大跨度梁拱组合桥上无砟轨道板立模标高的确定及影响因素分析

王典斌

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

近年来随着铁路建设的快速发展，无砟轨道得以广泛应用［1]。国内外学者对无砟轨道板的线形控制、桥梁预拱度的设置等作了大量研究。杨艳丽等［2]提出通过调整底座板和自密实混凝土层厚度控制桥上无砟轨道线形的方法。王安琪等［3]分析发现桥梁预拱度的设置和轨道二期铺装会影响桥梁上轨道的高低。张鹏飞等［4]分析了车载作用长度等因素对无砟轨道及桥梁结构的挠曲力与位移的影响。陈嵘等［5]分析了温度荷载下纵连板式无砟轨道梁轨耦合作用规律。Sheng等［6]研究发现随着疲劳后荷载的增加，无砟轨道的荷载-位移曲线和荷载-压力曲线表现出明显的非线性。朱志辉等［7]通过计算不同荷载作用下CRTSⅠ型无砟轨道和桥面板的竖向位移曲率、轨道层间压缩量和梁端转角，分析了无砟轨道与大跨度斜拉桥间的变形适应性。许振楠等［8]分析了线性与非线性温度梯度荷载作用下无砟轨道板的变形差异，发现轨道板顶面温度越高轨道板变形差异越小。李国龙等［9]研究表明，桥梁活动支座上底座与下底座互相摩擦时，在温度荷载作用下轨道板会发生翘曲，影响行车安全性和乘坐舒适性。张捍东［10]建立了大跨度斜拉桥上无砟轨道精细化模型，分析了不同荷载作用下大跨度桥上无砟轨道纵向力。左家强［11]研究了不同桥梁结构体系在温度荷载作用下产生的竖向变形，发现有效消除梁体收缩徐变及温度变形后的桥梁结构更容易满足无砟轨道平顺性的要求。

以往研究集中于无砟轨道施工技术、轨道力学性能、轨道线形等，较少涉及无砟轨道板铺设时立模标高的相关问题。本文以新建川南城际高速铁路大跨度梁拱组合桥为工程背景，采用MIDAS/Civil软件建立有限元模型，提出无砟轨道板铺设过程中立模标高的确立方法，并分析无砟轨道板模拟方式、铺设顺序、存梁时间等因素对无砟轨道板立模标高的影响。

1 大跨度梁拱组合桥有限元模型的建立

新建川南城际高速铁路大跨度梁拱组合桥跨径布置为（64+128+64）m，采用预应力混凝土连续梁-拱组合体系。主梁为单箱单室变截面箱梁，采用C55 混凝土，桥墩采用C50 混凝土。箱梁顶板宽11.2 m，跨中处梁高3 m，拱座处梁高7 m。拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，截面高度2.8 m，拱肋弦管直径0.8 m，拱肋设计矢高25.6 m，拱肋中心线矢跨比1/5。钢管及拱肋横向连接系采用Q345qD 钢材，拱肋内采用自密实补偿收缩C50混凝土。采用空间桁架横撑，钢管内部不填充混凝土。

全桥共设28 根吊杆，采用抗拉强度标准值为1860 MPa的GJ15-19型钢绞线，吊杆顺桥向间距8.0 m，采用CRTSⅢ型无砟轨道板。桥梁立面如图1所示。

图1 桥梁立面（单位：cm）

采用MIDAS/Civil 软件建立桥梁-轨道板有限元模型，其中主梁、拱肋、吊杆横梁和横撑采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉桁架单元模拟。全桥共设有50块无砟轨道板，轨道板之间留有70 mm 伸缩缝。为便于分析，采用梁单元或板单元离散轨道板结构，单块轨道板划分为一个梁单元或板单元。轨道板节点与主梁对应节点设为刚性连接。拱脚和主梁为共节点连接，主梁采用连续梁支座形式设置约束条件。全桥有限元模型共计757个节点，928个单元，如图2所示。

图2 梁拱组合桥有限元模型

2 无砟轨道板立模标高的确定方法

无砟轨道板的铺设过程类似于桥梁悬臂施工过程，后续铺设的轨道板自重会对已铺设轨道板产生影响，再结合混凝土收缩徐变、温度等因素的影响，无砟轨道板的立模标高须在设计标高的基础上设置一定量的预抛高值，即

式中：f立模i，f设计i，δ△i分别为第i块轨道板的立模标高、设计标高和预抛高值。

无砟轨道板的预抛高值由后续铺设的轨道板自重、混凝土收缩徐变、温度等因素影响产生的变形值反算得到。即

式中：lij为在第j块轨道板自重作用下第i块轨道板的变形值；n为轨道板总块数；ui为混凝土收缩徐变、温度等荷载作用下第i块轨道板的变形值。

依据桥梁有限元模型，仿真模拟无砟轨道板的铺设过程，根据其施工工序划分施工阶段。由最后施工阶段各轨道板累加变形得到其预抛高值，再结合设计图纸中给定的设计标高，确定各块无砟轨道板的实际立模标高。

3 无砟轨道板立模标高的影响因素

3.1 无砟轨道板模拟方式的影响

为简化运算，以往结构分析时常忽略轨道板的刚度，以施加等效力的方式模拟轨道板的重量，且仅考虑轨道板的质量，未考虑轨道板的刚度，以主梁的位移量来反映轨道板的变形值。为分析无砟轨道板刚度对其预抛高值的影响，分3种情况进行模拟：①以梁单元模拟无砟轨道板；②以板单元模拟无砟轨道板；③通过施加等效力的方式模拟轨道板的重量。

假定轨道板从桥梁左侧依次向右侧铺设，根据无砟轨道板的不同模拟方式划分施工阶段，分析得到在等效力或轨道板自重作用下无砟轨道板预抛高值。不同模拟方式下轨道板预抛高值见图3。

图3 不同模拟方式下轨道板预抛高值

由图3 可以看出，采用梁单元模拟和采用板单元模拟时无砟轨道板的预抛高值基本相等。施加等效力模拟时无砟轨道板的预抛高值要大于采用梁单元或采用板单元模拟时。3 种模拟方式下左右边跨跨中无砟轨道板的预抛高值均相等。考虑到高速铁路无砟轨道板立模标高的高精度要求和计算效率，后续建模确定无砟轨道板立模标高时可采用梁单元或板单元模拟无砟轨道板。

3.2 无砟轨道板铺设顺序的影响

采用梁单元模拟无砟轨道板，考虑混凝土收缩徐变的影响，成桥后存梁时间设置为30 d。为分析铺设顺序对无砟轨道板预抛高值的影响，分3 种工况进行模拟：①从桥梁左端依次向右端施工，铺设速度为1 块/d；②从桥梁中跨跨中分别向两端施工，铺设速度为2 块/d；③从桥梁两端分别向中跨跨中施工，铺设速度为2块/d。无砟轨道板铺设顺序如图4所示。

图4 无砟轨道板铺设顺序

根据轨道板的不同铺设顺序划分无砟轨道板的施工阶段，分析得到各工况下无砟轨道板的预抛高值，见图5。

图5 各工况下无砟轨道板预抛高值

由图5 可知：左边跨跨中无砟轨道板预抛高值工况1 最大，工况3 最小；中跨跨中无砟轨道板预抛高值工况3最大，而右边跨跨中无砟轨道板预抛高值工况2最大。工况2、工况3左右边跨跨中无砟轨道板预抛高值相同，以中跨跨中为中心对称。

结合高速铁路无砟轨道板立模标高的高精度要求，考虑实际工程中的工期限制，采用从桥梁中跨跨中向两端的铺设顺序（工况2）更有利于实际施工和控制桥梁中跨无砟轨道板的预抛高值，而采用从桥梁两端同时向中跨跨中的铺设顺序（工况3）更有利于控制桥梁边跨无砟轨道板的预抛高值。

3.3 存梁时间的影响

为减小混凝土收缩徐变对无砟轨道板标高的影响，通常在成桥后无砟轨道板铺设前将桥梁静置一段时间，即设置一定的存梁时间。为分析存梁时间对无砟轨道板预抛高值的影响，采用梁单元模拟无砟轨道板，考虑混凝土收缩徐变的影响，轨道板从桥梁左端依次向右端铺设，存梁时间分别设定为30，60，90 d。通过对各施工阶段的分析得到不同存梁时间下无砟轨道板预抛高值，见图6。可知，存梁时间对桥梁中跨无砟轨道板预抛高值影响较大，但对桥梁边跨无砟轨道板预抛高值影响较小。随着存梁时间的增加，桥梁中跨跨中无砟轨道板预抛高值由2.05 mm 逐渐减至1.21 mm。施工过程中应根据实际存梁时间合理预测混凝土收缩徐变对桥梁中跨无砟轨道板预抛高值的影响。

图6 不同存梁时间下无砟轨道板预抛高值

4 结论

1）采用梁单元模拟和采用板单元模拟无砟轨道板时其预抛高值基本相等，而通过施加等效力模拟无砟轨道板重量时其抛高值要大于采用梁单元和采用板单元模拟无砟轨道板时。考虑到高速铁路无砟轨道板立模标高的高精度要求和计算效率，建模确定轨道板立模标高时建议采用梁单元或板单元模拟无砟轨道板。

2）从桥梁中跨跨中向两端铺设更有利于实际施工和控制桥梁中跨无砟轨道板的预抛高值，从桥梁两端同时向中跨跨中铺设更有利于控制桥梁边跨无砟轨道板的预抛高值。

3）桥梁存梁时间对桥梁中跨无砟轨道板预抛高值影响较大，随存梁时间增加中跨无砟轨道板预抛高值逐渐较小。施工过程中应根据实际存梁时间合理预测混凝土收缩徐变对桥梁中跨无砟轨道板预抛高值的影响。