證高速列車運營的安全性和舒適性，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。

由于各個國家橋梁設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，因此對橋梁剛度的要求也不同。

2.1 日本高速鐵路對橋梁剛度的要求

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)造物等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與解說——變形限制》[1]規(guī)范予以專門規(guī)定。日本鐵路橋梁采用基于性能設(shè)計的極限狀態(tài)法設(shè)計體系，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)性對梁體的變形響應(yīng)值（剛度）進行檢算。一般取雙線列車活載來計算，撓度按表1-1、表2-1所示值控制。

同時該規(guī)范還規(guī)定了列車活載作用下軌面不均勻變形的設(shè)計限值(折角、錯位)，如表1-2、表1-3，表2-2、表2-3及表3所示。

表1-1 日本新干線鐵路基于運營安全確定的梁撓度的設(shè)計限值

表1-2 日本新干線鐵路基于運營安全確定的軌面錯位的設(shè)計限值

表1-3 日本新干線鐵路基于運營安全確定的軌面折角的設(shè)計限值

表2-1 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的梁撓度的設(shè)計限值

表2-3 日本新干線鐵路基于乘坐舒適度確定的軌面折角的設(shè)計限值

表3 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)計限值

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

2.2 德國高速鐵路對橋梁剛度的要求

德國《鐵路新干線上橋梁特殊規(guī)程》（Bes-BDS899/59），第50條中對跨度小于60 m的簡支梁“允許變形的極限值”規(guī)定如下：在新干線（即時速超過200 km的線路）上，一般簡支梁橋梁端轉(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)計時不計動力系數(shù)的影響。在跨度大于60 m的情況下根據(jù)計算可適當(dāng)允許采用較大的變位限值。

在《德國鐵路橋梁及其他工程結(jié)構(gòu)物規(guī)范(VEI) DS804》中，對橋梁豎向撓跨比作了如表4的補充規(guī)定。

表4 德國DS804有關(guān)橋梁豎向撓跨比的規(guī)定

2.3 UIC標(biāo)準(zhǔn)對橋梁剛度的要求

UIC 776-2R對于行車速度超過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 我國高速鐵路對橋梁剛度的要求

我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621）中對跨度小于96 m的混凝土結(jié)構(gòu)橋梁剛度提出了如表5、表6所示的要求。對于鋼結(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)的限值則要求進行專題研究。

表5 ZK豎向靜活載作用下梁體的豎向撓度限值

表6 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

列車通過橋梁時引起橫向振動的因素較豎向復(fù)雜，各國對車橋橫向振動的研究相對較少，同時，各國對橫向剛度值評價指標(biāo)的規(guī)定也不一致。綜合起來，其評價指標(biāo)主要包括四類：寬跨比、撓度比、自振周期和振幅。根據(jù)寬嚴(yán)程度的不同，大致可分為三個層次，以日本新干線標(biāo)準(zhǔn)、我國廣深鐵路標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)，AREA-1983、TBJ2-85、UIC776-2R、法國國鐵次之，BS5400、DS899/59為最寬。具有代表性的幾種規(guī)范及限值如表7所示。

表7 具有代表性的橋梁橫向剛度的規(guī)定

國際鐵路聯(lián)盟UIC 776-2R規(guī)定橋梁水平撓跨比小于1/4 000，計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，將影響扣件系統(tǒng)的正常使用。因此對扣件系統(tǒng)受力進行研究，計算分析扣件是否失效直接關(guān)系到運營的安全性。

影響梁端扣件上拔力的因素如表8所示。

表8 影響梁端軌道結(jié)構(gòu)受力的荷載

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

計算梁端軌道板結(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算模型、綜合上述影響因素進行分析。根據(jù)計算分析結(jié)果，選擇滿足扣件上拔力要求的扣件系統(tǒng)。

對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臺，圖4、圖5分別為不同梁端轉(zhuǎn)角和錯臺高低對扣件系統(tǒng)受力的影響。

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，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。所以需對大跨度橋梁上鋪設(shè)無砟軌道對道床板穩(wěn)定性的影響進行分析。

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)定性計算分析主要針對梁端道床板進行。如圖6所示，計算分析可將道床板視為置于剛性基礎(chǔ)上的半無限長梁，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)上長梁上抬長度和抬起量可用近似微分方程采取初參數(shù)法求得。

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

當(dāng)l＜l0（道床板長度）、且道床板的最大上抬量小于一定值時，可視道床板的穩(wěn)定性滿足要求。

對于板式無砟軌道，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和圖8為軌道板厚度不同時，軌道板上抬穩(wěn)定性分析的結(jié)果。計算中，軌道板寬度取2.4 m，長度4.962 m，扣件間距為0.629 m。扣件上拔力只考慮作用于板端第1個扣件8 kN的上拔力，扣件距離板端280 mm。

5 大梁縫處無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計

無砟軌道的扣件節(jié)點間距一般都在600～650 mm之間，但是目前在設(shè)計中由于小曲線半徑、大梁跨或大連續(xù)梁考慮梁體的位移變化或考慮檢查、維護等因素，其梁縫均超過100 mm。從而導(dǎo)致梁縫處扣件節(jié)點間距出現(xiàn)大于650 mm的情況。

大梁縫處的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，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，針對大梁縫處扣件節(jié)點間距超過725 mm和不超過725 mm的不同情況，武廣高速鐵路提出了兩種設(shè)計方案。

5.1 梁端最大扣件節(jié)點間距不超過725 mm

最大扣件節(jié)點間距不超過725 mm時，為解決梁端扣件節(jié)點間距超過650 mm的問題，采用的設(shè)計方案：梁縫處扣件節(jié)點最大間距按725 mm控制，當(dāng)梁縫大于250 mm時，采用底座懸臂最大長度80 mm方案，軌道板板端第一組扣件與板端距離縮短至225 mm。

5.2 最大扣件節(jié)點間距超過725 mm

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

該方案需對具體橋梁進行詳細(xì)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算，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。

如圖11所示，大梁縫處過渡板結(jié)構(gòu)由過渡板和限位板兩部分組成。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，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)場澆注而成。限位板上設(shè)限位裝置，以限制過渡板的橫向移動，如圖13所示。

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

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位移破壞軌道和橋梁結(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營狀態(tài)。目前國內(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，該區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與道岔區(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、長枕、道床板、道床板限位結(jié)構(gòu)、橋面保護層等組成。

圖14內(nèi)可見武廣高速鐵路衡陽湘江特大橋上的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器[2]。道床板由鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注而成，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?？v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個限位凸臺，道床板與保護層之間設(shè)置中間滑動層。

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。本文針對大跨度橋上鋪設(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、扣件上拔力計算、大梁縫處軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計以及鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題進行了探討和分析，以期能為大跨度橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有益的參考。

[1]日本鐵道綜合技術(shù)研究所.鐵道構(gòu)筑物等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及解說——變形限制[M].東京:丸善株式會社.2006

[2]中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.客運專線無砟軌道工程設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)研究.武漢:中鐵建股份有限公司科技開發(fā)項目.2009

The article analyzes the requirements on the stiffness of long-span bridges where ballastless tracks are laid set by Japanese,Germany,UIC and China standards and discusses some key problems such as the stability of ballast bed board on the beam end,calculation of up-pull force of fasteners,track structure design of girder joints and proposes structure design methods in order to provide reference for the structural design of ballastless tracks laid on the long-span bridges.

ballastless tracks；long-span bridge；structure design

A

1004-9746（2011）01-0006-06

魏艷紅）

2010-07-10）