廖 凱 龔小平 姜海君

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 研究背景

近年來，隨著我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，橋梁建設(shè)迎來了快速發(fā)展的春天，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝連續(xù)梁由于其跨越能力強(qiáng)、行車舒適性好的特點(diǎn)，在我國鐵路橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用[1－2]。

我國高速鐵路橋梁均采用無縫線路，隨著連續(xù)梁跨度不斷增大，溫度跨度(對于一般簡支梁和連續(xù)梁，溫度跨度為固定支座間的距離或與橋臺毗鄰的橋墩固定支座至橋臺胸墻之間的距離)也不斷增大。一般情況下，無縫線路鋼軌伸縮附加應(yīng)力隨著溫度跨度的增加而增大，因而溫度跨度的大小是衡量橋上無縫線路是否設(shè)置溫度伸縮調(diào)節(jié)器的重要指標(biāo)。雖然溫度伸縮調(diào)節(jié)器可以減小梁軌相互作用，但卻影響行車舒適性、增加后期維養(yǎng)工作量，故在非必要情況下盡量避免設(shè)置溫度伸縮調(diào)節(jié)器[3]。

對于無砟軌道混凝土梁，一般情況下溫度跨度小于210 m可不設(shè)置溫度伸縮調(diào)節(jié)器。目前已開通運(yùn)營未設(shè)溫度伸縮調(diào)節(jié)器的高速鐵路無砟軌道最大跨度連續(xù)梁為(80＋136＋80)m，溫度跨度216 m[4－6]。

根據(jù)工管站前電[2022]4號?國鐵集團(tuán)工程管理中心工電部關(guān)于報(bào)送大跨度橋上無縫線路檢算和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置有關(guān)情況的通知?要求:對于2023年底前開通的鐵路項(xiàng)目，溫度跨度超過180 m(最高軌溫差超過80℃的地區(qū)溫度跨度超過160 m)的橋梁必須出具橋上無縫線路檢算報(bào)告，并對是否設(shè)置鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器提出明確意見[7－9]。

2 項(xiàng)目概況

根據(jù)工管站前電[2022]4號文要求，對某高速鐵路大橋(80＋136＋80)m連續(xù)梁無縫線路鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行檢算[10]。

某高速鐵路大橋?yàn)闀r(shí)速250 km雙線(線間距4.6 m)橋梁，鋪設(shè) CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，于D1K141＋776處跨巴河，線路與河道夾角86°，跨越處巴河寬142 m。巴河現(xiàn)狀為Ⅶ級通航，規(guī)劃為Ⅴ級航道，最高通航水位344.52 m，最低通航水位330.50 m，通航凈寬×凈高為80×8 m?？紤]到橋位于彎道及水流橫向流速影響，本橋采用(80＋136＋80)m連續(xù)梁跨越巴河，兩側(cè)均接橋臺。全橋均位于R＝6 000 m的圓曲線及＋4‰的縱坡上。橋型布置見圖1。

圖1 橋型布置(單位:m)

上部結(jié)構(gòu)采用(80＋136＋80)m連續(xù)梁，主梁全長297.6 m，計(jì)算跨度(80＋136＋80)m。邊支點(diǎn)梁高6.0 m，中支點(diǎn)梁高度10.0 m，邊支座中心線至梁端0.8 m；梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。中支點(diǎn)和跨中橫斷面見圖2。

圖2 支點(diǎn)和跨中橫斷面(單位:cm)

下部結(jié)構(gòu)橋墩采用圓端形實(shí)體墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺采用矩形空心橋臺和明挖基礎(chǔ)。下部結(jié)構(gòu)類型及剛度見表1。

表1 墩臺基礎(chǔ)類型及剛度

3 計(jì)算分析

根據(jù)通航論證和防洪評估要求，本橋主跨不得小于136 m，全橋位于R＝6 000 m的圓曲線和＋4‰的縱坡上，不具備設(shè)置溫度伸縮調(diào)節(jié)器的條件。結(jié)合已有高速鐵路項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用(80＋136＋80)m連續(xù)梁跨越巴河，不設(shè)溫度伸縮調(diào)節(jié)器，并根據(jù)工點(diǎn)實(shí)際情況對橋上無縫線路進(jìn)行檢算。

根據(jù)?鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范?(TB 10015—2012)橋上無縫線路檢算要求，需檢算鋼軌強(qiáng)度、軌道穩(wěn)定性和鋼軌斷縫值指標(biāo)。本工程采用無砟軌道，不存在軌道穩(wěn)定性問題，項(xiàng)目位于西南地區(qū)，鋼軌斷縫值也滿足要求。橋上無縫線路檢算控制性因素為鋼軌強(qiáng)度，需分別計(jì)算鋼軌溫度應(yīng)力、動彎應(yīng)力、伸縮附加應(yīng)力、撓曲附加應(yīng)力和制動附加應(yīng)力等指標(biāo)。一般情況下，伸縮附加應(yīng)力大于撓曲附加應(yīng)力，二者取大值，本研究僅對伸縮附加應(yīng)力進(jìn)行檢算[11]。經(jīng)檢算，當(dāng)橋上采用常規(guī)阻力扣件時(shí)，無縫線路鋼軌強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求；當(dāng)在連續(xù)梁大里程端邊跨及路基地段60 m范圍內(nèi)鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，無縫線路鋼軌強(qiáng)度滿足規(guī)范要求?？紤]到橋位處距離車站較遠(yuǎn)，列車在此地段緊急制動的可能性較小，經(jīng)綜合比較，本橋采用了小阻力扣件不設(shè)溫度調(diào)節(jié)伸縮器的(80＋136＋80)m連續(xù)梁方案。無縫線路鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果見表2。

表2 無縫線路鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa

根據(jù)工管站前電[2022]4號文要求，對本橋軌道結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了專項(xiàng)評審，形成專家意見如下:該橋采用小阻力扣件不設(shè)置軌溫伸縮調(diào)節(jié)器方案合理可行；結(jié)合該橋施工現(xiàn)狀，研究減小溫度跨度增加鋼軌強(qiáng)度安全儲備措施的可行性。

本橋下部結(jié)構(gòu)均已施工完畢，1號墩懸灌段施工到A17號段(共17段)，2號墩懸灌段施工到A14號段(共17段)，邊跨現(xiàn)澆段均已施工完畢。結(jié)合本橋現(xiàn)場施工情況，分別提出以下三種支座約束體系方案(方案二、三、四)以增加鋼軌強(qiáng)度安全儲備[12]。不同方案支座約束體系及溫度跨度見圖3和表3。

圖3 不同方案支座約束體系及溫度跨度

表3 不同方案支座約束體系及溫度跨度

對以上四個(gè)方案，分別按采用常規(guī)阻力扣件和小阻力扣件對無縫線路鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果見表4。

表4 不同方案各項(xiàng)鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果統(tǒng)計(jì) MPa

由表4和圖4可知:

圖4 各項(xiàng)鋼軌應(yīng)力對比(小阻力扣件)

(1)采用常規(guī)阻力扣件時(shí)，四個(gè)方案鋼軌強(qiáng)度均不能滿足規(guī)范要求；而采用小阻力扣件時(shí)，四個(gè)方案鋼軌強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求，故無論采用哪種方案都必須設(shè)置小阻力扣件。

(2)溫度跨度對溫度應(yīng)力和動彎應(yīng)力無影響。溫度跨度越大，伸縮和制動附加應(yīng)力越大，但對伸縮附加應(yīng)力影響更為明顯。

(3)速度鎖定器對溫度應(yīng)力、動彎應(yīng)力和伸縮附加應(yīng)力無影響，可顯著減小制動附加應(yīng)力，但由于制動附加應(yīng)力占鋼軌總應(yīng)力比例較低，故速度鎖定器對改善鋼軌總應(yīng)力效果不明顯。

(4)小阻力扣件對溫度應(yīng)力、動彎應(yīng)力和制動附加應(yīng)力無影響，可顯著減小伸縮附加應(yīng)力。小阻力扣件和常規(guī)阻力扣件相比，鋼軌附加應(yīng)力減少約60 MPa，占鋼軌總應(yīng)力15%左右，小阻力扣件對改善鋼軌總應(yīng)力效果較為明顯。

(5)雙固定墩和縱向活動支座＋速度鎖定器的連續(xù)梁體系可極大減小溫度跨度，明顯減小無縫線路鋼軌受力。

結(jié)合本橋現(xiàn)場施工情況，對方案二～方案四存在問題及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表5、表6。

表5 實(shí)施方案和存在問題統(tǒng)計(jì)

表6 不同方案結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)對比

4 研究總結(jié)

(1)本橋必須設(shè)置小阻力扣件無縫線路鋼軌強(qiáng)度方能滿足規(guī)范要求。

(2)溫度跨度越大，伸縮和制動附加應(yīng)力越大，但對伸縮附加應(yīng)力影響更明顯。

(3)速度鎖定器可顯著減小制動附加應(yīng)力，對其他各項(xiàng)應(yīng)力無影響，對改善鋼軌總應(yīng)力效果不明顯。

(4)小阻力扣件可顯著減小伸縮附加應(yīng)力，對其他各項(xiàng)應(yīng)力無影響，對改善鋼軌總應(yīng)力效果較為明顯。

(5)方案二～方案四均可增加鋼軌強(qiáng)度安全儲備，但方案三、四存在問題多、可實(shí)施性難度大；方案二僅能通過減小制動附加應(yīng)力的方式增加鋼軌強(qiáng)度安全儲備，但橋位處距離車站較遠(yuǎn)，列車在此地段緊急制動的可能性很小；方案一檢算時(shí)已考慮最不利軌枕間距、最大降溫幅度、疊加制動力等不利因素仍能滿足規(guī)范要求。綜合本橋位于曲線坡道地段、氣溫溫差較小(最高軌溫60.6℃，最低軌溫－4.5℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫28℃ ±5℃)和現(xiàn)場施工情況，本橋維持小阻力扣件不設(shè)溫度調(diào)節(jié)伸縮器方案。

(6)采用縱向活動支座＋速度鎖定器的連續(xù)梁體系，可極大減小溫度跨度，減小無縫線路鋼軌受力。此體系雖然目前僅在部分項(xiàng)目應(yīng)用，技術(shù)還不太成熟，但未來將是大跨、長聯(lián)連續(xù)梁橋約束體系一種發(fā)展趨勢。

5 結(jié)束語

本文通過對某高速鐵路大橋(80＋136＋80)m連續(xù)梁在四種不同支座約束連續(xù)梁體系下無縫線路鋼軌應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出了鋼軌應(yīng)力與溫度跨度、小阻力扣件和速度鎖定器的關(guān)系，并提出了一些增大無縫線路鋼軌強(qiáng)度安全儲備的設(shè)計(jì)方案和注意事項(xiàng)，對后續(xù)類似工程具有一定借鑒意義。