高速铁路混凝土梁式桥预拱度设置的探讨

乔晋飞

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

铁路桥梁的预拱度由两部分组成：恒载预拱度和活载预拱度。活载预拱度是将轨道结构随梁体一同设置1/2静活载的预拱度，列车经过时轨面只产生一半的活载下挠量(相对设计标高)，使运营线路更加平顺。实际高速铁路混凝土梁式桥的轨道结构是按照线路设计纵断面进行施工的，轨面并未平行与梁面设置活载预拱度。许多工程师提出高速铁路混凝土梁式桥不应再按照规范要求设置活载预拱度，只需设置恒载预拱度即可。原因是混凝土梁式桥的竖向刚度较普通铁路梁式桥增大较多，混凝土梁式桥的体量相应增大，活载产生的位移比恒载产生的位移小。基于此，本文将列车荷载假设为静荷载，不考虑其动效应，对高速铁路混凝土梁式桥的预拱度设置进行深入的分析和探讨，对是否设置预拱度提出建议，并对特大跨度桥梁预拱度设置进行简要分析。

1 规范中的预拱度设置要求及分析

铁路桥梁设计规范中关于预拱度的设置，TB 10002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》[1]沿用了TB 10002.3—99《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》的规定[2]：“当桥跨结构恒载及静活载引起的竖向挠度大于15 mm或跨度的 1/1 600 时，应设置其值为恒载和1/2静活载挠度的预拱度”。目的是保证桥梁建成后梁体跨中(包括桥梁上的轨面)可维持半个活载挠度的上拱度，如图1所示。列车经过时桥梁及轨道只产生1/2静活载的挠度，线路不会产生过大的下挠不平顺。从侧面观察梁体也不会产生明显的“塌腰式”下挠[3-4]，视觉上能给人安全感。

图1 设置活载预拱度

一般梁式桥设置预拱度的目的主要是考虑视觉和心理上的感受[3-4]。因为列车上桥后，列车荷载产生的结构变形量是客观存在的，与是否设置预拱度无关，轨道结构竖向变形幅度与桥梁结构相同。TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[5]中对预拱度设置没有专门的规定，过去的高速铁路桥梁设计中均按照TB 10002.3—2005执行。但TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[6]发布后，对TB 10002.3—2005中的预拱度设置进行了修订，具体规定如下：“有砟轨道的桥跨结构恒载及静活载引起的竖向挠度大于15 mm或跨度的 1/1 600，无砟轨道的桥跨结构恒载及静活载引起的竖向挠度大于5 mm时，桥跨结构应设置预拱度，其曲线与恒载及1/2静活载所产生的挠度曲线基本相同，但方向相反”。TB 10092—2017中，对有砟轨道桥梁与无砟轨道桥梁预拱度设置的前提条件进行了区分，体现了对无砟轨道桥梁线形更为严格的要求。实际在梁式桥上铺设线路时是按照线路设计纵断面的标高进行铺设的，线路的平顺性与梁面的平顺性没有直接的关系。TB 10092—2017编制时是否有必要改变无砟轨道桥梁预拱度设置的前提条件值得商榷。

2 活载预拱度的作用

活载预拱度的作用是当列车经过时使轨面相对于设计标高只产生一半的活载下挠量，保证运营线路更加平顺，同时使梁体不产生明显的下挠，给人以安全感。其实更主要的是出于后者的考虑，因为轨面的平顺不是“绝对平顺”，而是“动态平顺”。只要列车经过时轨面曲率在一定范围内，就能满足列车运营安全性和旅客乘坐舒适性的要求。假设桥梁为刚体，轨道结构按照设计的线路纵断面铺设(本文不考虑线路平面问题)，即轨面达到设计标高后，列车经过时轨面高程不会发生变化(实际轨面是会发生弹性变形的)，轨面始终保持在理想的设计位置，线路处于绝对平顺状态。实际上由于桥梁不是刚体，列车经过时必然发生竖向挠曲变形，附着在桥面上的轨道结构也会随同桥面发生相应的挠曲(主要指下挠)，如图2所示。然而，即使设置了活载预拱度，也不能保证列车经过桥梁时轨面处于绝对平顺状态。

图2 不设置活载预拱度

3 轨道铺设与活载预拱度设置的矛盾

由于实际轨道结构施工时是按照线路设计纵断面的标高进行施工的[7](特大跨度桥梁除外)，因此无论桥梁结构设置了何种预拱度，轨道结构施工时都通过道砟(有砟轨道)或底座板(无砟轨道)将轨面调整至设计标高，轨面与梁面并不平行(特大跨度桥梁除外)。桥梁工程师设置的1/2静活载预拱度并没有真正体现在轨面上，反而减小了桥梁跨中道砟或底座板的厚度。因为轨面高程没变，铺轨前梁体已向上拱起，如图3所示。列车经过时轨面随梁体下挠，轨面高程偏离设计纵断面位置，偏离量不是1/2静活载的下挠量，而是1倍静活载的下挠量，说明活载预拱度对线路平顺性没有产生作用。不过实践证明，这种线路随梁体产生的动态挠曲变形量仍满足高速铁路列车运营安全性和旅客乘坐舒适性的要求。

图3 轨面未设置预拱度

若只设置恒载预拱度，不设置1/2静活载预拱度，列车经过时轨面下挠量与图3中轨面下挠量相同，也是1倍静活载的下挠量，可以满足运营要求。同时，此种方法还能避免出现图3中跨中道砟或底座板太薄的问题，使道砟厚度与底座板厚度均能按照设计要求进行施工，不必根据实际情况进行调整。 另外，高速铁路ZK列车荷载图式静效应与实际动车组静效应差别较大，实际动车组较轻，实车产生的静活载挠度要比ZK静活载挠度小得多。若按规范要求采用“恒载+1/2 ZK静活载”设置预拱度，那么在实际工况中预拱度设计偏高。因此，许多高速铁路梁式桥设计中均未设置活载预拱度，只是设置了恒载预拱度。理论分析及运营实践均证明高速铁路梁式桥不设置活载预拱度是可行的。

4 特大跨度桥梁预拱度的设置

对于特大跨度桥梁，如我国已建成的多座跨越长江的高速铁路桥梁，其静活载产生的挠度较大。桥梁设置恒载、活载预拱度后，桥面高程已高于设计轨面高程，线路铺设时只能平行桥面铺设，轨道结构与梁体一同设置了活载预拱度。实践证明，只要线路铺设时满足轨道静态验收标准中的平顺性要求，桥梁动力仿真满足规范要求，轨道铺设时轨面是否随同梁面一同设置预拱度，是否与线路设计高程完全一致，以及运营时线路高程随同桥梁发生何种动态变形，都不会影响高速列车运营安全性和旅客乘坐舒适性。

5 结论

1)对于一般高速铁路混凝土梁式桥，建议不设置活载预拱度。

2)是否设置活载预拱度，与静活载产生的绝对位移量及静活载挠跨比有关，建议作深化研究，在规范中明确设置活载预拱度的前提条件。

3)桥梁规范中有预拱度设置的规定，但线路规范并未与之相协调，导致不论桥梁是否设置活载预拱度，轨面施工时均未考虑。桥梁活载预拱度并未起到使运营线路更加平顺的作用，建议线路规范中应增加预拱度设置的规定，与桥梁规范相协调。