城際鐵路無砟軌道PC部分斜拉橋變形及線形控制研究

陳 剛,李偉軍

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司,西安 710038)

無砟軌道具有軌道穩(wěn)定性、剛度均勻性和耐久性好、平順性高、維修工作量少等突出優(yōu)點(diǎn)，因此無砟軌道是高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，但是高速鐵路無砟軌道對(duì)軌道平順性要求極高。橋梁結(jié)構(gòu)在活載作用下的彈性變形和長(zhǎng)期恒載作用下的變形都會(huì)直接影響到橋上軌道結(jié)構(gòu)的受力、平順性及行車安全，尤其在水網(wǎng)密集、交通發(fā)達(dá)地區(qū)為滿足通航、立交等跨越要求，必須采用大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，而大跨度橋梁結(jié)構(gòu)剛度、變形等如何適應(yīng)無砟軌道要求是控制設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，必須通過合理的設(shè)計(jì)和有效的施工控制技術(shù)綜合實(shí)現(xiàn)，滿足運(yùn)營(yíng)安全的要求。孫樹禮等[1]介紹了我國(guó)第一條時(shí)速350 km客運(yùn)專線無砟軌道橋梁設(shè)計(jì)情況，提出Ⅱ型板式無砟軌道對(duì)橋面的形狀和精度要求，王森榮[2]對(duì)武廣客專橋上鋪設(shè)無砟軌道關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出大跨度橋梁可采用“列車-無砟軌道-橋梁系統(tǒng)”耦合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行軌道平順性仿真分析，朱禹等[3-4]分析了溫度梯度荷載對(duì)無砟軌道變形的影響，李洪學(xué)等[5-7]分析了溫度效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，何義斌等[8-10]分析了梁體徐變變形對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響及控制措施，王安琪等[11-12]分析了梁體預(yù)拱度設(shè)置對(duì)軌道平順性的影響，康煒等[13-15]對(duì)大跨預(yù)應(yīng)力混凝土組合結(jié)構(gòu)在無砟軌道的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，王存國(guó)等[16-17]分別預(yù)估了客運(yùn)專線連續(xù)梁拱和連續(xù)剛構(gòu)后期變形，王常峰等[18-21]從施工控制研究了無砟軌道高速鐵路橋梁線形控制技術(shù)。

結(jié)合工程實(shí)例，綜合設(shè)計(jì)和施工控制，對(duì)鐵路無砟軌道PC部分斜拉橋線形控制進(jìn)行研究，為后續(xù)大跨度組合結(jié)構(gòu)的線形控制提供參考。

1 工程背景(圖1)

廣佛環(huán)城際鐵路，線路出張槎站后上跨東平水道，東平水道為國(guó)家規(guī)劃Ⅱ級(jí)航道。橋位受通航、防洪、立交、線路高程等控制。經(jīng)比選，主橋采用一聯(lián)(96+176+96) m預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋。該工程為時(shí)速200 km雙線鐵路無砟軌道橋梁，主橋總體設(shè)計(jì)為雙塔雙索面PC部分斜拉橋；主體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)、梁墩分離；主梁設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力束；橋塔為鋼筋混凝土H形塔；拉索扇形布置、在橋塔處采用交叉錨方式。主梁為單箱雙室變高度直腹板截面，箱梁頂寬13.50 m，底寬11.0 m，中支點(diǎn)截面高9.60 m，邊跨平直段截面高5.60 m，截面高度按二次拋物線變化，箱梁頂板厚35 cm，腹板厚50～90 cm，底板厚50～100 cm；塔橫向布置為H形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高25.0 m(梁頂面起算)，塔柱截面為矩形，其尺寸分別為4.8 m×2.5 m(縱×橫)；斜拉索采用φ15.2 mm的鋼絞線索體、雙索面扇形布置，全橋設(shè)置8對(duì)共32組拉索，梁上拉索水平間距8.0 m。梁體采用懸臂澆筑施工，先合龍邊跨，后合龍中跨。

圖1 鐵路PC部分斜拉橋效果圖

2 橋梁變形分析

為研究橋梁變形，利用有限元法建立全橋模型，梁體、塔、墩身采用空間梁?jiǎn)卧⑺鞑捎描旒軉卧⒒A(chǔ)采用節(jié)點(diǎn)彈簧模擬，并采用平面模型進(jìn)行校核，有限元模型如圖2所示。

圖2 鐵路PC部分斜拉橋有限元模型

2.1 靜活載作用下梁體變形

梁體在靜活載作用的變形見圖3，中跨跨中最大豎向變形為74.3 mm，撓跨比為1/2 369，靜活載作用下梁體撓度見圖3;梁端轉(zhuǎn)角為0.327‰rad。

圖3 靜活載作用下梁體撓度曲線

2.2 溫度作用下梁體變形

本橋考慮的溫度作用包括整體升降溫和非均勻升降溫兩部分，分別為：結(jié)構(gòu)整體升溫按25 ℃考慮，整體降溫按25 ℃考慮；混凝土梁橋面板非均勻升溫按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行；索梁、索塔間溫差按±15 ℃計(jì)算。

從圖4、表1可知，溫度作用最不利組合為：橋面板非均勻升溫+整體升溫+索梁溫差(15 ℃)，最不利組合溫度變形值為25.28 mm。

圖4 溫度作用下梁體撓度曲線

表1 溫度作用下中跨跨中撓度匯總

2.3 梁體殘余變形

以鋪軌時(shí)橋梁變形為基準(zhǔn)，計(jì)算鋪軌后至收縮徐變結(jié)束為止由于收縮、徐變、預(yù)應(yīng)力損失等引起梁體后期變形。大跨度橋梁鋪設(shè)無砟軌道與隧道、路基不同，橋梁在活載作用下的彈性變形以及長(zhǎng)期恒載作用下的變形都會(huì)直接影響到橋上軌道結(jié)構(gòu)的受力、平順性及行車安全。對(duì)于橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)而言，由于沒有道砟來調(diào)節(jié)軌道的高程，無砟軌道的永久變形只能通過扣件進(jìn)行調(diào)整以恢復(fù)其正常的軌道幾何形狀。由于扣件的可調(diào)節(jié)量非常有限，因此要保證軌道的平順性，就必須控制軌道鋪設(shè)后混凝土梁的徐變變形。

收縮徐變對(duì)混凝土橋梁的影響，主要與時(shí)間跨度大小、受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面組成方式，以及施工工藝等因素有關(guān)。設(shè)計(jì)階段分不同施工工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)后期徐變變形計(jì)算，用于指導(dǎo)施工。梁體施工工況見表2。

表2 梁體施工工況

從圖5可知，梁體殘余變形邊跨為上拱、中跨為下?lián)稀；炷翉埨g期同為7 d時(shí)，二期恒載上橋時(shí)間越長(zhǎng)，邊跨中徐變上拱變形越小、中跨中徐變下?lián)献冃卧酱螅换炷敛煌瑥埨g期相比，適當(dāng)增加混凝土張拉齡期，可減小后期徐變殘余變形，工期允許的情況下盡量延長(zhǎng)這個(gè)時(shí)間。結(jié)合不同工況數(shù)據(jù)對(duì)比分析和現(xiàn)場(chǎng)施組安排，推薦對(duì)中跨徐變殘余變形有利的“工況1”，并按推薦施工工況計(jì)算恒載變形、據(jù)此設(shè)置梁體預(yù)拱度。

圖5 不同施工工況下梁體殘余變形曲線

2.4 索對(duì)梁體變形的影響

在梯度升溫工況下，無斜拉索時(shí)，跨中豎向位移為-14.1 mm(向下)；有斜拉索時(shí)，跨中豎向位移為-10.9 mm。

在整體升溫25 ℃，無斜拉索時(shí)，跨中豎向位移為0 mm；有斜拉索時(shí)，跨中豎向位移為-3.8 mm。

在豎向靜活載作用下，無斜拉索時(shí)，跨中豎向位移為-85.4 mm；有斜拉索時(shí)，跨中豎向位移為-74.3 mm，斜拉索提供的豎向剛度約14.9%。

收縮徐變殘余變形，無斜拉索時(shí)，跨中豎向殘余變形為-14.1 mm；有斜拉索時(shí)，跨中豎向殘余變形為-6.9 mm。

從上述分析可知：索對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度貢獻(xiàn)占比約14.9%，對(duì)跨中橋面板非均勻變形抑制約23%，對(duì)跨中收縮徐變殘余變形抑制約50%。故無砟軌道大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用組合結(jié)構(gòu)，對(duì)梁體加勁是有必要的。

2.5 行車動(dòng)力特性仿真分析

對(duì)鐵路PC部分斜拉橋建立了車-橋動(dòng)力相互作用空間分析模型，它由車輛模型和有限元橋梁模型組合而成。對(duì)橋梁的自振頻率進(jìn)行計(jì)算分析，主要計(jì)算結(jié)論如下。

(1)在全部客車工況下，橋梁最大橫向動(dòng)位移僅為0.05 mm(橫向撓跨比約為1/3520 000)，最大豎向動(dòng)位移為11.5 mm(豎向撓跨比約為1/15 304)，最大豎向振動(dòng)加速度為0.075 m/s2，最大橫向振動(dòng)加速度為0.070 m/s2。橋梁橫、豎向振動(dòng)加速度均低于規(guī)范限值，橋梁的動(dòng)力性能良好。

(2)在德國(guó)ICE3型動(dòng)車組、國(guó)產(chǎn)時(shí)速300 km動(dòng)力分散高速列車以及國(guó)產(chǎn)先鋒號(hào)列車以160～240 km/h的速度通過時(shí)，橋梁動(dòng)力性能良好；車輛各項(xiàng)平穩(wěn)性指標(biāo)均為良好以上，表明該結(jié)構(gòu)能較好地滿足設(shè)計(jì)時(shí)速200 km客車運(yùn)營(yíng)安全。

(3)當(dāng)國(guó)產(chǎn)先鋒號(hào)列車以160～240 km/h速度通過橋梁時(shí)，索梁溫差±15 ℃引起的橋面豎向變形對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)、橋上車輛的安全性指標(biāo)、車輛的橫向振動(dòng)加速度、橫向Sperling指標(biāo)影響很小，對(duì)橋上車輛的豎向振動(dòng)加速度及豎向Sperling指標(biāo)略有影響：升溫時(shí)車輛的豎向加速度和豎向Sperling指標(biāo)略有增大，而降溫時(shí)車輛的豎向加速度和豎向Sperling指標(biāo)則略有減小。總體說來，索梁溫差±15 ℃引起的橋面豎向變形對(duì)橋梁的動(dòng)力性能、橋上車輛的運(yùn)行性能影響較小。

2.6 小結(jié)

靜活載作用下中跨中豎向變形-74.3 mm；溫度作用下中跨中豎向最不利組合為：橋面板非均勻升溫+整體升溫+索梁溫差(15 ℃)，最不利組合溫度變形值為-25.28 mm。故按規(guī)范“豎向靜活載+0.5倍的溫度撓度”值為-86.94 mm，撓跨比為1/2 024，表明本橋具有良好的豎向剛度。

梁體在靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角為0.327‰rad，滿足規(guī)范要求。

在推薦施工工況(“工況1”)下，經(jīng)計(jì)算邊跨最大殘余變形5.5 mm，中跨中殘余變形-6.9 mm，均滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)入索梁溫差影響的行車動(dòng)力特性仿真分析，索梁溫差對(duì)橋上車輛的運(yùn)行性能影響較小，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好，能較好地滿足設(shè)計(jì)時(shí)速200 km客車運(yùn)營(yíng)安全需求。

3 橋梁線形施工控制及驗(yàn)證

按理論計(jì)算推薦的施工工況為：懸臂階段混凝土張拉齡期7 d，二期恒載上橋時(shí)間60 d，混凝土彈性模量與設(shè)計(jì)值的比值100%。據(jù)此分析大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁無砟軌道線形控制施工現(xiàn)狀，結(jié)合本橋?qū)嶋H情況，提出一種“無砟軌道單元化、動(dòng)態(tài)化線形控制施工技術(shù)”，克服了常規(guī)的預(yù)壓得出實(shí)測(cè)變形值誤差較大的問題和通過模擬計(jì)算一次澆筑無砟軌道帶來的成本增加和缺少驗(yàn)證環(huán)節(jié)的問題。

3.1 無砟軌道單元化、動(dòng)態(tài)化線形控制施工技術(shù)

該工藝主要內(nèi)容為：加強(qiáng)施工控制(包括材料質(zhì)量控制、實(shí)施質(zhì)量和施工過程施工監(jiān)控控制等)，主要實(shí)施過程分階段，二期恒載單元化實(shí)施，動(dòng)態(tài)化管理和修正線形控制數(shù)據(jù)、過程中消除施工誤差。通過這一系列的施工工藝控制，使得施工立模高程準(zhǔn)確，箱梁受力和線形控制滿足規(guī)范要求，為后期的無砟軌道線形控制奠定了基礎(chǔ)。

“主梁線形控制”，是施工線形控制的首要環(huán)節(jié)，主要控制梁體立模高程、斜拉索張拉力和主梁截面的應(yīng)力，分混凝土澆筑前后、張拉前后、掛籃行走前后、拉索施加拉力前后8個(gè)工況，動(dòng)態(tài)及時(shí)反饋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，修正理論數(shù)據(jù)、減小施工誤差和測(cè)量誤差，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求。

“拉索線形控制”，不僅影響結(jié)構(gòu)受力，也對(duì)橋梁線形影響較大。控制目標(biāo)為：需準(zhǔn)確測(cè)定索力，索力調(diào)整到設(shè)計(jì)允許誤差以內(nèi)。

“二期恒載單元化實(shí)施”，二期恒載分4次實(shí)施，多次通過施工前后的實(shí)測(cè)變形值與理論變形值對(duì)比，驗(yàn)證合龍狀態(tài)下計(jì)算模型的合理性。

(1)“二恒一”是初次驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性。

(2)“二恒二”是進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性和消除懸臂施工過程中梁面高程誤差的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(3)“二恒三”是線形控制末端最重要、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是消除前期各個(gè)階段累計(jì)誤差的最后環(huán)節(jié)、同時(shí)考慮“二恒四”變形值的影響(提前預(yù)留本階段的預(yù)拱度)。該階段將總長(zhǎng)369 m的道床板分7個(gè)各不相等的單元，從單元1到單元7依次施工，施工過程中通過上一單元的實(shí)測(cè)變形值修正下一單元的預(yù)拱度，實(shí)現(xiàn)單元化施工、動(dòng)態(tài)化監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)無砟軌道軌頂高程毫米級(jí)的高程誤差控制。道床板單元?jiǎng)澐质疽馊鐖D6所示。

圖6 道床板單元?jiǎng)澐质疽?單位：cm)

(4)“二恒四”是無砟軌道線形控制的最后一步，通過前期施工對(duì)模型計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正，保證了模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的吻合度，確保無砟軌道施工完成后軌頂高程與設(shè)計(jì)軌頂高程一致。

梁體主要實(shí)施過程及二期恒載分單元實(shí)施內(nèi)容見表3。

表3 梁體主要實(shí)施過程及二期恒載分單元實(shí)施內(nèi)容

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)照分析

全橋二期恒載施工完成后，通測(cè)全橋軌頂高程，與設(shè)計(jì)軌頂高程相對(duì)比，檢驗(yàn)無砟軌道單元化、動(dòng)態(tài)化線形控制施工的精度。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)主梁豎向變形理論值與實(shí)測(cè)值最大誤差：“二恒一”最大值為0.78 mm(圖7)；“二恒二”最大值為1.07 mm(圖8)；“二恒三”最大值為0.78 mm；“二恒四”中“單元1”為0.28 mm、“單元2”為2.9 mm、“單元3”經(jīng)修正后為0.4 mm、“單元4”為0.2 mm、“單元5”為0.3 mm、“單元6”為0.6 mm、“單元7”為0.1 mm(圖9)。

圖7 “二恒一”施工完主梁變形對(duì)比

圖8 “二恒二”施工完主梁變形對(duì)比

圖9 “單元七”主梁變形對(duì)比圖施工完主梁變形對(duì)比

“單元2”理論計(jì)算變形值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形值不吻合。從測(cè)量、施工、計(jì)算多角度分析，最終發(fā)現(xiàn)計(jì)算荷載與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工荷載不一致，對(duì)后續(xù)施工單元按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際荷載計(jì)算、修正模型，修正后的各階段誤差均滿足要求。

無砟軌道施工完，施工線形與設(shè)計(jì)線形之間的差值絕大部分在2 mm以內(nèi)，見圖10。

圖10 全橋軌面設(shè)計(jì)理論誤差與實(shí)際誤差對(duì)照散點(diǎn)

綜上，表明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工完成后理論值與實(shí)測(cè)值基本吻合，達(dá)到控制目標(biāo)。可判定通過單元化施工、動(dòng)態(tài)化監(jiān)控，該橋無砟軌道實(shí)現(xiàn)了橋梁線形誤差控制在毫米級(jí)的要求，同時(shí)也驗(yàn)證了該工法的可行性，為后續(xù)的大跨度橋梁無砟軌道施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語

針對(duì)鐵路無砟軌道PC部分斜拉橋線形控制的問題，為研究橋梁變形，利用有限元法建立全橋模型進(jìn)行計(jì)算分析，并聯(lián)合施工方進(jìn)行施工控制技術(shù)研究，得到如下結(jié)論。

(1)通過對(duì)東平水道鐵路PC部分斜拉橋變形分析，提出了合理的推薦施工方案，為后續(xù)施工方案的確定起到指導(dǎo)作用。

(2)通過計(jì)算對(duì)比分析，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)鋪設(shè)無砟軌道采用組合結(jié)構(gòu)是合理的；鐵路PC部分斜拉橋動(dòng)力性能良好；拉索作用顯著，增大了結(jié)構(gòu)跨越能力，有效提高了結(jié)構(gòu)剛度，抑制了結(jié)構(gòu)變形；合理的設(shè)計(jì)方案為高速鐵路無砟軌道的鋪設(shè)提供了良好的技術(shù)條件。

(3)通過“無砟軌道單元化、動(dòng)態(tài)化線形控制施工技術(shù)”的實(shí)施，提高了施工精度，相比傳統(tǒng)工法消除了預(yù)壓誤差，避免了工況間的相互干擾，通過分階段施工、動(dòng)態(tài)化監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了無砟軌道精度精細(xì)化控制；節(jié)約了成本，該工法取消了預(yù)壓模擬，為項(xiàng)目建設(shè)節(jié)約了成本。