趙汗青 王小勇 金令 王海彬 楊登輝

1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.中鐵大橋局第一工程有限公司，鄭州 450003

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，無(wú)砟軌道被廣泛運(yùn)用到大跨度橋梁上。施工過(guò)程中大跨度橋梁的溫度敏感性高，且無(wú)砟軌道對(duì)線(xiàn)形精度要求高，這給無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形控制帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)大跨度橋梁，研究無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形控制具有重要意義。

文獻(xiàn)［1］針對(duì)京張高速鐵路官?gòu)d水庫(kù)特大橋主橋，分析了溫度變化對(duì)無(wú)砟軌道的影響，提出應(yīng)在夜間對(duì)該橋進(jìn)行鋪軌和精調(diào)。文獻(xiàn)［2-3］分析了在大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋無(wú)砟軌道的鋪設(shè)過(guò)程中預(yù)拱度對(duì)成橋線(xiàn)形和軌道線(xiàn)形的影響。文獻(xiàn)［4］分析了當(dāng)采用不同施工工序時(shí)簡(jiǎn)支鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)預(yù)拱度和施工實(shí)測(cè)預(yù)拱度，提出在鋼桁梁的加工和施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制預(yù)拱度。文獻(xiàn)［5］根據(jù)鄭萬(wàn)、鄭阜高速鐵路河南段的施工經(jīng)驗(yàn)，提出增加無(wú)砟軌道的管控流程并更新其管控措施，從而提高無(wú)砟軌道的平順性。文獻(xiàn)［6］在無(wú)砟軌道施工前采用橋面預(yù)壓試驗(yàn)得到橋梁的實(shí)際剛度，從而修正無(wú)砟軌道的施工線(xiàn)形。

為了確保鄭州萬(wàn)灘黃河公鐵大橋主橋（112+6 ×168+112）m 連續(xù)鋼桁梁無(wú)砟軌道的線(xiàn)形精度滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，本文在無(wú)砟軌道施工前對(duì)連續(xù)鋼桁梁進(jìn)行施工線(xiàn)形控制試驗(yàn)，測(cè)量連續(xù)鋼桁梁的施工撓度，并與撓度理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)修正有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度來(lái)預(yù)測(cè)無(wú)砟軌道的施工撓度，為無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形控制提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 橋梁簡(jiǎn)介

鄭州萬(wàn)灘黃河公鐵大橋主橋連續(xù)鋼桁梁（圖1）位于黃河主河槽（378#—386#墩），全聯(lián)共計(jì)8 跨，全長(zhǎng)1 232 m，大橋?yàn)楣F兩用橋，上層為六車(chē)道鄭新快速路，下層為四線(xiàn)鐵路（兩線(xiàn)為鄭濟(jì)高速鐵路，兩線(xiàn)為鄭新城際鐵路［7］）。其中，下層鐵路采用無(wú)砟軌道施工。

圖1 （112+6 × 168+112）m連續(xù)鋼桁梁布置（單位：m）

1.2 CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道

連續(xù)鋼桁梁橋采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道。軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、WJ-8B 扣件、道床板以及底座組成，見(jiàn)圖2。

圖2 CRTSⅠ型雙塊式減振無(wú)砟軌道（單位：cm）

2 施工線(xiàn)形控制試驗(yàn)

通過(guò)澆筑橋面鋪裝層及防護(hù)墻的混凝土來(lái)施加荷載，測(cè)量連續(xù)鋼桁梁的實(shí)際撓度L1，結(jié)合理論計(jì)算撓度L2，推導(dǎo)連續(xù)鋼桁梁的施工剛度。通過(guò)連續(xù)鋼桁梁的施工剛度修正無(wú)砟軌道施工撓度，為無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形控制提供依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)荷載

試驗(yàn)前，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)荷載（表1）并對(duì)其進(jìn)行分析，擬定合理的試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)荷載

2.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況及試驗(yàn)要求，選擇383#—386#墩的三跨連續(xù)鋼桁梁進(jìn)行施工線(xiàn)形控制試驗(yàn)。位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在鐵路層下弦桿頂部，按節(jié)間布置：每個(gè)節(jié)間為一個(gè)斷面，每個(gè)斷面按三桁布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，即鄭新城際鐵路側(cè)邊桁（簡(jiǎn)稱(chēng)市域側(cè)邊桁）和鄭濟(jì)高速鐵路側(cè)邊桁（簡(jiǎn)稱(chēng)高速鐵路側(cè)邊桁）的下弦桿布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，中桁下弦桿處布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)。因此，383#—386#墩三桁共計(jì)156 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。384#—383#墩的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為24—38（圖3）；386#—384#墩的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為0 —24。

圖3 383#—384#墩測(cè)點(diǎn)平面布置（單位：m）

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

1）第一次測(cè)量。在施工線(xiàn)形控制試驗(yàn)開(kāi)始前，測(cè)量下弦桿各監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高初始值。

2）第二次測(cè)量。澆筑384#—385#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測(cè)量下弦桿各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移。

3）第三次測(cè)量。澆筑383#—384#及385#—386#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測(cè)量下弦桿各監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。

4）第四次測(cè)量。澆筑383#—386#跨市域側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測(cè)量下弦桿各監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。

3 試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的對(duì)比

3.1 有限元模型的建立

采用MIDAS/Civil軟件建立全橋有限元模型，采用板單元模擬鐵路鋼橋面板，采用梁?jiǎn)卧M鋼桁架和縱橫梁，在橋墩處添加邊界約束條件來(lái)模擬橋墩的支撐作用。

3.2 第二次測(cè)量結(jié)果對(duì)比

澆筑試驗(yàn)跨（384#—385#）高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土后，測(cè)量下弦桿標(biāo)高并減去對(duì)應(yīng)的初始標(biāo)高，得到第二次測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)圖4。圖中負(fù)值表示節(jié)點(diǎn)向下移動(dòng)，正值表示節(jié)點(diǎn)向上移動(dòng)。

圖4 第二次測(cè)量結(jié)果

由圖4可知：①因?yàn)橹煌瓿闪?84#—385#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻混凝土的澆筑，所以在384#—385#跨中，高速鐵路側(cè)的邊桁下弦桿處撓度最大，且撓度實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值的相對(duì)誤差最小。②與384#—385#跨的撓度相比，383#—384#、385#—386#跨的撓度較小，實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值的相對(duì)誤差較大。③整體上撓度實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，說(shuō)明在有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度小于施工剛度。為了能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出無(wú)砟軌道的施工撓度，應(yīng)適當(dāng)增大連續(xù)鋼桁梁的理論剛度。

3.3 第三次測(cè)量結(jié)果對(duì)比

第三次測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)有遮擋物，無(wú)法測(cè)到幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的下弦桿標(biāo)高，所以圖中缺少一些節(jié)點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)值?？芍孩佼?dāng)383#—386#跨高速鐵路側(cè)鋪裝層和防護(hù)墻的混凝土均澆筑完成后，市域側(cè)邊桁下弦桿處撓度最小，且撓度實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值的相對(duì)誤差最大。②383#—384#和384#—385#跨中，各測(cè)點(diǎn)撓度的實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值。

圖5 第三次測(cè)量結(jié)果

3.4 第四次測(cè)量結(jié)果對(duì)比

為了能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出無(wú)砟軌道的施工撓度，為無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形控制提供依據(jù)，對(duì)比分析了連續(xù)鋼桁梁撓度的理論計(jì)算值L2與實(shí)測(cè)值L1，見(jiàn)圖6?？芍?，L2/L1的擬合值為1.35，即連續(xù)鋼桁梁的施工剛度是理論剛度的1.35倍。因此，有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度增大到原設(shè)計(jì)值的1.35倍。

圖6 鋼桁梁撓度的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形控制措施

4.1 底座板施工線(xiàn)形控制

根據(jù)施工進(jìn)度以及施工線(xiàn)形控制試驗(yàn)的結(jié)果，修正連續(xù)鋼桁梁的理論剛度，計(jì)算出鄭濟(jì)高速鐵路側(cè)底座板施工標(biāo)高控制預(yù)抬值。在底座板施工時(shí)，通過(guò)測(cè)量施工前后各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高，獲得連續(xù)鋼桁梁鋼混結(jié)構(gòu)的撓度，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步修正連續(xù)鋼桁梁鋼混結(jié)構(gòu)的理論剛度，為道床板施工線(xiàn)形控制提供數(shù)據(jù)支撐，保證無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形。

4.2 無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形控制

采用相對(duì)高差控制法控制無(wú)砟軌道施工線(xiàn)形。高差如圖7所示。

圖7 高差示意

具體實(shí)施方法如下：

1）在環(huán)境溫度恒定且溫度接近15 ℃時(shí)，測(cè)量全橋CPⅢ點(diǎn)的高程、坐標(biāo)值，以及全橋CPⅢ斷面處鋪裝層頂面實(shí)際高程（無(wú)砟軌道中線(xiàn)處），得到鋪裝層頂面實(shí)際高程曲線(xiàn)。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑睦碚撥壍讟?biāo)高曲線(xiàn)，得到軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線(xiàn)①。

3）用目標(biāo)曲線(xiàn)①減去實(shí)際曲線(xiàn)，就可以得到各斷面處的高程差，此高程差即為底座板和道床板施工厚度之和。

4）確定各斷面底座板及道床板的施工厚度，消除前期施工高度偏差。

5）按照確定的施工厚度，施工完全部底座板。

6）在溫度恒定且接近15 ℃時(shí)，再次測(cè)量CPⅢ點(diǎn)的高程及坐標(biāo)，同時(shí)測(cè)量底座板頂面中心線(xiàn)高程。

7）用第6 步的測(cè)量結(jié)果減去第1 步的測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果修正連續(xù)鋼桁梁鋼混結(jié)構(gòu)的理論剛度。

8）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑睦碚撥壍讟?biāo)高曲線(xiàn)和第7步的計(jì)算結(jié)果，得到軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線(xiàn)②。

9）將軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線(xiàn)②測(cè)設(shè)放線(xiàn)至相應(yīng)的防護(hù)墻上。

10）根據(jù)軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線(xiàn)②，施工道床板。

11）全橋竣工測(cè)量。

4.3 施工線(xiàn)形控制的實(shí)測(cè)結(jié)果

測(cè)量市域側(cè)邊桁、中桁和高速鐵路側(cè)邊桁的最終線(xiàn)形，鋼梁相對(duì)高程設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖8?？芍鄬?duì)高程設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值之間的誤差非常小，這說(shuō)明本文提出的措施可以很好地控制無(wú)砟軌道的施工線(xiàn)形。

圖8 鋼梁相對(duì)高程設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)鋼桁梁中各測(cè)點(diǎn)撓度的實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明在有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度小于實(shí)際剛度。為了能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出無(wú)砟軌道的施工撓度，應(yīng)適當(dāng)增大連續(xù)鋼桁梁的理論剛度。根據(jù)第四次測(cè)量結(jié)果可知，連續(xù)鋼桁梁撓度的理論計(jì)算值是實(shí)測(cè)值的1.35倍，有限元模型中連續(xù)鋼桁梁的理論剛度應(yīng)增大到原設(shè)計(jì)值的1.35倍。