高速鐵路混凝土梁式橋預(yù)拱度設(shè)置的探討

喬晉飛

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300142)

鐵路橋梁的預(yù)拱度由兩部分組成：恒載預(yù)拱度和活載預(yù)拱度?；钶d預(yù)拱度是將軌道結(jié)構(gòu)隨梁體一同設(shè)置1/2靜活載的預(yù)拱度，列車經(jīng)過時軌面只產(chǎn)生一半的活載下?lián)狭?相對設(shè)計標(biāo)高)，使運(yùn)營線路更加平順。實(shí)際高速鐵路混凝土梁式橋的軌道結(jié)構(gòu)是按照線路設(shè)計縱斷面進(jìn)行施工的，軌面并未平行與梁面設(shè)置活載預(yù)拱度。許多工程師提出高速鐵路混凝土梁式橋不應(yīng)再按照規(guī)范要求設(shè)置活載預(yù)拱度，只需設(shè)置恒載預(yù)拱度即可。原因是混凝土梁式橋的豎向剛度較普通鐵路梁式橋增大較多，混凝土梁式橋的體量相應(yīng)增大，活載產(chǎn)生的位移比恒載產(chǎn)生的位移小?；诖?，本文將列車荷載假設(shè)為靜荷載，不考慮其動效應(yīng)，對高速鐵路混凝土梁式橋的預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行深入的分析和探討，對是否設(shè)置預(yù)拱度提出建議，并對特大跨度橋梁預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行簡要分析。

1 規(guī)范中的預(yù)拱度設(shè)置要求及分析

鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范中關(guān)于預(yù)拱度的設(shè)置，TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]沿用了TB 10002.3—99《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定[2]：“當(dāng)橋跨結(jié)構(gòu)恒載及靜活載引起的豎向撓度大于15 mm或跨度的 1/1 600 時，應(yīng)設(shè)置其值為恒載和1/2靜活載撓度的預(yù)拱度”。目的是保證橋梁建成后梁體跨中(包括橋梁上的軌面)可維持半個活載撓度的上拱度，如圖1所示。列車經(jīng)過時橋梁及軌道只產(chǎn)生1/2靜活載的撓度，線路不會產(chǎn)生過大的下?lián)喜黄巾?。從?cè)面觀察梁體也不會產(chǎn)生明顯的“塌腰式”下?lián)蟍3-4]，視覺上能給人安全感。

圖1 設(shè)置活載預(yù)拱度

一般梁式橋設(shè)置預(yù)拱度的目的主要是考慮視覺和心理上的感受[3-4]。因?yàn)榱熊嚿蠘蚝?，列車荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形量是客觀存在的，與是否設(shè)置預(yù)拱度無關(guān)，軌道結(jié)構(gòu)豎向變形幅度與橋梁結(jié)構(gòu)相同。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[5]中對預(yù)拱度設(shè)置沒有專門的規(guī)定，過去的高速鐵路橋梁設(shè)計中均按照TB 10002.3—2005執(zhí)行。但TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]發(fā)布后，對TB 10002.3—2005中的預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行了修訂，具體規(guī)定如下：“有砟軌道的橋跨結(jié)構(gòu)恒載及靜活載引起的豎向撓度大于15 mm或跨度的 1/1 600，無砟軌道的橋跨結(jié)構(gòu)恒載及靜活載引起的豎向撓度大于5 mm時，橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，其曲線與恒載及1/2靜活載所產(chǎn)生的撓度曲線基本相同，但方向相反”。TB 10092—2017中，對有砟軌道橋梁與無砟軌道橋梁預(yù)拱度設(shè)置的前提條件進(jìn)行了區(qū)分，體現(xiàn)了對無砟軌道橋梁線形更為嚴(yán)格的要求。實(shí)際在梁式橋上鋪設(shè)線路時是按照線路設(shè)計縱斷面的標(biāo)高進(jìn)行鋪設(shè)的，線路的平順性與梁面的平順性沒有直接的關(guān)系。TB 10092—2017編制時是否有必要改變無砟軌道橋梁預(yù)拱度設(shè)置的前提條件值得商榷。

2 活載預(yù)拱度的作用

活載預(yù)拱度的作用是當(dāng)列車經(jīng)過時使軌面相對于設(shè)計標(biāo)高只產(chǎn)生一半的活載下?lián)狭浚ＷC運(yùn)營線路更加平順，同時使梁體不產(chǎn)生明顯的下?lián)希o人以安全感。其實(shí)更主要的是出于后者的考慮，因?yàn)檐壝娴钠巾槻皇恰敖^對平順”，而是“動態(tài)平順”。只要列車經(jīng)過時軌面曲率在一定范圍內(nèi)，就能滿足列車運(yùn)營安全性和旅客乘坐舒適性的要求。假設(shè)橋梁為剛體，軌道結(jié)構(gòu)按照設(shè)計的線路縱斷面鋪設(shè)(本文不考慮線路平面問題)，即軌面達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，列車經(jīng)過時軌面高程不會發(fā)生變化(實(shí)際軌面是會發(fā)生彈性變形的)，軌面始終保持在理想的設(shè)計位置，線路處于絕對平順狀態(tài)。實(shí)際上由于橋梁不是剛體，列車經(jīng)過時必然發(fā)生豎向撓曲變形，附著在橋面上的軌道結(jié)構(gòu)也會隨同橋面發(fā)生相應(yīng)的撓曲(主要指下?lián)?，如圖2所示。然而，即使設(shè)置了活載預(yù)拱度，也不能保證列車經(jīng)過橋梁時軌面處于絕對平順狀態(tài)。

圖2 不設(shè)置活載預(yù)拱度

3 軌道鋪設(shè)與活載預(yù)拱度設(shè)置的矛盾

由于實(shí)際軌道結(jié)構(gòu)施工時是按照線路設(shè)計縱斷面的標(biāo)高進(jìn)行施工的[7](特大跨度橋梁除外)，因此無論橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置了何種預(yù)拱度，軌道結(jié)構(gòu)施工時都通過道砟(有砟軌道)或底座板(無砟軌道)將軌面調(diào)整至設(shè)計標(biāo)高，軌面與梁面并不平行(特大跨度橋梁除外)。橋梁工程師設(shè)置的1/2靜活載預(yù)拱度并沒有真正體現(xiàn)在軌面上，反而減小了橋梁跨中道砟或底座板的厚度。因?yàn)檐壝娓叱虥]變，鋪軌前梁體已向上拱起，如圖3所示。列車經(jīng)過時軌面隨梁體下?lián)?，軌面高程偏離設(shè)計縱斷面位置，偏離量不是1/2靜活載的下?lián)狭浚?倍靜活載的下?lián)狭?，說明活載預(yù)拱度對線路平順性沒有產(chǎn)生作用。不過實(shí)踐證明，這種線路隨梁體產(chǎn)生的動態(tài)撓曲變形量仍滿足高速鐵路列車運(yùn)營安全性和旅客乘坐舒適性的要求。

圖3 軌面未設(shè)置預(yù)拱度

若只設(shè)置恒載預(yù)拱度，不設(shè)置1/2靜活載預(yù)拱度，列車經(jīng)過時軌面下?lián)狭颗c圖3中軌面下?lián)狭肯嗤?，也?倍靜活載的下?lián)狭浚梢詽M足運(yùn)營要求。同時，此種方法還能避免出現(xiàn)圖3中跨中道砟或底座板太薄的問題，使道砟厚度與底座板厚度均能按照設(shè)計要求進(jìn)行施工，不必根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。 另外，高速鐵路ZK列車荷載圖式靜效應(yīng)與實(shí)際動車組靜效應(yīng)差別較大，實(shí)際動車組較輕，實(shí)車產(chǎn)生的靜活載撓度要比ZK靜活載撓度小得多。若按規(guī)范要求采用“恒載+1/2 ZK靜活載”設(shè)置預(yù)拱度，那么在實(shí)際工況中預(yù)拱度設(shè)計偏高。因此，許多高速鐵路梁式橋設(shè)計中均未設(shè)置活載預(yù)拱度，只是設(shè)置了恒載預(yù)拱度。理論分析及運(yùn)營實(shí)踐均證明高速鐵路梁式橋不設(shè)置活載預(yù)拱度是可行的。

4 特大跨度橋梁預(yù)拱度的設(shè)置

對于特大跨度橋梁，如我國已建成的多座跨越長江的高速鐵路橋梁，其靜活載產(chǎn)生的撓度較大。橋梁設(shè)置恒載、活載預(yù)拱度后，橋面高程已高于設(shè)計軌面高程，線路鋪設(shè)時只能平行橋面鋪設(shè)，軌道結(jié)構(gòu)與梁體一同設(shè)置了活載預(yù)拱度。實(shí)踐證明，只要線路鋪設(shè)時滿足軌道靜態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的平順性要求，橋梁動力仿真滿足規(guī)范要求，軌道鋪設(shè)時軌面是否隨同梁面一同設(shè)置預(yù)拱度，是否與線路設(shè)計高程完全一致，以及運(yùn)營時線路高程隨同橋梁發(fā)生何種動態(tài)變形，都不會影響高速列車運(yùn)營安全性和旅客乘坐舒適性。

5 結(jié)論

1)對于一般高速鐵路混凝土梁式橋，建議不設(shè)置活載預(yù)拱度。

2)是否設(shè)置活載預(yù)拱度，與靜活載產(chǎn)生的絕對位移量及靜活載撓跨比有關(guān)，建議作深化研究，在規(guī)范中明確設(shè)置活載預(yù)拱度的前提條件。

3)橋梁規(guī)范中有預(yù)拱度設(shè)置的規(guī)定，但線路規(guī)范并未與之相協(xié)調(diào)，導(dǎo)致不論橋梁是否設(shè)置活載預(yù)拱度，軌面施工時均未考慮。橋梁活載預(yù)拱度并未起到使運(yùn)營線路更加平順的作用，建議線路規(guī)范中應(yīng)增加預(yù)拱度設(shè)置的規(guī)定，與橋梁規(guī)范相協(xié)調(diào)。