客運專線連續梁－框架墩體系幾個問題的探討

宋順忱，吳大宏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概述

客運專線鐵路曲線半徑大、技術標準高，與既有鐵路、道路、管線等小角度交叉常常不可避免，用小跨度梁和框架墩結構代替常規大跨橋梁結構跨越，能有效降低結構高度，節省工期和造價，具有明顯的技術經濟優勢。目前，框架墩-簡支梁在速度不超過160 km/h的鐵路上應用較多，但在鋪設無砟軌道的客運專線橋梁上的應用尚缺乏研究。

某客運專線上跨京山線斜交角度12°11'，擬采用7-16 m連續梁-框架墩方案跨越，平面布置見圖1。地震烈度為8度。

圖1 平面布置(單位:cm)

2 結構體系剛度的影響因素

連續梁-框架墩結構為空間結構，其結構剛度取決于梁、框架墩橫梁、框架墩立柱、基礎等各部位的集成剛度。

對不同框架墩立柱剛度、橫梁剛度、主梁剛度下的體系整體剛度進行分析，研究各部位剛度對連續梁－框架墩結構體系的整體剛度的影響。主要計算結果見表1。

表1 靜活載作用下主梁跨中豎向變形及梁端轉角

由表1可以看出，主梁剛度對結構體系的豎向剛度、扭轉影響最大，是控制總體變形的主要因素;框架墩橫梁的剛度對結構豎向剛度影響也較大，立柱剛度對結構豎向剛度的影響相對較小。

3 結構體系空間分析

建立連續梁-框架墩體系的整體空間模型，對各種工況下的結構變形、變位等進行分析。分析過程中充分考慮恒活載效應、CRTSⅡ型軌道板縱向力、不均勻溫度場、不均勻沉降等因素的影響。

3.1 結構變形分析

各種荷載工況下連續梁-框架墩體系的主要變形見表2。

表2 各種工況下體系變形

由表2可以看出，靜活載作用下結構的變形較小，而連續梁－框架墩體系對不均勻溫度變化比較敏感，溫度是控制結構變形的主要因素。結構在各種荷載工況下的變形均可滿足《高速鐵路設計規范》(TB10621—2009)要求。

3.2 基礎沉降對體系變形的影響分析

由于連續梁-框架墩體系為空間受力結構，基礎的不均勻沉降不僅產生豎向折角，而且兩墩柱之間的不均勻沉降將產生橫向折角和扭轉變形。對體系在恒載作用下的工后沉降及不同的不均勻沉降值對結構變形的影響進行的空間計算分析，結果表明:不均勻沉降對結構變形影響很大，3 mm的不均勻沉降要比靜活載產生的梁體豎向變形大得多，5 mm的不均勻沉降產生的梁體橫向變形和全部橫向力的效應相當。

因此，對于連續梁-框架墩結構，基礎的不均勻沉降是控制軌面變形的重要因素，設計中應根據地質條件，充分考慮兩墩柱的恒載差異，嚴格控制基礎不均勻沉降值。

4 結構體系軌道板、梁、墩共同作用分析

連續梁-框架墩結構是一個空間受力體系，框架墩橫梁上的支座相當于連續梁的一個彈性支撐點，且各個支撐點在橫梁上的位置不同，使各支撐點的豎向剛度不同，因此需對連續梁-框架墩結構進行鋼軌、軌道板、梁、墩共同作用進行分析，研究不同的基礎豎向剛度、基礎不均勻沉降、橋墩扭轉變形、制動力、溫度力等條件下軌道系統的受力與變形。

CRTSⅡ型板式無砟軌道為縱連體系，底座板和橋面間通過滑動層隔離，縱向只在橋梁固定支座上方設置剪力齒槽與梁體進行連接，使作用在底座板內的縱向力可以通過固定支座直接傳入橋墩。鋼軌、軌道板、梁、墩共同作用模型見圖2。

圖2 軌道-橋梁分析模型示意

分析結果表明:支點位置不同引起的框架墩豎向剛度變化對軌道系統的平順性影響很小，通過合理控制連續梁－框架墩體系結構剛度，結構體系滿足無砟軌道的鋪設要求。

5 地震力作用下縱向力傳遞體系

連續梁-框架墩作為空間受力結構，如何通過合理的固定支座設置獲得安全可靠的抗震性能，需對結構體系進行地震時程分析確定。單固定墩體系(1個框架墩作為固定墩)和多固定墩體系(3個框架墩作為固定墩)時程分析主要結果見表3。

表3 時程反應分析結果

由表3可以看出:2種體系的橫向地震力和位移差別不大;但單固定墩體系的固定墩縱向地震力和位移比多固定墩體系一個固定墩大很多。采用多固定墩體系可利用框架墩的柔度，將縱向地震力分配在多個框架墩上，不僅提高了全橋的抗震性能，還可實現協調、美觀、經濟的墩身設計。

6 結構體系初始變形對車橋動力響應的影響

在溫度作用、基礎不均勻沉降、收縮徐變等作用下，橋梁結構產生初始變形，這必然會影響橋上線路的平順性，這對于一般橋梁行車動力響應分析影響較小，但對連續梁－框架墩空間結構體系來說則不能忽視。橋面相對豎向位移曲線見圖3。

圖3 各組合橋面相對變形曲線示意

考慮上述初始變形對軌道平順性的影響，將其以組合曲線的形式疊加到軌道不平順譜中，對7-16 m預應力混凝土連續梁－框架墩結構體系進行車橋耦合動力分析，分析結果表明，列車運行安全性和旅客乘坐舒適性各項指標均滿足規范要求。

7 結語

通過對連續梁-框架墩結構體系結構剛度、變形、抗震、軌道-橋梁共同作用、車橋耦合動力響應等進行的系統分析研究表明，連續梁-框架墩結構體系可用于350 km/h無砟軌道客運專線橋梁工程，為解決客運專線與公路、鐵路、管線等小角度交叉跨越提供了較好的橋梁結構方案。

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