李秋義 ， 張曉江， 韋合導(dǎo)

（1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；2. 鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430063）

1 概述

大跨度橋梁鋪設(shè)無砟軌道一直是困擾軌道和橋梁工程的技術(shù)難題。由于大跨度橋梁在溫度荷載作用下變形較大，影響軌道的幾何平順性［1］?，F(xiàn)有規(guī)范對(duì)大跨度橋梁上無砟軌道變形的控制指標(biāo)和靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)還不完善，相關(guān)理論研究和工程經(jīng)驗(yàn)不足。近年來，國內(nèi)外在多個(gè)高速鐵路大跨度橋梁中積極探索無砟軌道鋪設(shè)技術(shù)，如我國廣珠城際鐵路容桂水道特大橋（108+2×185+115）m、漢十高鐵府河特大橋（90+200+90）m、商合杭高鐵淮河特大橋（112+228+112）m 等連續(xù)剛構(gòu)拱橋；昌吉贛高鐵贛江特大橋（35+40+60+300+60+40+35）m 混合梁斜拉橋［2］；德國紐倫堡—埃爾福特高鐵福西格萊斯高架橋和格萊朋高架橋2 座270 m跨度鋼筋混凝土拱橋等。

商合杭高鐵裕溪河特大橋主橋?yàn)椋?0+120+324+120+60）m 雙塔鋼箱桁梁斜拉橋，全長686 m。主梁為鋼箱桁梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁為正交異性板結(jié)構(gòu)，主桁中心距14.0 m，桁高12.0 m。主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔頂高程+130.914 3 m。斜拉索為空間雙索面，共104 根。主梁在所有橋墩均設(shè)豎向和橫向約束，塔、梁間使用阻尼器。裕溪河特大橋橋梁布置示意見圖1。

裕溪河特大橋鋪設(shè)CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)高度785 mm，自密實(shí)混凝土厚度103 mm，主橋自密實(shí)混凝土與底座間鋪設(shè)14 mm橡膠彈性墊層。

2 “橋梁-軌道”協(xié)同設(shè)計(jì)

鋪設(shè)無砟軌道對(duì)大跨度橋梁變形提出更高要求，軌道設(shè)計(jì)需根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整［3］。運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想，開展“橋梁-軌道”一體化設(shè)計(jì)研究，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性。

2.1 預(yù)拱度

目前，我國對(duì)于大跨度橋梁預(yù)拱度設(shè)置有兩種處理方式：一是設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱度值為“徐變變形+1/2 活載變形值”。但是，該方式成橋后靜態(tài)軌面線形與線路設(shè)計(jì)線形不同，在靜態(tài)驗(yàn)收時(shí)存在問題。二是不設(shè)置預(yù)拱度，縱斷面設(shè)計(jì)成“人字坡+豎曲線”，也可達(dá)到預(yù)拱效果。該方式線形簡單，便于靜態(tài)驗(yàn)收和養(yǎng)護(hù)維修，且利于橋梁和軌道縱向排水。

圖1 裕溪河特大橋橋梁布置示意圖

裕溪河特大橋主橋采用不設(shè)置預(yù)拱度的處理方式，采用1.6‰人字坡設(shè)計(jì)，成橋標(biāo)高即為橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高。其橋面設(shè)計(jì)線形見圖2。

2.2 主跨豎向剛度

為了保證無砟軌道具有良好的線形條件，保障高速行駛時(shí)列車的舒適性，要求橋梁有較大的豎向剛度（以撓跨比表示）。目前，國內(nèi)外對(duì)于高鐵大跨度斜拉橋豎向剛度限值無明確標(biāo)準(zhǔn)［4］。現(xiàn)行規(guī)范要求中小跨度簡支梁撓跨比小于1/1 500，而大跨度斜拉橋撓跨比要達(dá)到1/1 500 非常困難，造價(jià)也不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)相關(guān)研究成果，主跨300～400 m 的大跨度斜拉橋，1/800 可作為其主跨撓跨比的參考值。

圖2 橋面設(shè)計(jì)線形

裕溪河特大橋采取多項(xiàng)措施提高橋梁豎向剛度：（1）采用斜拉索和鋼箱桁梁組合結(jié)構(gòu)增大豎向剛度；（2）邊跨混凝土梁增強(qiáng)對(duì)主跨的錨固作用，提高結(jié)構(gòu)剛度；（3）設(shè)置邊跨和輔助跨，減小梁端轉(zhuǎn)角及橫向“擺尾”效應(yīng)。在雙線ZK 活載作用下，裕溪河特大橋撓跨比達(dá)到1/1 094，在同類橋梁中屬于較好的剛度條件。

2.3 豎向變形曲率半徑

大跨度橋梁豎向變形的成因非常復(fù)雜，包括列車荷載作用、溫度、徐變等。為了綜合評(píng)價(jià)橋梁豎向變形對(duì)軌道幾何平順性影響程度，引入豎向變形曲率半徑這一變形控制指標(biāo)。大跨度橋梁主梁變形曲線比較光滑圓順，可按圓曲線擬合方式，將各種荷載按最不利組合得到撓度值，相應(yīng)的豎向變形曲率半徑為：

式中：R為橋梁豎向變形曲率半徑；f為豎向撓度；L為主跨跨度。

豎向變形曲率半徑可反映各種荷載作用下橋梁面的整體平順性。曲率半徑越大，軌道平順性越好，未被平衡離心加速度越小，列車舒適性越好。由于技術(shù)及經(jīng)濟(jì)原因，豎向變形曲率半徑不可能無限大。列車通過時(shí)，相當(dāng)于通過豎向曲線產(chǎn)生未被平衡離心加速度，影響列車舒適性，可根據(jù)舒適性條件確定合理的豎向變形曲率半徑限值。

根據(jù)高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)研究成果，當(dāng)行車速度為350 km/h時(shí)，豎向變形曲率半徑限值為：

式中：v為行車速度。

當(dāng)滿足該條件時(shí)，未被平衡離心加速度為0.19 m/s2≤0.4 m/s2，列車舒適性較好。

考慮徐變、溫度及列車活載荷載組合下，裕溪河特大橋主跨最大豎向撓度f=181.9 mm，代入式（1），得豎向變形曲率半徑R=72 139 m＞49 000 m，滿足行車速度350 km/h的舒適性要求。

2.4 無砟軌道設(shè)置橡膠彈性墊層

大跨度橋梁在列車、溫度荷載作用下變形較大，橋梁與無砟軌道為剛性連接，橋梁變形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。為了提高軌道板與底座變形的協(xié)調(diào)性和跟隨性，無砟軌道底座與自密實(shí)混凝土之間設(shè)置厚度14 mm 的橡膠隔振墊彈性墊層，墊層剛度0.1 N/mm3。計(jì)算結(jié)果表明，軌道板與底座之間未出現(xiàn)離縫現(xiàn)象，橡膠隔振墊彈性墊層發(fā)揮了良好變形調(diào)節(jié)作用，軌道板與底座板之間跟隨性較好，達(dá)到“隔而不離”效果［5］。

設(shè)置墊層可協(xié)調(diào)軌道結(jié)構(gòu)層之間及軌道與橋梁之間的變形，起到緩沖和隔離作用，減小橋梁變形對(duì)軌道受力變形的影響；在一定程度上避免結(jié)構(gòu)層之間因變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的微小離縫，以及在高速列車荷載循環(huán)作用下離縫拍擊效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞和損傷；減小輪軌高頻振動(dòng)和沖擊造成橋梁、軌道等結(jié)構(gòu)錨固件松動(dòng)、脫落現(xiàn)象；有效降低橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲。

2.5 無砟軌道單元長度

為了減小斜拉索升降溫時(shí)橋面局部變形對(duì)無砟軌道造成不利影響，為與斜拉索12 m 的節(jié)間距匹配，將軌道板單元長度設(shè)置為6 m，在斜拉索錨固處無砟軌道設(shè)置伸縮縫。針對(duì)裕溪河特大橋無砟軌道，專門設(shè)計(jì)了5 900 mm長的非標(biāo)軌道板。

2.6 無砟軌道與底座連接方式

為了保持無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在鋼橋面上焊接連接剪力釘，并鋪設(shè)厚度153 mm 的混凝土墊層，墊層與無砟軌道底座之間通過預(yù)埋鋼筋連接。

3 “車輛-軌道-橋梁”動(dòng)力性能

大跨度橋梁鋪設(shè)無砟軌道后，在極端溫度變形和列車荷載作用下，軌道和橋梁仍應(yīng)具有良好的動(dòng)力性能，以滿足列車安全性、舒適性要求。因此，針對(duì)裕溪河特大橋鋪設(shè)無砟軌道，開展“車輛-軌道-橋梁”動(dòng)力仿真分析和安全性、舒適性評(píng)價(jià)非常必要［6］。建立了“車輛-軌道-橋梁”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，開展了動(dòng)力性能分析以及行車安全性和舒適性評(píng)價(jià)。作為雙塔鋼桁梁斜拉橋，裕溪河特大橋采用精細(xì)化有限元模型（見圖3），在分析中考慮整體溫度變化、拉鎖溫度變化、橋塔日照變化、鋼結(jié)構(gòu)溫度變化和鋼箱頂板溫度變化等因素，疊加全年最高溫或最低溫變形引起的極端溫度變形。

圖3 裕溪河特大橋精細(xì)化有限元模型

以我國高速鐵路無砟軌道不平順譜為軌道不平順激勵(lì)，模擬列車以250～385 km/h 速度通過裕溪河特大橋，得到成橋線形與極端溫度變形作用下列車行車安全平穩(wěn)性、軌道變形以及橋梁振動(dòng)響應(yīng)等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)?！败囕v-軌道-橋梁”動(dòng)力仿真分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明，列車高速通過裕溪河特大橋時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足我國高速鐵路現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求［7］，并具有良好安全性和舒適性。

表1 “車輛-軌道-橋梁”動(dòng)力仿真分析結(jié)果

4 無砟軌道線形控制技術(shù)

在大跨度橋梁的施工過程中，受荷載、溫度變化影響，橋面線形比較敏感［8］。無砟軌道線形精度要求高，橋面線形變化直接影響無砟軌道的線形狀態(tài)，進(jìn)而影響列車平穩(wěn)運(yùn)行。通過對(duì)裕溪河特大橋的線形控制及無砟軌道施工控制研究，采取多層次措施，確保無砟軌道線形滿足要求：

（1）在橋面其他附屬設(shè)施安裝完成后鋪設(shè)無砟軌道。先鋪設(shè)邊跨，再鋪設(shè)主跨。該措施可消除邊跨及附屬設(shè)施荷載對(duì)中跨軌道線形的影響。對(duì)于主跨無砟軌道，從跨中向兩側(cè)邊跨同時(shí)對(duì)稱鋪設(shè)，左右線無砟軌道宜同時(shí)鋪設(shè)。

（2）主梁合龍后，預(yù)加載并測量主梁豎向位移，獲得橋面荷載與主梁變形的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系。主梁合龍后，以50 kN/m在橋面均勻布置水袋。預(yù)加載的主梁橋面豎向位移見圖4。如圖4 所示，豎向位移理論計(jì)算值為100 mm，實(shí)測值為96 mm，兩值吻合較好。橋梁實(shí)際剛度為理論計(jì)算值的1.042倍，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）主梁合龍后，根據(jù)環(huán)境溫度變化，測量主梁豎向位移，獲得體系溫度變化與主梁線形的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系。在整體升降溫作用下，主梁線形發(fā)生變化。當(dāng)整體升溫10 ℃，主梁最大變形3 mm。對(duì)于斜拉橋，最大變形來自日間太陽輻射造成的拉索單獨(dú)升溫。當(dāng)拉索升溫10 ℃（實(shí)際發(fā)生約6 ℃），主梁變形約52 mm。

（4）通過調(diào)整斜拉索索力，對(duì)主梁線形進(jìn)行系統(tǒng)性和大范圍調(diào)整，獲得更合理的主梁線形。根據(jù)第（2）、（3）項(xiàng)實(shí)測值，與理論計(jì)算值對(duì)比，修正分析計(jì)算結(jié)果。通過調(diào)整斜拉索索力，系統(tǒng)調(diào)整理論剛度與實(shí)際剛度差、施工誤差等引起的主梁橋面線形偏差。調(diào)整斜拉索索力后的主梁橋面線形示意見圖5（a），主梁線形達(dá)到比較合理的狀態(tài)，誤差控制在±2 cm。

圖4 預(yù)加載作用下主梁橋面豎向位移

圖5 主梁橋面線形示意圖

（5）充分利用橋面墊層消除主梁節(jié)段局部線形誤差。墊層厚度應(yīng)考慮實(shí)測溫度作用下主梁線形的實(shí)際變化規(guī)律、實(shí)測剛度及溫度補(bǔ)償、剩余二恒等因素下的線形。

墊層厚度＝理論墊層線形-目前實(shí)測線形-剩余二恒變形-墊層產(chǎn)生變形。

墊層鋪設(shè)后的主梁橋面線形示意見圖5（b），實(shí)測值與理論計(jì)算值的最大差為2 cm。

（6）充分利用底座板厚度可調(diào)節(jié)范圍，消除主梁線形偏差。底座標(biāo)高采用倒拆法計(jì)算：

底座標(biāo)高＝成橋標(biāo)高-剩余附屬二恒產(chǎn)生的變形-軌道板二恒產(chǎn)生的變形-底座板實(shí)際厚度產(chǎn)生的變形-整體溫度補(bǔ)償。

底座設(shè)計(jì)厚度220 mm，可調(diào)范圍-20～+20 mm。通過調(diào)整，底座板高程誤差控制在±5 mm。

（7）利用自密實(shí)混凝土層厚度可調(diào)節(jié)范圍，精調(diào)軌道板線形。自密實(shí)混凝土層設(shè)計(jì)厚度103 mm，可調(diào)范圍-5～+15 mm。在自密實(shí)混凝土灌注前，預(yù)先計(jì)算鋼軌、扣件、自密實(shí)混凝土及其他未實(shí)施橋面附屬設(shè)施的質(zhì)量，通過水袋加載進(jìn)行質(zhì)量等效，精調(diào)軌道板。邊澆筑自密實(shí)混凝土，邊卸載等重水袋質(zhì)量，盡量消除新增自密實(shí)質(zhì)量對(duì)軌道線形的影響。

（8）利用扣件調(diào)整量對(duì)鋼軌線形進(jìn)行調(diào)整，保證鋼軌精調(diào)后的軌面線形滿足要求。

5 無砟軌道施工測量控制技術(shù)

CPⅢ精測控制網(wǎng)測設(shè)是大跨度橋梁無砟軌道和長鋼軌精測與精調(diào)的基礎(chǔ)，其難點(diǎn)在于：由于荷載、環(huán)境溫度及風(fēng)速的變化，主橋上大多數(shù)CPⅢ點(diǎn)的三維坐標(biāo)不穩(wěn)定，需要根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)時(shí)修正各CPⅢ點(diǎn)的坐標(biāo)和高程。對(duì)大跨度斜拉橋無砟軌道鋪設(shè)要求的高精度精測網(wǎng)測設(shè)技術(shù)系統(tǒng)研究如下［9］：

（1）布設(shè)精測網(wǎng)控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)將盡可能多的控制點(diǎn)布設(shè)于縱向和豎向均穩(wěn)定的斜拉橋主塔及其兩側(cè)引橋固定支座的防撞墻頂面上，盡量減少不穩(wěn)定CPⅢ點(diǎn)數(shù)量。在裕溪河特大橋主橋上，每隔約60 m 布設(shè)1 對(duì)，共計(jì)12對(duì)24個(gè)CPⅢ點(diǎn)。

（2）嚴(yán)格控制CPⅢ測設(shè)環(huán)境條件，盡量減少外部因素干擾。通過同一天不同溫度下及連續(xù)兩天夜間同一溫度下的變形量分析，得到以下規(guī)律：同一時(shí)間段（凌晨）環(huán)境溫度相近時(shí)，梁體溫度變化引起的變形接近；連續(xù)兩天的豎向和水平位移變化量滿足小于3 mm精度要求。

（3）由于風(fēng)速、日照梯度溫差、大氣溫差等環(huán)境因素對(duì)大跨度橋梁變形影響較大，CPⅢ成果主要采用“現(xiàn)場動(dòng)態(tài)提供”方案，為施工單位各施工階段提供實(shí)時(shí)的測量基準(zhǔn)，并加強(qiáng)各階段采集數(shù)據(jù)的分析工作。

（4）CPⅢ測設(shè)及軌道板精調(diào)時(shí)，應(yīng)保持橋面荷載穩(wěn)定，確保測量人員和設(shè)備到位，盡量縮短測量時(shí)間。該工作宜選擇相同的、溫度比較穩(wěn)定的時(shí)間段，一般在00：00—03：00，主橋324 m 長軌道板精調(diào)一次完成，自密實(shí)灌注過程僅做測量校核，無特殊情況不做二次精調(diào)。

6 無砟軌道幾何不平順靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

大跨度橋梁由于受溫度、混凝土收縮和徐變變形影響，形成初始軌道長波幾何不平順，且該不平順隨溫度和時(shí)間變化?；诮^對(duì)測量和矢距差法的高鐵軌道長波幾何不平順靜態(tài)管理值已不適用于大跨度橋無砟軌道，采用目前的規(guī)范值（10 mm/基線長300 m）對(duì)大跨度橋梁無砟軌道進(jìn)行靜態(tài)驗(yàn)收過于嚴(yán)苛，已成為制約大跨度橋梁鋪設(shè)無砟軌道的因素。因此，需結(jié)合裕溪河特大橋變形特點(diǎn)，開展大跨橋梁無砟軌道長波幾何不平順靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)研究，為無砟軌道的驗(yàn)收及養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)。

通過動(dòng)力仿真和實(shí)測，得出影響“車輛-軌道-橋梁”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的軌道高低和軌向長波不平順的敏感波長范圍為120～160 m，基于相對(duì)測量提出中點(diǎn)弦測法的檢測弦長值為60 m，計(jì)算得到350 km/h 時(shí)車體垂向加速度幅值與不平順的關(guān)系，進(jìn)而獲得裕溪河特大橋無砟軌道靜態(tài)長弦測量控制限值建議值［10］：軌道高低控制建議值7 mm/60 m，軌向控制建議值6 mm/60 m。

為了驗(yàn)證靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的適用性，對(duì)裕溪河特大橋自密實(shí)澆筑后軌道板頂面線形進(jìn)行評(píng)估。裕溪河特大橋在全橋自密實(shí)澆筑后軌道板頂面高程見圖6，軌道板頂面標(biāo)高與理論計(jì)算差值見圖7。

圖6 軌道板頂面高程

圖7 軌道板頂面標(biāo)高與理論計(jì)算差值

根據(jù)圖7中的數(shù)據(jù)，采用中點(diǎn)弦測法，計(jì)算裕溪河特大橋無砟軌道60 m 弦長波高低不平順波形。無砟軌道60 m弦長波高低不平順波形示意見圖8。

如圖8 所示，60 m 弦長波高低不平順最大值為5.9 mm，滿足7 mm 限值要求。由此可見，采用基于相對(duì)測量和中點(diǎn)弦測法的靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可行。由于裕溪河特大橋鋼軌尚未鋪設(shè)，目前僅通過軌道板線形數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算驗(yàn)證，有待在鋼軌精調(diào)中進(jìn)一步現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證。

圖8 無砟軌道60 m弦長波高低不平順波形示意圖

7 結(jié)論

（1）通過“橋梁-軌道”一體化設(shè)計(jì)研究，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性?？v斷面設(shè)計(jì)為人字坡，簡化線形；豎向撓跨比達(dá)1/1 094，具有較好的豎向剛度條件；豎向變形換算曲率半徑為72 139 m，滿足行車速度350 km/h的舒適性要求；自密實(shí)混凝土與底座中間設(shè)置彈性墊層，可起到緩沖和隔離作用；協(xié)調(diào)軌道結(jié)構(gòu)層間變形，降低橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲。

（2）動(dòng)力仿真結(jié)果表明，列車高速通過裕溪河特大橋時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足要求，并具有良好安全性和舒適性。

（3）建立裕溪河大跨度斜拉橋高精度測量控制網(wǎng)，基于CPⅢ成果“現(xiàn)場動(dòng)態(tài)提供”方案，為施工單位各施工階段提供實(shí)時(shí)測量基準(zhǔn)。通過無砟軌道施工方案、工序等一系列優(yōu)化措施，使無砟軌道施工線形得到較好控制。

（4）無砟軌道幾何不平順靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)采用中點(diǎn)弦測法，軌道高低控制值為7 mm/60 m，軌向控制值為6 mm/60 m。