沪昆高铁北盘江特大桥铺设无砟轨道适应性研究

谢海清,徐 勇,陈 列,黄 毅

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 工程概况

北盘江特大桥是沪昆高铁跨度最大的重点桥梁工程，设计行车速度350 km/h，主桥为跨度445 m上承式钢筋混凝土拱桥，为目前世界最大跨度的钢筋混凝土拱桥。引桥及拱上结构为：1-32 m预应力混凝土简支箱梁+(2×65 m+8×42 m+2×65 m)预应力混凝土刚构连续梁+2×37 m预应力混凝土连续梁，总体布置如图1所示[1]。

图1 北盘江特大桥总体布置(单位：cm)

主桥拱圈拱轴线采用悬链线，跨度445 m，矢高100 m，矢跨比1/4.45，拱轴系数采用1.6；拱圈为单箱三室、等高、变宽箱形截面。交界墩墩高102 m，拱上最高墩墩高58.7 m，均采用双柱空心刚架墩。桥址区年均气温15～18 ℃，极端最高气温32.6 ℃，极端最低气温-4 ℃；月平均气温最高出现在7月份，达23.4 ℃，月平均气温最低出现在1月份，为5.8 ℃[2-3]。

2 研究思路

沪昆高铁设计最高行车速度为350 km/h，要求全线铺设无砟轨道。而北盘江特大桥主跨达445 m，国内外目前没有在此类大跨桥梁上铺设无砟轨道的先例。本文从我国《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)(以下简称“规范”)的各项技术条件出发，探讨北盘江桥铺设无砟轨道的适应性，并通过桥梁安装的沉降观测系统来验证本文计算结果[4-5]。

3 竖向变形要求

3.1 活载、系统温差作用下梁体竖向挠度

大跨度桥梁上铺设无砟轨道对桥梁的竖向刚度提出了更高的要求，列车通过桥梁结构时，将使桥梁产生竖向变形，从而导致轨道不平顺，影响列车行驶的安全性和舒适性。目前各个国家对桥梁竖向挠度的限值稍有不同[7]。表1为我国规范对高速铁路桥梁竖向挠度的限值要求[6]。

表1 梁体的竖向挠度限值

中国规范对于时速350 km大跨度桥梁的竖向挠度限值为L/1 500，对于多跨桥限值为L/1 650。

为尽量减小活载和系统温差下的桥梁变形，北盘江特大桥全部结构均采用了受温度影响小的混凝土结构，梁部则采用了刚度较大的预应力混凝土箱梁。该桥在ZK活载作用下的梁体自身竖向挠度变形汇总见表2。

表2 梁部自身竖向变形 mm

由表2可知，梁体自身竖向变形满足我国规范的要求。但对于拱桥，梁部变形还应考虑拱圈温度引起的整体变形的影响，结合桥位气温，考虑温度作用降温8.8 ℃、升温15 ℃的组合为：组合1，ZK竖向静活载+0.5×温度引起的挠度值；组合2，0.63×ZK竖向静活载+温度引起的挠度值。

由表3可知，本桥整体竖向变形远小于规范限值。ZK活载竖向位移最大值发生在主拱1/4跨处，温度变形亦为该部位的计算值。

表3 考虑主拱温度影响的梁体竖向变形

3.2 桥梁长期竖向变形

为保证线路的平顺，设计需对桥面无砟轨道铺设完成后的残余变形进行控制。我国《高速铁路设计规范》主要适用于跨度96 m以下的预应力混凝土梁，其控制值为L/5 000。北盘江桥梁部自身残余徐变变形见表4。

表4 梁部自身残余徐变变形汇总 mm

从表4可知，梁体自身残余变形值均远小于规范限值。但对于主跨达445 m的大跨度混凝土拱桥来说，其轨道铺设完成后，桥梁残余变形还受主拱残余徐变、系统温度等荷载的影响。规范控制梁部残余徐变变形是从保证轨道运营阶段的平顺性为出发点而提出的，对北盘江特大桥此类复杂桥梁结构，除控制梁部的残余徐变变形外，还应对其整个拱桥跨度下的桥梁竖向残余变形进行控制。

本桥铺轨后的整体残余竖向变形，应包含拱圈整体温度变形和拱圈工后徐变变形两部分；如参照L/5 000控制，在两种变形组合下，采用两侧交界墩的跨度467.8 m，拱顶下挠值Δ不能超过467 800/5 000=93.6 mm。铺轨后主拱残余竖向变形见表5。

表5 铺轨后主拱残余竖向变形 mm

由表5可知：拱顶上挠变形满足要求，拱顶下挠变形超过了L/5 000限值。因此，设计考虑在拱上梁设置调高支座可将徐变引起的桥面变形回调。拱桥整体升、降温变形无法调节，当剔除温度变形后，只要将拱圈残余徐变变形控制在(93.6-49) mm=44.6 mm以下即可满足要求[7-9]。

4 梁端转角变形及拱上结构优化

对梁桥来说，梁端转角主要由活载作用产生，但是对上承式拱桥来讲，拱圈在温度变化及长期徐变变形情况下，都会引起拱上梁的上抬、下挠变形，变形传递至梁部，就会在拱上梁缝处集中释放，从而产生较大的梁端转角。

4.1 梁端转角变形

在北盘江特大桥初步设计阶段，根据桥上轨道结构的纵向受力要求，将拱上梁的温度联长控制在200 m以内，因此就必须要将拱上梁断开，分成多联。因此设计分别研究了在拱上1号墩至拱上5号墩处设置断缝的情况，得到拱上梁由于活载、主拱残余收缩徐变、系统温度作用下的梁端转角，见表6。

表6 残余徐变、温度变化和活载联合作用下的梁端转角 ‰

同时考虑收缩徐变、温度变化，ZK活载联合作用下，拱上梁端转角合计最大值为拱上1号墩柱处设置梁缝，其梁端转角合计为3.592‰，最小为在拱上5号墩柱处设置梁缝，其两端转角合计为2.077‰，都超过了无砟轨道2‰限值，不满足规范相关要求。

4.2 拱上结构优化

本桥初步设计阶段考虑在拱上1号墩柱处设置梁缝，在施工图阶段为彻底消除梁端转角的影响，设计研究采用了将拱上梁做成一联，不设梁缝的方案，即将拱上梁做成一联(2×65 m T构+8×42 m+2×65 m T构)的刚构-连续组合梁。该结构方案，全桥只有引桥4道梁缝，拱上梁不设梁缝，彻底解决了拱上梁梁端转角变形超标的问题。同时，拱上结构形成一联之后，桥面长期变形的不平顺折点消除，梁部的横、竖向刚度进一步提高，大桥的行车条件和性能更佳[10-11]。

由此带来的不利影响为：(1)拱上梁部连通后，梁部一联总长度599.6 m，温度联长为331.7 m，需对桥上无缝线路纵向力重新进行检算；(2)梁部成为12跨一联的长联刚构-连续组合桥，主梁混凝土温度变化和长期徐变的梁长变化无法释放，要由两侧交界墩承受，如此将对两岸2号、3号交界墩产生较大的水平位移和水平推力。经检算，拱上梁部连通后，轨道无缝线路受力、交界墩受力及主梁结构受力均满足相关规范要求，拱上梁连通方案可行[12-14]。

5 车桥耦合动力分析结果

列车通过桥梁引起横向振动的因素较竖向复杂，目前各国对横向刚度评价指标的规定也不一致，设计一般采用车桥耦合动力仿真分析来检算桥梁是否满足列车高速行驶的安全性和舒适性的要求。

本桥初步设计阶段就委托中国铁道科学研究院进行车桥分析，将主拱在徐变和温度变形叠加而成的桥面变形作为初始输入条件，检算结果为：除CRH2动车组和国产高速列车通过时出现脱轨系数和轮重减载率超限外，旅客列车在设计速度范围内及检算速度(420 km/h)范围内通过桥梁时，桥梁的各项动力响应以及列车的安全性和乘坐舒适性均满足设计要求，无需限速。经过分析，加速度异常导致的脱轨系数和轮重减载率超限，是由于初步设计方案在交界墩T构和拱上连续梁之间的梁缝(拱上1号墩柱处梁缝)导致的轨道不平顺造成。在施工图阶段取消拱上梁缝后，重新进行车桥耦合仿真分析，桥梁及车体的各项指标均满足列车按350 km/h运行时安全性和舒适性的要求。

6 联调联试TQI值

2016年9月，中国铁道科学研究院对北盘江特大桥进行了联调联试，表7为测试动车组以333 km/h速度通过大桥时的轨道不平顺及质量指数。结果表明，北盘江特大桥轨道不平顺质量指数TQI值远小于管理值，平顺度好[15-16]。验证了取消拱上梁缝后，桥面更为平顺的结论。

表7 北盘江特大桥联调联试TQI数据

7 结论

(1)北盘江特大桥在优化拱上结构和设置调高支座后，其竖向变形、梁端转角及动力响应等各项指标，均满足我国现行规范桥梁铺设无砟轨道的技术条件，桥梁平顺性好。

(2)通过北盘江特大桥拱上梁安装的沉降观测系统，实测通车1年周期内桥面在系统温度和主拱残余徐变共同作用下，最大竖向位移-114.2 mm，小于本文理论计算变形值-154.6 mm，其主要原因是实测的-114.2 mm变形值为通车1年内，主拱徐变还未完成。如理论计算采用与实测一致的时间，得到主拱的残余徐变下挠最大值为73 mm，叠加系统温度变形后为-122.0 mm，与实测的-114.2 mm基本吻合，从而验证了本文计算的正确性。