高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設置方法研究

譚社會

(上海鐵路局工務處，上海200071)

高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設置方法研究

譚社會

(上海鐵路局工務處，上海200071)

鋼桁梁斜拉橋是鐵路大跨度橋梁的常用形式。本文基于一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設置的工程實際，指出設計過程中的活載大小、活載加載長度和施工過程中的道砟密度是導致鋼桁梁斜拉橋成橋后實際線形與設計線形差別較大的主要原因。對該橋運營期的動態檢測發現，雖然最小坡段長度不滿足現有規范，但線路動態檢測并無Ⅱ級及以上偏差，說明坡段長度并不影響旅客舒適性;該橋在列車動荷載作用下的實際下撓值小于設計計算值，說明目前關于鋼桁梁斜拉橋的預拱度計算理論尚不夠精確，可進一步完善。最后，針對已往先逐跨設置預拱度再通過坡度整改設置工后預拱度的方法，導致實際線形與設計線形相差較大的現實，提出了高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設置的新方法。

高速鐵路;鋼桁梁斜拉橋;預拱度;線形

1 工程背景

斜拉橋是由塔、索、梁構成的組合體系橋，常用于鐵路大跨度橋梁中。因受結構自重、荷載、溫度等因素的影響，成橋后其豎向線形往往會偏離理論設計線形，進而直接影響軌道線形和行車平穩性。因此需在施工過程中設置預拱度，從而抵消結構在荷載作用下產生的撓度，使橋梁實際線形與預期狀態之間的誤差在容許范圍之內［1-3］。

根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB 10002.2—2005)［4］，橋跨結構應預設上拱度，上拱度曲線應與恒載和半個靜活載產生的撓度曲線形狀基本相同，但方向相反。

以一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋為例，該橋為公鐵合建橋梁，其中鐵路按4線設計，2線客運專線，2線Ⅰ級干線，客運專線設計速度250 km/h，干線設計速度160 km/h，采用有砟軌道結構;公路為雙線6車道高速公路。主橋為(90+240+630+240+90)m的3索面3主桁鋼桁梁斜拉橋，根據預拱度設置要求，邊跨、輔助跨及主跨的各跨跨中理論設計拱度分別為4，59和498 mm。

然而，按圖施工結束后對主跨跨中上拱值進行測量時，發現同等工況下實測跨中上拱值為615 mm，高出設計值117 mm，超出設計24%。同樣的問題也出現在了工況類似的另一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋(4線)上，實測主跨跨中上拱值高出設計值100 mm，超出設計28%。

為此，線路開通前，設計、施工、運營單位對該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋進行了原因分析及調坡整改。線路開通后，運營單位利用地基雷達干涉測量系統對該橋進行了活載情況下變形監測，并結合恒載、活載數據，詳細分析了運營期該鋼桁梁斜拉橋的實際線形，在此基礎上結合動態檢測數據提出高速鐵路長大橋梁線形設置建議方案;同時針對運營期實際拱度與設計拱度偏差較大的情況，指出現有高速鐵路長大橋梁預拱度設計中需要注意的問題，以期對同類橋梁線形設置有所裨益。

2 鋼桁梁斜拉橋線形設置方法

一般高速鐵路鋼桁梁斜拉橋的線形設置方法分2步，首先根據橋梁跨度逐跨設置預拱度，其次對橋梁整體線形通過鋪設不同厚度道砟的方式實現坡度整改。

2.1 預拱度設置

目前已建成的國內鐵路斜拉橋均采用了同樣的方法進行預拱度設置，即鋼梁初始設計為平坡，按照計算的恒載、活載撓度逐跨設置預拱度［5］。依據TB 10002.2—2005，鐵路橋梁豎向剛度要求靜活載撓跨比不大于1/600，按此設計預拱度(靜活載的1/2) f=L/1 200。預拱度曲線表達式為

式中:L為橋梁跨度;跨中為x坐標零點，兩端支點為y坐標零點。

由(1)式可知，預拱度曲線斜率y'為

該橋的主跨為L=630 m，根據公式(1)(2)計算可得預拱度曲線在支點處斜率為3.3‰，則相鄰兩跨橋梁的預拱度曲線在支點處形成6.6‰的折角。

2.2 調坡整改

因為鋼桁梁斜拉橋預拱度的存在，橋上的軌道線形無法成為平坡，故需要對軌道線形進行擬合。即在逐跨設計預拱度的基礎上，以跨中最大上拱值為依據，通過填充不同厚度的道砟實現橋梁整體坡度的調整，如圖1所示。調坡整改后，共計增加道砟量約4 730.7 t，每側增加約2 365.4 t，約1.83 t/m。

圖1 傳統橋梁線形設置方法

成橋后的線形為雙向平順的人字坡，坡長為750 m (坡度0.08%)+700 m(坡度－0.085 7%)，本段落及相鄰段落的縱斷面線形為2 000 m(坡度0.55%)+750 m (坡度0.08%)+700 m(坡度－0.085 7%)+550 m (0%)。《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)［6］中規定，最小坡段長度應按式(3)計算確定，且取50 m的整數倍

式中:lp為最小坡段長度，m;Δi1，Δi2為坡段兩端坡度差，‰;Rsh為豎曲線半徑，m;v為設計速度，km/h。

據此，正線最小坡段長度一般條件下不應小于900 m，困難條件下不應小于600 m。由于線形擬合時受有砟區段長度的限制，該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋最小坡段長度僅550 m，不滿足目前規范中的規定值。

3 鋼桁梁斜拉橋線形偏差原因分析

3.1 設計原因

理論計算活載引起的鋼梁撓度，一般采用影響線加載，對于斜拉橋主跨跨中撓度來說，多以主跨滿載時計算的撓度作為活載撓度進行預拱度設置［7］。但實際運營列車一般為8節編組(200 m)或16節編組(400 m)，該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋主跨630 m，實際運營車輛長度小于斜拉橋主跨長度。設計理論預拱度時仍以滿跨的工況計算，預拱度的活載加載長度偏長，是橋梁實際線形與設計線形偏差的原因之一。

另外，理論計算活載引起的鋼梁撓度時采用的活載為標準ZK活載，即客車按6.4t/m、貨運列車按8 t/m計算，一般按照33 mm/(t/m)計算撓曲量，該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋下撓量(含公路荷載)及預拱度據此設為498 mm。但實際運營動車荷載不足3 t/m (按400 m長，16節編組，1 088 t計算)、貨車荷載不足6.6 t/m(按普通貨車滿載)，均小于設計參數6.4 t/m和8 t/m。采用標準ZK活載與實際運營列車不符，是橋梁實際線形與設計線形偏差的原因之二。

3.2 施工原因

該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋鋪設有砟軌道，振搗作業后道砟密度實測值為1.8 g/cm3，與設計取值2.1 g/cm3偏差14.3%。而荷載每減少1 t/m，鋼梁上拱約33 mm/(t/m)，因此橋上道砟鋪設、振搗過程中引起的道砟實際密度偏差影響鋼梁下撓約103 mm。

另外施工過程中主塔混凝土收縮徐變也會不可避免地影響鋼梁線形，經估算后期由于主塔混凝土收縮徐變效應鋼梁下撓約26 mm。

此外，斜拉索調索前后，實測鋼梁跨中撓度變化值與理論計算跨中撓度變化值不符，調索誤差約13 mm。

4 運營期動態監測

4.1 軌道質量指數

自2015年6月該高速鐵路開通運營1年來，鋼桁梁斜拉橋上的線路動態檢測無Ⅱ級及以上偏差，動態質量即軌道質量指數TQI(Track Quality Inderx)均值＜3.5mm，線路區段整體平順性較好。可見，從運營情況分析，鋼桁梁斜拉橋縱斷面設為人字坡后，雖然有一個坡段長度小于目前規范中規定的困難條件下最小坡段長度，但只要保證靜態情況下的線形相對平順，坡度的變化并不影響旅客的舒適性。

4.2 跨中動撓度

為獲取該鋼桁梁斜拉橋動載情況下主橋線形變化情況，設備管理單位于2016年4月利用地基雷達干涉測量系統對該橋進行了變形監測。采用地基雷達干涉測量系統FS型、FL型同時開展工作，共采集數據時長24 h，記錄了溫度、氣壓、風速等氣象資料，并利用系統專用軟件IBIS-DV對監測數據進行處理和分析。一列動車經過跨中、1/4跨等結構點的變形曲線見圖2。

圖2 跨中、1/4跨等結構點的形變曲線

由圖2可知，在列車動態作用下跨中位置的最大變形為89.59 mm，1/4跨位置最大變形為72.44 mm，且各結構點變形規律一致，均表現為V字形。另外在跨中位置記錄了不同車次列車經過時的變形曲線，如圖3所示。由圖3可知，高速列車經過時變形的幅度范圍約為50～100 mm，大型貨車經過高速公路時變形的幅度約為21.1 mm。由此可見，運營期該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋主跨的拱度是一個動態變化的過程，隨著橋面荷載、環境溫度等因素發生變化。另外，通過動態監測數據可知，橋梁在列車動荷載作用下，跨中實際下撓值僅為50～100 mm，與設計預拱度理論計算的200 mm相差較大，說明列車通過時軌道線形實際上仍為以跨中為變坡點的人字坡，因此，目前關于鋼桁梁斜拉橋的預拱度計算理論尚不夠精確，仍需進一步完善。

圖3 跨中位置不同車次列車經過時變形曲線

5 線形設置新方法

高速鐵路對軌道的平順性要求較高，靜態需進行10 m波長與30～300 m波長檢測，動態需進行1.5～42 m波長與1.5～120 m波長檢測［8］。通過前述分析可知，設計和施工環節中的諸多因素，例如荷載計算長度、道砟實際密度等會導致施工完成后的實際預拱度與設計預拱度產生偏差。而在線形重新擬合過程中又受道砟厚度、擋砟墻高度、有砟無砟分界位置等因素的限制，擬合難度大，需要尋求新的思路。

鑒于以上的實踐與分析，與其到斜拉橋成橋后將軌道豎曲線擬合成雙向平順的人字坡，不如設計之初就采用豎曲線代替預拱度，即鋼梁設計時采用人字坡代替逐跨設置的預拱度和調坡整改。鋼梁桿件加工時結合坡度線形進行制造，施工時通過斜拉索的設計索力，將主梁線形控制為帶豎曲線的成橋線形。這樣設計的鋼梁線形與軌道線形較為匹配，實際施工時，僅需要通過軌道線形擬合調整施工控制帶來的誤差(調整量較小)。

據了解，目前已經開工建設的滬通長江公鐵大橋、商合杭鐵路蕪湖長江公鐵大橋均采用了此種方法進行線形設計。

6 結論

本文基于一高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設置的工程實際，在分析該橋線形偏差原因的基礎上，提出了高速鐵路鋼桁梁斜拉橋線形設置的新方法。結合運營期該橋在列車動荷載作用下的平順性檢測和動態變形監測數據，得到以下幾點結論:

1)基于橋梁因成橋跨中上拱值過大，導致實際線形與設計線形差別較大的現場分析發現，設計過程中的活載加載長度、活載大小和施工過程中的道砟密度是導致成橋后實際線形與設計線形差別較大的主要原因。

2)對該高速鐵路鋼桁梁斜拉橋進行運營期動態監測，發現雖然最小坡段長度不滿足現有規范，但線路動態檢測并無Ⅱ級及以上偏差，說明鋼桁梁斜拉橋坡段長度并不影響旅客的舒適性。此外該鋼桁梁斜拉橋在列車動荷載作用下跨中實際下撓值僅為50～100 mm，與設計預拱度理論計算的200 mm相差較大，說明目前關于鋼桁梁斜拉橋的預拱度計算理論尚不夠精確，可進一步完善。

3)針對傳統先逐跨設置預拱度再進行坡度整改的方法，提出鋼梁桿件加工制造時應考慮坡度線形，施工時通過設計索力將主梁線形控制為帶豎曲線的成橋線形的新方法。

［1］吳尚德．高速鐵路橋梁移動模架結構計算及預拱度設置［J］．鐵道工程學報，2013(2):58-62．

［2］姜嫚．基于實測數據修正的徐變預測模型在鐵路橋預拱度計算中的應用［J］．鐵道建筑，2014(5):5-8．

［3］杜闖，丁紅巖，張浦陽，等．斜跨曲線異形拱橋施工過程應力和撓度分析［J］．鐵道科學與工程學報，2015(5):1130-1135．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［5］王贊芝，張鍇，王淼，等．用灰色系統理論確定高速鐵路橋梁施工預拱度［J］．鐵道科學與工程學報，2015(3):482-488．

［6］國家鐵路局．TB 10621—2014高速鐵路設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2015．

［7］曾永平，陳天地，袁明，等．大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋預拱度設置［J］．鐵道工程學報，2010(10):78-81．

［8］羅林．高速鐵路軌道必須具有高平順性［J］．中國鐵路，2000 (10):8-11．

Study on Alignment Setting Method of Steel Trussed Cable-stayed Bridge on High Speed Railway

TAN Shehui
(Permanent Way Departmant，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China)

Steel trussed cable-stayed bridges are widely used as large-span bridges in railways．T he background of this paper is the vertical profile setting of a steel trussed cable-stayed bridge on a high speed railway．T he live load amount and loading length during design，and the density of railway ballast during construction were indicated to be the main reasons of the great difference between the designed vertical profile and the actual vertical profile．Dynamic detection in the operational period was conducted．It suggests that the short slope does not affect passenger comfort although the minimum slope length does not meet the requirements of current code，given noⅡlevel and above deviations are detected．T he actual deflection under the vehicle dynamic load is less than the designed value，and this suggests that the existing pre-camber calculation method for steel trussed cable-stayed bridge is not precise and requires improvement．T he current method includes twosteps:pre-camber setting span byspan，and postconstruction setting of pre-camber through slope adjustment．T his method results in the great difference between actual and designed vertical profile．Based on the analysis，a new vertical profile setting method of steel trussed cablestayed bridge in high speed railway was proposed．

High speed railway;Steel trussed cable-stayed bridge;Pre-camber;Alignment

U212．34

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．01

1003-1995(2016)12-0001-04

(責任審編孟慶伶)

2016-07-26;

2016-09-15

國家科技支撐計劃(2013BAG20B01);國家自然科學基金(50908179);上海市自然科學基金(11ZR1439200)

譚社會(1973—)，男，高級工程師。