高速鐵路大跨度橋梁溫度作用下軌道靜態平順性能分析

翟建平，徐升橋，任為東

(1.南廣鐵路有限責任公司，南寧 530022；2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

?

高速鐵路大跨度橋梁溫度作用下軌道靜態平順性能分析

翟建平1，徐升橋2，任為東2

(1.南廣鐵路有限責任公司，南寧 530022；2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

以南廣鐵路主跨450 m的西江特大橋為工程背景，結合工務部門的軌道實測高程數據，對西江橋的軌面靜態不平順進行分析。結果表明，較大的溫度變形并不是造成軌道靜態尺寸不達標的原因，只要在軌道精調階段摸清橋面溫度變形特點，控制好軌道調整精度，就可以滿足軌道高低偏差管理值要求。

高速鐵路；橋梁；有砟軌道；軌道不平順；溫度變形

1 工程概況

南(寧)至廣(州)鐵路設計速度為250 km/h。其中跨越西江處的西江大橋全長618.3 m，橋跨布置為(41.2+486+49.1) m鋼箱提籃拱橋+1-32 m預應力混凝土簡支箱梁。主跨為中承式拱橋，拱腳中心間距450 m，拱肋為鋼箱結構，其450 m跨徑，屬目前世界同類鐵路鋼拱橋最大跨度。

本橋設計為雙線有砟軌道，線間距為4.6 m。線路平、縱斷面設計為直線、平坡，正線軌道設計為跨區間無縫線路，有砟軌道[1]。

全橋立面見圖1。

2 大跨度橋梁溫度變形對車輛運營的影響分析

圖1 全橋立面(單位：cm)

大跨度橋梁結構的溫度變形比活載引起的結構變形還大。溫度變形只與結構的材料、長度、結構剛度有關，大跨度鐵路橋梁結構一般都會允許結構在溫度荷載作用下發生較大的變形以釋放溫度內力。對于梁式橋，其梁體本身在整體升降溫時只產生縱橋向的伸縮變形，豎向不會發生變形，但是大跨度梁式橋為加大跨度，一般都通過拉索體系進行跨中支撐，而索體在溫度荷載下產生的變形改變了梁體的豎向約束條件，這時梁體同樣會產生較大的豎向變形；對于拱式結構為受力主體的橋梁，由于拱在溫度荷載下的變形特點，縱橋向由于拱腳約束不會產生變形，變形便發生在豎橋向。如武漢天興洲公鐵兩用橋在斜拉索單獨降溫10 ℃時，主跨跨中即可產生80 mm向上的豎向位移，京滬高速鐵路大勝關大橋主橋體系升溫10 ℃，跨中橋面產生40 mm的向上位移。西江橋的受力體系為無鉸拱，根據計算環境溫度升(降)溫1 ℃時，跨中橋面變形為+5.72 mm(-5.72 mm)。雖然溫度荷載下大跨度橋都會產生較大的溫度變形，但是由于結構的受力特點，大跨度橋梁的溫度變形曲線都為一圓滑的豎曲線。

以南廣西江橋為例，雖然溫度變形很大，但是溫度變形對橋面豎曲線的影響卻很小。西江橋拱頂升溫20 ℃時的跨中橋面最大變形為5.72×20=114.4 mm，線路設計為平坡，由于溫度變形引起線路在橋上產生豎曲線，根據變形值，計算其豎曲線半徑R=222 039 m，遠大于規范中250 km/h設計速度的豎曲線半徑限值要求。規范[2]條文說明5.3.4中解釋：線路豎曲線半徑由旅客舒適度要求控制，即受列車運行于豎曲線產生的豎向離心加速度a限制的最小豎曲線半徑為：R≥V2/(3.62a)。其中，a為乘客舒適度允許的豎向離心加速度，根據國外高速鐵路經驗取值，一般情況下為0.4 m/s2，困難時滿足0.5 m/s2，相應地R≥0.193v2或R≥0.15v2，這也是現行高速鐵路設計規范中豎曲線半徑下限值取值的依據。可見，即使考慮溫度變形對西江橋橋面縱斷豎曲線的影響，由此產生的列車豎向離心加速度也遠遠小于舒適度允許的0.4 m/s2。

假設西江橋的理論軌面豎曲線半徑按25 000 m設置，滿足規范的最小要求，考慮升溫變形疊加后的豎曲線半徑變為22 460 m。進一步分析，考慮溫度變形對軌面豎曲線的影響，只要西江橋橋面上的豎曲線半徑設置大于28 000 m，就可以滿足旅客舒適度的要求，這也從西江橋車橋耦合分析結論[3]和動態聯調聯試中列車的最高運行速度得到了驗證。

大跨度橋梁一般情況下線路都位于平坡或大半徑豎曲線上，所以對于大跨度橋梁雖然溫度變形大，但是由于溫度變形產生的橋面豎向曲線都為一圓滑曲線，所以溫度變形對于高速列車運行不會產生不利影響。

3 實測軌面高程分析

3.1 實測軌面高程的動態性能分析

根據對橋梁在溫度荷載作用下的變形分析可得出不同環境溫度下的理論軌面高程，但由于實際橋梁跨度大、結構復雜，不同部位所處的日照、風吹等外部環境不同，且實際溫度場情況非常復雜，致使實測高程與理論高程可能產生差異。

2014年11月對試運行階段的西江特大橋跨中橋面高程進行了十多天的連續測量，其中夜間的實測高程和計算值最大偏差值11.9 mm，白天測量的最大偏差22 mm，在此情況下試運營期間動態檢測車最高速度達到272 km/h[4]，各項實測指標均合格，實驗表明西江特大橋的行車性能完全滿足設計要求。工務部門2015年4月28日和5月22日兩次對西江橋軌面高程的實測數據與計算值最大偏差為23.1 mm，但實測高程變化趨勢同理論分析基本一致。考慮到高程測量誤差、實際環境溫度場同計算溫度可能產生的差異，最大差值23.1 mm屬于正常范疇。但是從軌道高程實測結果的曲線分析，曲線上有較為明顯的不平順，在后面的對軌面高程偏差驗收的分析中，可見不滿足靜態尺寸控制管理值的點正是位于曲線不平順的位置。

依據廣鐵集團工務部門和設計單位實測的橋梁軌面變形，進行了動態模擬分析，分析結果表明各項指標均滿足時速250 km的行車要求[3]。

3.2 軌道高低靜態幾何尺寸容許偏差分析

對于實測軌面高程與對應環境溫度下理論高程的差異，可按照高速鐵路有砟軌道線路維修規則[5]中相應條款對軌面高程容許偏差進行管理。如表1、表2所示。

(1)軌道靜態高低尺寸容許偏差分析(圖2)

表1 軌道靜態高低尺寸容許偏差管理值

注：高低偏差為10 m及以下弦測量的最大矢度值。

表2 軌道靜態幾何尺寸長弦測量作業驗收容許偏差管理值

注：當弦長為30 m時，相距5 m的任意兩測點實際矢度差與設計矢度差的偏差不得大于2 mm；當弦長為300 m時，相距150 m的任意兩測點實際矢度差與設計矢度差的偏差不得大于10 mm。

圖2 實測軌道高程靜態高低尺寸容許偏差分析

其中典型不平順點1(運營里程K469+120，設計里程IDK378+529.2，近小里程拱腳)的最大矢度為2 mm；典型不平順點2(運營里程K469+250，設計里程IDK378+659.2，小里程拱腳與拱頂中間位置)的最大矢度為1.5 mm；典型不平順點3(運營里程K469+360，設計里程IDK378+769.2，拱頂往大里程29 m)的最大矢度為2.1 mm；典型不平順點4(運營里程K469+560，設計里程IDK378+969.2，近大里程拱腳)的最大矢度為1.7 mm；典型不平順點5(運營里程K469+600，設計里程IDK379+009.2，2號墩與3號墩中間位置)的最大矢度為1.0 mm。

以上典型不平順點的最大矢度均小于3 mm，滿足軌道靜態高低尺寸容許偏差管理值的作業驗收要求。

(2)軌道靜態幾何尺寸長弦測量作業驗收容許偏差管理值分析

①當弦長為30 m時，相距5 m的任意兩測點實際矢度差與設計矢度差的偏差不得大于2 mm。

②當弦長為300 m時，相距150 m的任意兩測點實際矢度差與設計矢度差的偏差不得大于10 mm。

圖3 軌道靜態幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點1)

從圖3～圖7的軌道測量結果分析，實測軌道高程均無法滿足軌道靜態幾何尺寸長弦測量作業驗收容許偏差管理值，但超出管理值不多。產生偏差的主要原因是因為全橋個別點不平順引起，而由于橋面的溫度變形是平滑的，所以實測軌道高程的不平順只可能是由于前期軌道調整時個別點施工誤差引起的。

圖4 軌道靜態幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點2)

圖5 軌道靜態幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點3)

圖6 軌道靜態幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點4)

圖7 軌道靜態幾何長弦實測軌道容許偏差分析(點5)

4 西江橋軌道靜態幾何尺寸對列車運營影響分析意見

(1)推力拱橋由于結構受力的特點，在溫度變化時拱肋發生較大的位移，從而引起軌面高程發生變化，但是由于溫度產生的結構位移為圓順變化，從而反映到橋面上也只是對原軌面豎曲線的半徑帶來影響，但是此影響相當有限，以主拱跨度450 m的南廣西江橋為例，如果拱肋范圍內橋面設置豎曲線半徑為25 000 m，則豎曲線的理論矢高為1.0125 m，而拱肋整體升溫20 ℃的跨中處橋面向上變形值僅為0.114 m，由此豎曲線變化后的曲線半徑為22 460 m，所以只要

拱橋范圍內的理論軌面豎曲線設置半徑大于28 000 m，則即使考慮拱肋溫度變形，軌面豎曲線仍可滿足舒適度要求。所以溫度變形對于大跨度橋梁的橋面豎曲線影響很小，也不會降低列車運營的舒適度。

(2)按照高速鐵路有砟軌道線路維修規則[5]軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值要求，分析工務部門提供的軌面實測高程，可以滿足維修規則要求。

(3)按照高速鐵路有砟軌道線路維修規則[5]中軌道靜態幾何尺寸長弦測量作業驗收容許偏差管理值要求，分析工務部門提供的軌面實測高程，個別平順性較差的點比容許值偏大，但偏差值超出容許值不多，只要調整軌面高程曲線至較為圓順，即可滿足要求。

(4)經過動態聯調聯試及考慮實際軌面高程曲線作為軌道不平順進行的列車走行性分析表明，即使實測軌面高程的靜態長波不平順超出目前軌道維修規則的管理限值，但仍然可以滿足列車在設計時速下的運營安全和舒適性需要。

5 結語

(1)大跨度橋梁較大的溫度變形并不是造成軌道靜態尺寸不達標的原因，在橋面軌道精調時，只要根據溫度變形特點，設定好不同環境溫度下的軌道調整目標值，將軌道高程調整為圓順曲線，即使是較難控制的靜態長弦不平順也可以滿足管理值要求。

(2)隨著國內鐵路建設發展，橋梁跨度越來越大，最大鐵路橋梁主跨已經突破1 000 m。在拱橋橋型方面，除了南廣鐵路西江大橋主橋計算跨度450 m外，還有即將建成通車的云桂鐵路南盤江大橋主跨416 m、滬昆客專北盤江大橋主跨445 m[6-9]。由于橋梁跨度增加，橋面變形對溫度變化更敏感。相關科研機構應通過進一步研究軌道不平順對列車運行的影響，提出適合高速鐵路大跨度橋梁的軌道靜態平順性能控制指標。

[1] 翟建平.南廣鐵路西江特大橋有砟軌道靜態調整技術[J].鐵道標準設計，2016(10)：40-44.

[2] 國家鐵路局.TB10621—2014高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[3] 中南大學土木工程學院.南廣鐵路肇慶西江特大橋動力特性及列車走行性分析報告[R].長沙： 中南大學土木工程學院， 2015.

[4] 中國鐵道科學研究院.南廣鐵路梧州南至廣州南段動態檢測報告[R].北京：中國鐵道科學研究院，2014.

[5] 中國鐵路總公司.TG/GW116—2013高速鐵路有砟軌道線路維修規則(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[6] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.大跨度中承式鋼箱拱橋建造關鍵技術研究[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2011.

[7] 翟建平.肇慶西江特大橋動力特性分析[J].鐵道科學與工程學報，2011(6)：13-17.

[8] 張華，徐升橋，彭嵐平.南廣鐵路西江特大橋總體設計[J].鋼結構，2015(4)：17-21.

[9] 徐升橋，彭嵐平，張華.南廣鐵路西江特大橋的技術創新[J].鐵道標準設計，2013(2)：50-57.

Static Irregularity Analysis of High-speed Railway Long-span Bridge Track under Temperature Load

ZHAI Jian-ping1， XU Sheng-qiao2， REN Wei-dong2

(1.Nanning-Guangzhou Railway Co.， Ltd.， Nanning 530022， China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

With reference to Nan-Guang railway Xijiang bridge of 450 m main span and based on the data of the railway track elevation measured by the works department， this paper studies the Xijiang bridge track static irregularities. The results show that the bigger temperature deformation accounts nothing for the failure to meet track static dimension standard and the track elevation can be controlled once the bridge deck deformation characteristics are investigated during track adjustment phase and track adjustment precision is controlled．

High-speed railway; Bridge; Ballasted track; Track irregularity; Temperature deformation

2016-07-04

鐵道部科技開發計劃項目重大課題(2009G004-A)

翟建平(1966—)，男，高級工程師，1989年畢業于長沙鐵道學院鐵道工程專業，工學學士。

1004-2954(2016)11-0030-03

U441

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.008