高速铁路大跨度桥梁温度作用下轨道静态平顺性能分析

翟建平，徐升桥，任为东

(1.南广铁路有限责任公司，南宁 530022；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)



高速铁路大跨度桥梁温度作用下轨道静态平顺性能分析

翟建平1，徐升桥2，任为东2

(1.南广铁路有限责任公司，南宁 530022；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

以南广铁路主跨450 m的西江特大桥为工程背景，结合工务部门的轨道实测高程数据，对西江桥的轨面静态不平顺进行分析。结果表明，较大的温度变形并不是造成轨道静态尺寸不达标的原因，只要在轨道精调阶段摸清桥面温度变形特点，控制好轨道调整精度，就可以满足轨道高低偏差管理值要求。

高速铁路；桥梁；有砟轨道；轨道不平顺；温度变形

1 工程概况

南(宁)至广(州)铁路设计速度为250 km/h。其中跨越西江处的西江大桥全长618.3 m，桥跨布置为(41.2+486+49.1) m钢箱提篮拱桥+1-32 m预应力混凝土简支箱梁。主跨为中承式拱桥，拱脚中心间距450 m，拱肋为钢箱结构，其450 m跨径，属目前世界同类铁路钢拱桥最大跨度。

本桥设计为双线有砟轨道，线间距为4.6 m。线路平、纵断面设计为直线、平坡，正线轨道设计为跨区间无缝线路，有砟轨道[1]。

全桥立面见图1。

2 大跨度桥梁温度变形对车辆运营的影响分析

图1 全桥立面(单位：cm)

大跨度桥梁结构的温度变形比活载引起的结构变形还大。温度变形只与结构的材料、长度、结构刚度有关，大跨度铁路桥梁结构一般都会允许结构在温度荷载作用下发生较大的变形以释放温度内力。对于梁式桥，其梁体本身在整体升降温时只产生纵桥向的伸缩变形，竖向不会发生变形，但是大跨度梁式桥为加大跨度，一般都通过拉索体系进行跨中支撑，而索体在温度荷载下产生的变形改变了梁体的竖向约束条件，这时梁体同样会产生较大的竖向变形；对于拱式结构为受力主体的桥梁，由于拱在温度荷载下的变形特点，纵桥向由于拱脚约束不会产生变形，变形便发生在竖桥向。如武汉天兴洲公铁两用桥在斜拉索单独降温10 ℃时，主跨跨中即可产生80 mm向上的竖向位移，京沪高速铁路大胜关大桥主桥体系升温10 ℃，跨中桥面产生40 mm的向上位移。西江桥的受力体系为无铰拱，根据计算环境温度升(降)温1 ℃时，跨中桥面变形为+5.72 mm(-5.72 mm)。虽然温度荷载下大跨度桥都会产生较大的温度变形，但是由于结构的受力特点，大跨度桥梁的温度变形曲线都为一圆滑的竖曲线。

以南广西江桥为例，虽然温度变形很大，但是温度变形对桥面竖曲线的影响却很小。西江桥拱顶升温20 ℃时的跨中桥面最大变形为5.72×20=114.4 mm，线路设计为平坡，由于温度变形引起线路在桥上产生竖曲线，根据变形值，计算其竖曲线半径R=222 039 m，远大于规范中250 km/h设计速度的竖曲线半径限值要求。规范[2]条文说明5.3.4中解释：线路竖曲线半径由旅客舒适度要求控制，即受列车运行于竖曲线产生的竖向离心加速度a限制的最小竖曲线半径为：R≥V2/(3.62a)。其中，a为乘客舒适度允许的竖向离心加速度，根据国外高速铁路经验取值，一般情况下为0.4 m/s2，困难时满足0.5 m/s2，相应地R≥0.193v2或R≥0.15v2，这也是现行高速铁路设计规范中竖曲线半径下限值取值的依据。可见，即使考虑温度变形对西江桥桥面纵断竖曲线的影响，由此产生的列车竖向离心加速度也远远小于舒适度允许的0.4 m/s2。

假设西江桥的理论轨面竖曲线半径按25 000 m设置，满足规范的最小要求，考虑升温变形叠加后的竖曲线半径变为22 460 m。进一步分析，考虑温度变形对轨面竖曲线的影响，只要西江桥桥面上的竖曲线半径设置大于28 000 m，就可以满足旅客舒适度的要求，这也从西江桥车桥耦合分析结论[3]和动态联调联试中列车的最高运行速度得到了验证。

大跨度桥梁一般情况下线路都位于平坡或大半径竖曲线上，所以对于大跨度桥梁虽然温度变形大，但是由于温度变形产生的桥面竖向曲线都为一圆滑曲线，所以温度变形对于高速列车运行不会产生不利影响。

3 实测轨面高程分析

3.1 实测轨面高程的动态性能分析

根据对桥梁在温度荷载作用下的变形分析可得出不同环境温度下的理论轨面高程，但由于实际桥梁跨度大、结构复杂，不同部位所处的日照、风吹等外部环境不同，且实际温度场情况非常复杂，致使实测高程与理论高程可能产生差异。

2014年11月对试运行阶段的西江特大桥跨中桥面高程进行了十多天的连续测量，其中夜间的实测高程和计算值最大偏差值11.9 mm，白天测量的最大偏差22 mm，在此情况下试运营期间动态检测车最高速度达到272 km/h[4]，各项实测指标均合格，实验表明西江特大桥的行车性能完全满足设计要求。工务部门2015年4月28日和5月22日两次对西江桥轨面高程的实测数据与计算值最大偏差为23.1 mm，但实测高程变化趋势同理论分析基本一致。考虑到高程测量误差、实际环境温度场同计算温度可能产生的差异，最大差值23.1 mm属于正常范畴。但是从轨道高程实测结果的曲线分析，曲线上有较为明显的不平顺，在后面的对轨面高程偏差验收的分析中，可见不满足静态尺寸控制管理值的点正是位于曲线不平顺的位置。

依据广铁集团工务部门和设计单位实测的桥梁轨面变形，进行了动态模拟分析，分析结果表明各项指标均满足时速250 km的行车要求[3]。

3.2 轨道高低静态几何尺寸容许偏差分析

对于实测轨面高程与对应环境温度下理论高程的差异，可按照高速铁路有砟轨道线路维修规则[5]中相应条款对轨面高程容许偏差进行管理。如表1、表2所示。

(1)轨道静态高低尺寸容许偏差分析(图2)

表1 轨道静态高低尺寸容许偏差管理值

注：高低偏差为10 m及以下弦测量的最大矢度值。

表2 轨道静态几何尺寸长弦测量作业验收容许偏差管理值

注：当弦长为30 m时，相距5 m的任意两测点实际矢度差与设计矢度差的偏差不得大于2 mm；当弦长为300 m时，相距150 m的任意两测点实际矢度差与设计矢度差的偏差不得大于10 mm。

图2 实测轨道高程静态高低尺寸容许偏差分析

其中典型不平顺点1(运营里程K469+120，设计里程IDK378+529.2，近小里程拱脚)的最大矢度为2 mm；典型不平顺点2(运营里程K469+250，设计里程IDK378+659.2，小里程拱脚与拱顶中间位置)的最大矢度为1.5 mm；典型不平顺点3(运营里程K469+360，设计里程IDK378+769.2，拱顶往大里程29 m)的最大矢度为2.1 mm；典型不平顺点4(运营里程K469+560，设计里程IDK378+969.2，近大里程拱脚)的最大矢度为1.7 mm；典型不平顺点5(运营里程K469+600，设计里程IDK379+009.2，2号墩与3号墩中间位置)的最大矢度为1.0 mm。

以上典型不平顺点的最大矢度均小于3 mm，满足轨道静态高低尺寸容许偏差管理值的作业验收要求。

(2)轨道静态几何尺寸长弦测量作业验收容许偏差管理值分析

①当弦长为30 m时，相距5 m的任意两测点实际矢度差与设计矢度差的偏差不得大于2 mm。

②当弦长为300 m时，相距150 m的任意两测点实际矢度差与设计矢度差的偏差不得大于10 mm。

图3 轨道静态几何长弦实测轨道容许偏差分析(点1)

从图3～图7的轨道测量结果分析，实测轨道高程均无法满足轨道静态几何尺寸长弦测量作业验收容许偏差管理值，但超出管理值不多。产生偏差的主要原因是因为全桥个别点不平顺引起，而由于桥面的温度变形是平滑的，所以实测轨道高程的不平顺只可能是由于前期轨道调整时个别点施工误差引起的。

图4 轨道静态几何长弦实测轨道容许偏差分析(点2)

图5 轨道静态几何长弦实测轨道容许偏差分析(点3)

图6 轨道静态几何长弦实测轨道容许偏差分析(点4)

图7 轨道静态几何长弦实测轨道容许偏差分析(点5)

4 西江桥轨道静态几何尺寸对列车运营影响分析意见

(1)推力拱桥由于结构受力的特点，在温度变化时拱肋发生较大的位移，从而引起轨面高程发生变化，但是由于温度产生的结构位移为圆顺变化，从而反映到桥面上也只是对原轨面竖曲线的半径带来影响，但是此影响相当有限，以主拱跨度450 m的南广西江桥为例，如果拱肋范围内桥面设置竖曲线半径为25 000 m，则竖曲线的理论矢高为1.0125 m，而拱肋整体升温20 ℃的跨中处桥面向上变形值仅为0.114 m，由此竖曲线变化后的曲线半径为22 460 m，所以只要

拱桥范围内的理论轨面竖曲线设置半径大于28 000 m，则即使考虑拱肋温度变形，轨面竖曲线仍可满足舒适度要求。所以温度变形对于大跨度桥梁的桥面竖曲线影响很小，也不会降低列车运营的舒适度。

(2)按照高速铁路有砟轨道线路维修规则[5]轨道静态几何尺寸容许偏差管理值要求，分析工务部门提供的轨面实测高程，可以满足维修规则要求。

(3)按照高速铁路有砟轨道线路维修规则[5]中轨道静态几何尺寸长弦测量作业验收容许偏差管理值要求，分析工务部门提供的轨面实测高程，个别平顺性较差的点比容许值偏大，但偏差值超出容许值不多，只要调整轨面高程曲线至较为圆顺，即可满足要求。

(4)经过动态联调联试及考虑实际轨面高程曲线作为轨道不平顺进行的列车走行性分析表明，即使实测轨面高程的静态长波不平顺超出目前轨道维修规则的管理限值，但仍然可以满足列车在设计时速下的运营安全和舒适性需要。

5 结语

(1)大跨度桥梁较大的温度变形并不是造成轨道静态尺寸不达标的原因，在桥面轨道精调时，只要根据温度变形特点，设定好不同环境温度下的轨道调整目标值，将轨道高程调整为圆顺曲线，即使是较难控制的静态长弦不平顺也可以满足管理值要求。

(2)随着国内铁路建设发展，桥梁跨度越来越大，最大铁路桥梁主跨已经突破1 000 m。在拱桥桥型方面，除了南广铁路西江大桥主桥计算跨度450 m外，还有即将建成通车的云桂铁路南盘江大桥主跨416 m、沪昆客专北盘江大桥主跨445 m[6-9]。由于桥梁跨度增加，桥面变形对温度变化更敏感。相关科研机构应通过进一步研究轨道不平顺对列车运行的影响，提出适合高速铁路大跨度桥梁的轨道静态平顺性能控制指标。

[1] 翟建平.南广铁路西江特大桥有砟轨道静态调整技术[J].铁道标准设计，2016(10)：40-44.

[2] 国家铁路局.TB10621—2014高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[3] 中南大学土木工程学院.南广铁路肇庆西江特大桥动力特性及列车走行性分析报告[R].长沙： 中南大学土木工程学院， 2015.

[4] 中国铁道科学研究院.南广铁路梧州南至广州南段动态检测报告[R].北京：中国铁道科学研究院，2014.

[5] 中国铁路总公司.TG/GW116—2013高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[6] 中铁工程设计咨询集团有限公司.大跨度中承式钢箱拱桥建造关键技术研究[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2011.

[7] 翟建平.肇庆西江特大桥动力特性分析[J].铁道科学与工程学报，2011(6)：13-17.

[8] 张华，徐升桥，彭岚平.南广铁路西江特大桥总体设计[J].钢结构，2015(4)：17-21.

[9] 徐升桥，彭岚平，张华.南广铁路西江特大桥的技术创新[J].铁道标准设计，2013(2)：50-57.

Static Irregularity Analysis of High-speed Railway Long-span Bridge Track under Temperature Load

ZHAI Jian-ping1， XU Sheng-qiao2， REN Wei-dong2

(1.Nanning-Guangzhou Railway Co.， Ltd.， Nanning 530022， China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

With reference to Nan-Guang railway Xijiang bridge of 450 m main span and based on the data of the railway track elevation measured by the works department， this paper studies the Xijiang bridge track static irregularities. The results show that the bigger temperature deformation accounts nothing for the failure to meet track static dimension standard and the track elevation can be controlled once the bridge deck deformation characteristics are investigated during track adjustment phase and track adjustment precision is controlled．

High-speed railway; Bridge; Ballasted track; Track irregularity; Temperature deformation

2016-07-04

铁道部科技开发计划项目重大课题(2009G004-A)

翟建平(1966—)，男，高级工程师，1989年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业，工学学士。

1004-2954(2016)11-0030-03

U441

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.008