時速350 km跨度72 m無砟軌道簡支鋼桁梁橋設計研究

劉 凱

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

1 概述

京雄城際鐵路正線長度78.24 km，為設計時速350 km的雙線高速鐵路，線間距5 m，采用ZK荷載，CRTSⅢ型板式無砟軌道。京雄城際鐵路在DK87+410.30位置上跨津霸鐵路時，需要跨度70 m左右結構，若采用連續梁，其上部建筑高度大，需要拉高全橋縱斷面，增加投資；若采用簡支拱，則施工過程對既有線影響大，且自重反力較大，易引起沉降進而影響既有線行車。因此，擬采用72 m簡支鋼桁梁跨越，其具有上建高度小，自重輕，頂推施工對既有線影響小等優點。但近期我國修建的客運專線及高速鐵路大跨度鋼橋均采用有砟軌道結構，如京滬高鐵濟南黃河大橋、南京大勝關長江大橋；京廣高鐵鄭州黃河大橋、武漢天興洲大橋公鐵兩用橋等[1]。在鋼橋面上鋪設無砟軌道，需要解決以下問題。

(1)梁端轉角過大，對軌道結構受力不利。

(2)鋼結構受溫度影響大，結構變形對軌道長短波不平順有較大影響。

(3)梁縫位置橫向錯位較大。

(4)橋面系剛度偏弱，行車安全性和舒適性有待驗證。

本設計通過構造設計，解決了上述難題，并通過車橋動力仿真驗證了高速行車的安全性和舒適性。

2 鋼桁梁結構形式

2.1 主桁結構形式

簡支鋼桁梁橋主桁采用兩片鋼桁梁[2]，桁高12.3 m，桁式為無豎桿整體節點平行弦三角架[3]；兩片主桁間距為13.8 m；節間距為12 m，支座中心距梁端0.85 m。主桁結構示意見圖1。

圖1 鋼桁梁主桁結構示意 (單位：mm)

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，斜腹桿采用焊接箱形截面和H形截面。上弦桿內寬800 mm，內高952 mm，板厚24～32 mm；箱形截面腹桿內寬800 mm，外高分別為860、760 mm，板厚20～28 mm；H形截面腹桿翼板寬760 mm，腹板內高800 mm，板厚16～28 m；下弦桿內寬800 mm，內高1 444 mm，頂底板厚24 mm，腹板厚28 mm。

2.2 橋面結構形式

橋面結構采用鋼正交異性板[4-5]，為提高橋面系結構剛度、提高行車舒適性，并方便無砟軌道結構與橋面連接，在正交異性板上設置了35 cm厚的混凝土板，混凝土板與剛橋面板直接采用剪力釘連接。鋼橋面板板厚16 mm，在軌道下方共設置了4道縱梁，采用倒T形截面，腹板高750 mm，厚16 mm，下翼板寬300 mm，厚20 mm。另外還設置了16道U肋， U肋高度280 mm，厚8 mm[6-7]，間距600 mm。縱肋全橋連續，遇橫梁、橫肋腹板則開孔穿過[8]。橫梁間距12 m，中橫梁采用倒T形截面，高1 444 mm，腹板厚20 mm，底板寬800 mm，厚24 mm;端橫梁采用箱形截面，內高1 444 mm，腹板厚28 mm，底板寬800 mm，厚24 mm。橫梁上翼板與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出接頭栓接。兩道橫梁之間設3道橫肋，間距3 m，采用倒T形截面，高1 444 mm，腹板厚16 mm，底板寬600 mm，厚24 mm，上翼板與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出接頭栓接。橋面系結構見圖2。

圖2 橋面布置示意(單位：mm)

3 結構靜力分析

梁體豎向剛度達到1/2 812，橫向剛度達到1/11 429，均滿足規范要求，鋼桁梁結構受力計算也與常規鋼桁結構類似，不再贅述。本文主要在梁端轉角、軌道靜態鋪設精度、相鄰梁端鋼軌支點橫向變形等與高速行車相關關鍵參數方面予以論述。

3.1 梁端轉角控制。

高速鐵路無砟軌道要求在梁端懸出長度0.55～0.75 m時，梁端轉角不大于1‰[9]，而簡支鋼桁梁結構由于橋面系及下弦剛度小，梁端轉角較大。為解決這個問題，采用了加大端橫梁剛度、增加橋面混凝土板等措施，分別對比以下4個方案。

方案1 端橫梁為倒T形截面；腹板：1 444 mm×28 mm；底板：800 mm×24 mm；橋面不設混凝土板。

方案2 端橫梁為箱形截面；腹板：2-1 444 mm×28 mm；底板：600 mm×24 mm；橋面不設混凝土板。

方案3 端橫梁為箱形截面；腹板：2-1 444 mm×28 mm；底板：800 mm×24 mm；橋面不設混凝土板。

方案4 端橫梁為箱形截面；腹板：2-1 444 mm×28 mm；底板：800 mm×24 mm；橋面設置混凝土板。

各方案計算結果見表1，其中1～4表示的是4根鋼軌位置。如圖2所示。

表1 梁端轉角計算結果 ‰

從計算結果來看，端橫梁尺寸加大，梁端轉角減小，同時增設橋面混凝土板能有效提高梁端局部剛度，減小梁端轉角。因此，采用轉角最小的方案4，且軌道結構梁端第一組扣件采用常阻力扣件彈條，經檢算，能滿足無砟軌道受力要求。

3.2 橋面長短波不平順控制

對于高速鐵路無砟軌道，要求軌道靜態鋪設標準(容許偏差)：①短波 2 mm/10 m(弦長)；②長波 2 mm/8a(基線長)、10 mm/240a(基線長)[9]。a為無砟軌道扣件節點間距，本線a值為0.63 m。在溫度荷載作用下，考慮橋面混凝土板參與整體受力，橋面系縱梁豎向位移見圖3。

圖3 體系溫度與溫度包絡下鐵路縱梁豎向位移(橋面混凝土板參與整體受力)

溫度荷載按如下因素考慮：

(1)體系升降溫 按整體升降溫35 ℃[10]；

(2)驟然升降溫 混凝土橋面板與鋼結構溫差±15 ℃；

(3)日照溫度 上平聯、上弦桿、腹桿的溫度為20 ℃，下弦桿的溫度為10 ℃，鋼橋面及縱橫梁溫度0 ℃。

圖3中升溫及降溫為溫度荷載的最不利組合[11]。

由圖3可知，橋面豎向變形不滿足軌道靜態鋪設標準要求。各種溫度荷載中，驟然升降溫造成的變形占主要部分，其原因是混凝土和鋼結構之間有±15 ℃的溫差，造成結構之間變形不協調，從而引起豎向變形[12]。因此，考慮橋面混凝土板設置斷縫，使其不參與整體受力，同時考慮施工方便和軌道受力，橋面混凝土板斷縫和軌道板斷縫位置對齊。則在溫度荷載作用下，橋面系縱梁豎向位移見圖4。

溫度荷載按如下考慮：

(1)體系升降溫 根據該項目氣象資料，按整體升降溫35 ℃；

(2)日照溫度 上平聯、上弦桿、腹桿的溫度為20 ℃，下弦桿的溫度為10 ℃，鋼橋面及縱橫梁溫度0 ℃。

圖4中升溫及降溫為溫度荷載的最不利組合。

圖4 體系溫度與溫度包絡下鐵路縱梁豎向位移(橋面混凝土板不參與整體受力)

可見，在橋面混凝土板設置斷縫的情況下，橋面豎向變形滿足軌道靜態鋪設標準要求。

3.3 梁端鋼軌支點橫向相對位移控制

無砟軌道要求相鄰梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移不大于1 mm，本梁主桁間距較寬，而相鄰32 m預應力混凝土簡支梁支座間距較小，若將橫向固定支座設置在一片主桁下，則無法滿足橫向相對位移小于1 mm的要求。因此，主桁下不設橫向固定支座，橫向力通過設置在橋梁中心線上的橫向限位裝置傳遞給橋墩，具體布置見圖5。

圖5 支座及橫向限位裝置布置(單位： mm)

4 車橋耦合動力仿真分析

4.1 動力模型及關鍵參數取值

對全橋進行車橋耦合動力仿真分析，采用空間梁-板混合單元來建立主橋模型，梁體與橋墩墩頂采用主從約束模擬橋墩對主梁的約束，以彈簧單元模擬墩底總的基樁約束[13]。橋面二期恒載以線分布形式作為均布質量分配到橋面板單元中。動力分析模型見圖6，該模型共有節點1281個，梁單元1028個，板單元720個。列車采用國產CRH3動力分散式車組：列車編組為2×(動+拖+動+動+動+動+拖+動)，共16節。速度等級取180、200、225、250、275、300、325、350、375、400、420 km/h。軌道不平順采用德國低干擾軌道譜[14]。根據上述條件，進行車橋動力仿真分析，檢算橋梁的自振頻率[15]、跨中豎向與橫向動位移、跨中豎向與橫向加速度；檢算機車車輛的安全性和舒適度指標，包括脫軌系數、輪重減載率、豎橫向加速度及Sperling舒適度指標。

圖6 動力仿真模型

4.2 橋梁自振特性分析

針對72 m鋼桁簡支梁橋動力仿真模型，進行橋梁自振特性分析以及在國產CRH3客車作用下的動力響應分析。表2列出了72 m鋼桁簡支梁橋的自振特性頻率分析結果。

表2 72 m簡支鋼桁梁橋自振頻率

4.3 動力仿真計算結果

根據建立的車橋耦合動力仿真模型，在國產CRH3客車作用下，計算得到車橋動力分析評價結果見表3。

表3 車橋動力響應評價結果

4.4 動力仿真結論

(1)橋梁自振特性分析

支承體系基頻：梁體一階橫向頻率1.877 Hz，梁體一階豎向頻率2.224 Hz。

(2)橋梁振動性能

在國產CRH3動力分散式車組以速度180～420 km/h運行時，橋梁跨中橫向和豎向振動位移最大值分別為0.483、4.825 mm，橋梁跨中橫向和豎向振動加速度最大值分別為0.374、0.669 m/s2。

可見，在上述列車作用下，72 m鋼桁簡支梁橋各跨的豎向和橫向振動位移較小，橋梁豎向和橫向振動加速度均小于規范規定的限值，說明橋梁的振動性能良好。

(3)列車行車安全性

在國產CRH3動力分散式車組以速度180～420 km/h通過跨度72 m鋼桁簡支梁橋時，動車與拖車的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內，保證了高速列車的行車安全。

(4)列車乘坐舒適性

國產CRH3動力分散式車組以速度180～350 km/h通過72 m鋼桁簡支梁橋時，豎向和橫向舒適性均達到“優”； 國產CRH3動力分散式車組以速度375～420 km/h通過72 m鋼桁簡支梁橋時，豎向和橫向舒適性均達到“優”、“良”。

72 m簡支鋼桁梁在吸收我國既有鋼桁梁經驗的基礎上，解決了簡支鋼桁梁結構上鋪設無砟軌道、運營速度350 km/h高速列車的難題，并得到了車橋動力仿真的驗證，符合技術先進、安全可靠、經濟合理等設計原則，其構造形式及分析方法可供類似結構借鑒。