大跨度鋼管混凝土拱橋橋上軌道平順性檢算及設計優化

魏琦琪 劉在慶 田春香 李糧余

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610331)

20世紀30年代末鋼管混凝土拱橋結構首次投入工程應用后發展迅速，其在受力性能、靜動力響應、靜動載試驗及施工控制等方面已有較為豐富的研究成果[1-5]。隨著高速鐵路工程的發展，大跨度鋼管混凝土拱橋與高速列車的相互作用得到了充分的重視[6]，但仍未有涉及車橋連接紐帶-橋上軌道結構的研究。

本文結合成渝客運專線資陽沱江特大橋的工程實例，研究分析了大跨度鋼管混凝土拱橋結構變形對橋上軌道結構平順性的影響規律。

1 工程概況及檢算方法

1.1 工程概況

資陽沱江特大橋主橋全長361.6 m，采用下承式鋼管混凝土系桿拱形式，主跨(90+180+90) m，主拱設計矢高f=36.0 m，矢跨比f/L=1/5，設計拱軸線方程：y=-1/225x2+0.8x，設計合攏溫度17 ℃。主橋布置，如圖1所示。

圖1 資陽沱江特大橋主橋總布置圖(cm)

橋上無砟軌道采用分塊式結構，分塊長4～7 m，結構高度為0.725 m。主橋兩端鋪設伸縮調節器地段采用軌枕埋入式無砟軌道結構，其余地段采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。無砟軌道底座均直接澆筑在橋面上，并通過橋面預埋鋼筋緊密連接。軌道主要組成如圖2和圖3所示。

圖2 CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道(mm)

圖3 伸縮調節器地段軌枕埋入式無砟軌道(mm)

1.2 檢算方法

本文結合工程特點在平順性檢算中作出以下簡化和基本假定:

(1)靜態檢算中不考慮動態的輪軌作用。

(2)無砟軌道結構高度小、分塊短并且與梁體緊密連接，其自身變形可忽略，軌道變形與梁體變形相協調。

(3)無砟軌道結構具備足夠的豎向穩定性，橋上無縫線路應力對軌道豎向變形的影響可忽略。

基于以上簡化和假定，本文提出了大跨度鋼管混凝土拱橋橋上無砟軌道靜態高低平順性檢算方法，其步驟如下：

(1)建立梁體變形計算模型，開展大跨度鋼管混凝土拱橋梁體理論變形計算。

(2)根據梁體理論變形計算結果，按照軌道幾何狀態測驗方法[7]進行理論平順性檢算。

(3)開展工程測量，根據實測工程數據計入軌道初始不平順影響。利用實測數據對理論檢算數據進行修正，最終得出無砟軌道靜態高低平順性檢算結果。

2 理論平順性檢算及結果

2.1 梁體理論變形計算

2.1.1計算模型

梁體變形計算模型，如圖4所示。

圖4 梁體變形計算模型單元離散圖

橋上吊桿建立為拉索單元，連續梁梁體及鋼管混凝土拱結構等其余橋梁結構建立為梁單元。計算模型中考慮恒載、溫度荷載組合和收縮徐變等荷載。

2.1.2計算參數

(1)恒載

①結構自重：容重按26.5 kN/m3。

②二期恒載：q=118 kN/m。

③預應力及其次內力。

④混凝土收縮、徐變：環境條件取野外一般條件，相對濕度取80%。

(2)單項溫度荷載

①整體升降溫：資陽地區極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-4 ℃，整體升溫24 ℃，降溫21 ℃，計入橋墩升降溫影響。

②主梁日照溫差：按指數為5，頂板10 ℃考慮。

③拱肋與主梁溫差：拱肋截面日照溫差按梯度溫度取8 ℃～0 ℃，拱肋與主梁溫差效應取+4 ℃。拱肋日照反溫差為正溫差乘以-0.5。

④吊桿與主梁溫差：升溫溫差按+9 ℃考慮，降溫溫差按-5 ℃考慮。

(3)溫度荷載組合

①升溫組合：按整體升溫、拱肋日照溫差、吊桿升溫及主梁日照溫差進行組合。

②降溫組合：按整體降溫、吊桿降溫、拱肋日照溫差及主梁日照溫差進行組合。

2.1.3梁體變形計算結果

本橋主橋采用超大跨度鋼管混凝土系桿拱結構，溫度敏感性強。梁體靜態變形主要考慮收縮徐變、溫度荷載組合和單日極端天氣影響。

(1)收縮徐變作用下的梁體變形

2013年5月15日主橋梁部合龍，2014年9月15日無砟軌道施工。2015年9月以后每一年收縮徐變引起的梁體變形和垂向變形極值，如圖5、圖6所示。

圖5 各年收縮徐變引起的梁體變形圖

圖6 收縮徐變引起的梁體年垂向變形極值圖

由圖5、圖6可知，收縮徐變荷載初期對垂向變形影響較大，后期逐步減小，截止2018年10月，收縮徐變引起的年上拱幅度已不足2 mm，年下撓幅度已不足1 mm。

(2)溫度荷載作用下的梁體變形

①單項溫度荷載引起的梁體變形

各單項溫度荷載計算參數帶入模型中檢算所得的梁體變形情況，如表1所示。

由表1可知，拱肋升溫溫差對主梁垂向變形影響最大，對梁拱及吊桿整體溫度變化影響最小。橋墩整體溫度變化影響較大且主跨與邊跨變形方向一致。

②溫度荷載組合引起的梁體變形

考慮以下5種實際工況的溫度荷載組合：

A.夏季白天升溫(有日照)：拱梁及吊桿整體升溫+墩整體升溫+拱肋升溫溫差+吊桿升溫溫差+主梁日照溫差。

表1 單項溫度荷載引起的橋梁垂向變形檢算結果統計表

注：表中上拱位移為正，下撓位移為負

B.夏季夜間升溫(無日照)：拱梁及吊桿整體升溫+墩整體升溫+拱肋降溫溫差+吊桿降溫溫差。

C.冬季白天降溫(有日照)：拱梁及吊桿整體降溫+墩整體降溫+拱肋升溫溫差+吊桿升溫溫差+主梁日照溫差。

D.冬季白天降溫(無日照)：拱梁及吊桿整體降溫+墩整體降溫。

E.冬季夜間降溫(無日照)：拱梁及吊桿整體降溫+墩整體降溫+拱肋降溫溫差+吊桿降溫溫差。

溫度荷載組合下梁體變形計算結果如圖7所示。

圖7 溫度荷載組合引起的梁體變形圖

由計算結果可知：

夏季白天升溫(有日照)工況為最不利升溫組合，最大垂向位移為12.2 mm(上拱)，位于主跨跨中位置。冬季夜間降溫(無日照)工況為最不利降溫組合，最大垂向位移為-10.7 mm(下撓)，位于主跨跨中位置。

③單日極端天氣引起的梁體變形

表2 單日極端天氣

根據表2中2012-2015年極端天氣數據對單日最高溫、最低溫及最大溫差3種溫度荷載情況進行梁體變形計算，計算結果如表3所示。

表3 極端天氣下梁體垂向變形

(3)溫度荷載與收縮徐變共同作用下的梁體變形

綜合溫度荷載與收縮徐變計算結果，截止至2018年10月，收縮徐變荷載與最不利溫度荷載組合后橋梁垂向變形曲線如圖8所示。

圖8 溫度荷載組合與收縮徐變影響下梁體垂向變形

2.2 軌道理論平順性檢算

2.2.1軌道高低平順性評價指標

軌道高低平順性由軌道矢高偏差值決定，其容許偏差應符合表4的要求。

表4 高低平順性評價指標表

注：a為無砟軌道扣件節點間距

矢高偏差值計算公式如下：

偏差值Δh=設施矢高差Δ設計-測量矢高差Δ實測

矢高差檢算點間距不等價于弦長或基線長， 10 m弦長和基線長30 m標準的矢高差檢算點間距均為 5 m，基線長300 m標準的矢高差檢算點間距為150 m。

2.2.2軌道理論平順性檢算結果

將梁體垂向變形數據帶入軌道平順性迭代計算得到軌道理論平順性檢算結果如表5～表7所示。

表5 最不利溫度荷載組合下軌道平順性檢算結果

表6 單日極端天氣下軌道平順性檢算結果

表7最不利溫度荷載組合與收縮徐變影響下軌道平順性檢算結果

編號工況平順性評價標準檢算結果/mm容許偏差/mm評價123夏季白天升溫(有日照)+收縮徐變10 m弦長0.1242滿足30 m基線長0.3682滿足300 m基線長13.40010不滿足456冬季夜間降溫(無日照)+收縮徐變10 m弦長0.0982滿足30 m基線長0.2092滿足300 m基線長5.09510滿足

由表5～表7可知除最不利升溫溫度荷載和收縮徐變共同作用下，300 m基線長高低不平順值(13.4 mm)超標外，軌道理論高低不平順評價指標均滿足規范要求。

2.3 實測數據及初始不平順

2.3.1施工復測數據

2014年9月5日無砟軌道施工完成， 2015年1月27-28日進行的施工復測中軌道高程實測偏差值，如圖9所示。

圖9 施工復測鋼軌高程偏差曲線圖

由圖9可知，此時軌道高程已出現較大偏差，左線偏差最大值為-20.51 mm，右線-11.09 mm。

2.3.2精調復測數據

在2015年5月-7月間工務部門進行的3次精調期間，軌道高程偏差均有較大變化。 2015年7月7日夜間最后一次軌道精調完成，精調氣溫均為22 ℃，最高整體溫升為20 ℃，最高整體溫降為26 ℃。精調后實測軌道高程偏差，如圖10所示。

圖10 精調完成后鋼軌高程偏差曲線圖

2.3.3軌道初始不平順

施工復測及精調復測數據表明軌道平順性受時間作用影響明顯，因此軌道平順性研究應首先明確時間段落。在初始研究時間節點上軌道的幾何形位狀態即可稱作軌道初始不平順。

精調完成是軌道幾何形態穩定的重要標志，而此時的軌道幾何形態也是靜態驗收的重要標準。因此，本文選擇精調完成作為研究的初始時間節點，此時軌道的幾何形位狀態即為軌道初始不平順。該數據包含了結構施工誤差，軌道部件制造及組裝誤差，軌道施工完成前的收縮徐變影響等工程因素，實測數據表明初始不平順不可忽略，應作為理論計算結果的必要修正。

2.4 數據修正及檢算結果

2.4.1修正后溫度荷載組合作用下的軌道平順性

利用初始不平順數據修正后最不利溫度荷載作用下的鋼軌變形曲線，如圖11所示。對以上變形數據進行軌道平順性迭代檢算，計算結果如表10所示。

圖11 初始不平順與最不利溫度荷載組合下鋼軌垂向變形

表10修正后溫度荷載作用下軌道平順性檢算結果

編號工況平順性評價標準檢算結果/mm容許偏差/mm評價123左線10 m弦長0.5712滿足30 m基線長0.5452滿足300 m基線長11.28610不滿足456右線10 m弦長0.5532滿足30 m基線長0.5972滿足300 m基線長10.18810不滿足

修正后資陽沱江特大橋軌道短波和中波平順性仍滿足規范，但長波不平順超限。

2.4.2修正后溫度荷載和收縮徐變共同作用下的軌道平順性

利用初始不平順數據修正后，最不利溫度組合和精調后一年的收縮徐變共同作用下的鋼軌變形曲線如圖12所示。對以上變形曲線數據進行軌道平順性迭代檢算，計算結果如表11所示。

圖12 初始不平順+溫度荷載組合+收縮徐變下鋼軌垂向變形圖

表11修正后溫度荷載和收縮徐變共同作用下軌道平順性檢算結果

編號工況平順性評價標準檢算結果/mm容許偏差/mm評價123左線10 m弦長0.5752滿足30 m基線長0.6152滿足300 m基線長13.92010不滿足456右線10 m弦長0.5562滿足30 m基線長0.6722滿足300 m基線長12.75310不滿足

修正后資陽沱江特大橋軌道短波和中波平順性仍滿足規范，但長波不平順超限。

3 檢算結論

根據上述大跨度鋼管混凝土拱橋橋上軌道平順性檢算數據可得出以下結論：

(1)橋梁變形對軌道長波平順性影響最為明顯，對短波、中波平順性影響較小。

(2)橋梁初期收縮徐變對軌道高低不平順的影響較為明顯,后期逐步減小，且其影響具有單向不可逆性。

(3)橋梁變形的溫度敏感性強，受氣溫、溫差、日照等條件影響大，結構的局部溫差作用大于整體溫度變化作用。

4 優化建議

本文通過上述研究提出以下軌道平順性優化建議：

(1)開展橋梁-軌道一體化設計，統籌設計梁體合攏溫度、系桿拉伸溫度、無砟軌道施工溫度及無縫線路鎖定溫度，減小溫度變形引起的軌道長波不平順，提高運行舒適性。

(2)執行設計-施工-維護一體化理念，通過設計中優化施工溫度，施工中嚴控施工條件，減小收縮徐變荷載影響和軌道初始不平順；通過選擇恰當的維修養護時間，有效消除前期收縮徐變影響。

(3)設計中考慮建立自動化監測系統進一步研究橋梁部件溫差對變形的影響。

(4)運營中加強高溫季節及溫度突變情況下的養護維修檢查工作。