郑济高铁黄河特大桥梁端横向相对位移控制研究

2021-10-14高静青

铁道标准设计 2021年11期

关键词：梁体钢梁横梁

冯祁,金令,高静青,刘成

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055; 2.成都市新筑路桥机械股份有限公司,成都 611430)

1 工程概况

郑济高铁黄河特大桥[1]为新建郑州至济南高速铁路[2]、河南省规划的郑新市域铁路及郑新快速路跨越黄河的共用桥梁，桥梁全长34 322.10 m，公铁共建段长12 180.19 m。

郑济高铁黄河特大桥作为国家重点工程，对满足中原与山东半岛间的交通需求，构筑我国东中部地区西经云南、新疆的出境通道，促进“一带一路”经济走廊建设具有重要意义[3-4]。

郑济高铁黄河特大桥公铁共建段桥梁采用双层桥面布置，公路在上层，郑济高铁和市域铁路在下层。其中，公路采用3(2)×40 m先简支后连续并置小箱梁，铁路均采用40 m简支梁[5]。公铁共建段内共含有4部分钢桁梁段，第1部分为1-(112+6×168+112) m下变高连续钢桁梁；第2部分为7-112 m简支钢桁梁；第3部分为南岸引桥120 m简支钢桁梁；第4部分为北岸引桥(73+139+73) m连续钢桁梁。钢桁梁均采用华伦式整体桁架结构，横向布置为3片桁[6]。公铁共建段标准跨段及钢桁梁段典型横断面如图1、图2所示。

图1 公铁共建段标准跨段典型横断面(单位：cm)

图2 公铁共建段钢桁梁典型横断面(单位：cm)

郑济高铁及市域铁路均采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道[7-8]。

桥址位置极端气温为-10.2～+42.5 ℃。

2 梁端横向相对位移影响

无砟轨道因其构造上的特点，梁缝两侧的钢轨支点产生横向相对位移时，会对钢轨、扣件等局部受力产生不利影响[9]，所以在《铁路桥涵设计规范》、《高速铁路设计规范》及德国规范中均对无砟轨道桥梁相邻梁端两侧钢轨支点的横向相对位移做出了限制规定。根据《铁路桥涵设计规范》5.2.3条及《高速铁路设计规范》7.3.3条规定，无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不应大于1 mm[10-11]。德国规范规定，横向相对位移不超过1 mm，必要时在梁端两支座中部设置横向限位装置[12]。

郑济高铁黄河特大桥公铁共建段钢桁梁与混凝土梁支座布置方式不同，钢桁梁为3片桁整体结构，横向固定支座位于中桁位置；混凝土梁郑济高铁和郑新市域铁路为分开两幅梁体，横向固定支座位于两梁靠中心侧，两种梁体断面示意及支座布置示意如图3所示。并且因其梁体材质不同导致线膨胀系数及温度影响亦不同，从而影响无砟轨道线路在钢桁梁桥与混凝土箱梁梁缝处的横向稳定，所以需对其横向相对位移进行分析研究。

图3 公铁共建段交界断面及支座布置示意(单位：mm)

以1-(112+6×168+112) m下变高连续钢桁梁与40 m混凝土简支梁交界位置为例，郑济高铁及郑新市域铁路40 m混凝土简支梁支座横向间距为4.4 m，而钢桁梁横向设置3个支座，固定支座设置于中间桁架位置，横桥向3个支座横向间距为13.4 m。考虑钢与混凝土不同的线膨胀系数，对各条线路在钢桁梁桥与混凝土箱梁梁缝处温度作用(系统升降温30 ℃，钢与混凝土温差12 ℃)影响下的横向相对位移进行计算[13-15]，计算数据如表1所示。

表1 钢梁-混凝土梁过渡缝位置线路横向相对位移

由计算数据可知，在温度作用影响下钢梁与混凝土梁过渡缝位置线路横向相对位移均大于1 mm限值，不满足规范要求。因此，需在梁缝位置采取横向相对位移控制措施来减小相对位移对无砟轨道的不利影响。

3 横向相对位移控制措施研究

3.1 功能目标

首先，应对横向相对位移控制措施功能目标进行探讨，以确定研究方向。根据使用状态的不同，其功能目标应分为两大部分。

(1)正常运营情况下：协同临跨混凝土梁与钢梁过渡缝的横桥向变形，从而消除或控制两种梁体间线路横向的相对位移，保证列车高速运行平稳舒适。

(2)地震工况下：不影响钢梁抗震/减隔震体系[16]的正常工作，从而保证地震时的结构安全。

3.2 方案研究设计

根据功能目标的需求及以往横向变形控制案例，提出3种横向相对位移控制措施方案。

3.2.1 措施方案1

措施方案1采用在邻近跨的两幅混凝土简支箱梁间设置钢结构横梁，使两幅箱梁连为一体，并在钢横梁中心设置横向固定支座，交界墩位置混凝土梁上原横向固定支座均调整为横向活动支座。通过以上措施，混凝土梁侧结构连为一体，调整支座布置后，混凝土梁的结构及支撑布置体系趋近于钢桁梁侧。方案示意如图4所示。

图4 公铁共建段交界断面及支座布置示意(方案1)

方案1仅对混凝土梁体进行了连接和固定支撑位置调整，所以并不影响地震工况下钢梁的抗震性能，可有效地实现地震工况下的功能目标。对方案1仅需考察其在正常运营情况下协同临跨横向相对位移的能力即可。

方案1中梁体过渡缝的线路横向相对位移最大值Δ相对与系统极端温度T、钢轨锁定温度t、钢与混凝土温差Δt、材质线膨胀系数α及梁体伸缩长度L有关，横向相对位移最大值计算公式如下

Δ相对=Δ钢梁-Δ混凝土梁

Δ钢梁=α钢·(T-t)·L钢梁

Δ混凝土梁=α钢·(T-t)·L钢横梁+α混凝土·

(T-Δt-t)·L混凝土

(1)

其中，系统极端温度、钢与混凝土温差、材质线膨胀系数及梁体伸缩长度均为常量，钢轨锁定温度作为变量直接影响梁体的升温和降温区间，所以方案1中影响线路横向相对位移最大值的变量仅为钢轨锁定温度。

参考既往钢轨锁定温度数据，锁定温度一般在10～30 ℃[17-18]。考虑到扩大参考数据区间以利于确定数据趋势，模拟钢轨锁定温度取0 ～+40 ℃，线路横向相对位移最大值计算数据如图5所示。

图5 方案1线路横向相对位移趋势

根据图5可知，采用措施方案1后，靠近中线固定端的线路其两种梁体的横向相对位移得到较好的控制且比较稳定，均小于0.5 mm；而远离固定端的线路其两种梁体的横向相对位移随钢轨锁定温度的增大而逐步减小，并且在出现极端降温情况时位移限值超过规范限值。

分析结构构造可知，出现靠近固定端的线路横向相对位移小，而远离固定端的线路横向相对位移大，这种现象的主要原因在于协调用钢横梁与混凝土梁连接位置趋近于靠近固定端的线路中线，从而有效地保障了此位置处线路的横向相对位移值，而远离固定端的线路仍受到材质不同的线膨胀系数和材质温差的影响，难以实现协调变形的功能目标。

所以，方案1虽然可很好地满足地震工况下的功能目标，但仍存在缺陷，无法满足正常运营情况下的功能目标。

3.2.2 措施方案2

措施方案1中，中间钢横梁为固定长度，无法进一步调节远离固定端线路的横向相对位移值，考虑对其进行改进，进而得到措施方案2。措施方案2采用在邻近跨的两幅混凝土箱梁各设置单独的变形协调钢横梁，并且钢横梁端头设置固定支座，再将交界墩位置混凝土梁横向固定支座调整为横向活动支座，从而得到了两个单独的调整体系[19]。方案示意如图6所示。

图6 公铁共建段交界断面及支座布置示意(方案2)

方案2相较于方案1，梁体过渡缝的线路横向相对位移值影响因素中增加了钢横梁长度L这一变量。由于存在钢轨锁定温度和钢横梁长度两项变量，难以确定在两项变量下线路横向相对位移最大值的发展趋势。为了便于研究，本文将钢轨锁定温度取为常量值，重点研究在不同钢横梁长度下横向相对位移最大值的趋势。假定将模拟钢轨锁定温度取为25 ℃，钢横梁长度取5～7 m区间(箱梁边缘到中心距离4.8 m)，对线路横向相对位移最大值进行计算，计算数据如图7所示。

图7 方案2线路横向相对位移趋势

根据图7可知，随着钢横梁长度的增加，极端升温工况下横向相对位移最大值呈下降趋势，而极端降温工况下横向相对位移最大值呈上升趋势。钢横梁长度在5.5～6.6 m范围内时，线路位置的横向相对位移最大值可控制在±1 mm范围内。所以，在选择适当的钢横梁长度下，方案2在理论上可以满足横向相对位移控制措施的功能目标。

下面对其构造上可否实施进行分析，对于郑济黄河特大桥的交界墩来说，交界墩混凝土箱梁侧两幅箱梁中间位置设有支撑公路梁的墩柱，墩柱距交界墩边缘仅有1.22 m宽空间，难以设置交替两根协调用钢横梁，因此，在空间构造上，本工程的交界墩无法满足方案2钢横梁的设置空间，没有实施的可行性。

故而，措施方案2虽然可有效地满足横向相对位移控制功能目标，但需要在交界墩上预留足够的设置空间，虽在本工程中无实施的可行性，但对其他类似项目工程存在参考借鉴意义。

3.2.3 措施方案3

方案1和方案2的横向相对位移控制思路是通过在混凝土梁上设置与钢梁材质相同的钢杆件，来增加混凝土梁线路位置的温度位移，从而减小两种梁体的横向相对位移差，满足功能要求。

措施方案3有别于前两种方案的控制思路，采用在钢桁梁与混凝土梁交界位置设置位移协调装置，再调整交界墩混凝土梁横向固定支座为横向活动支座，从而保证在温度作用下混凝土梁随钢桁梁同步形变，减小梁体间的横向相对位移。由于梁体分为郑济高铁侧和市域侧，所以在每侧混凝土梁需各设置1处位移协调装置，方案示意如图8所示。

图8 措施方案3平面示意

在方案3中，横向相对位移值不仅受系统极端温度、钢与混凝土温差及钢与混凝土不同的线膨胀系数影响，还受到位移协调装置本身安装间隙及自身刚度的影响，所以在考量方案可行性时，需增加对位移协调装置安装间隙及自身刚度的考虑。本研究中考虑0.5 mm的安装间隙及自身刚度影响，得到方案3各钢梁-混凝土梁过渡缝位置线路横向相对位移数据，如表2所示。

表2 方案3线路横向相对位移 mm

根据表2可知，方案3在不考虑安装间隙及自身刚度影响时，横向相对位移值为0.435 mm，考虑影响后增加至0.935 mm，所以方案3可满足正常运营情况下横向相对位移控制措施功能目标。

但是，由于采用位移协调装置来协调两个梁体的横向位移，在钢梁与混凝土梁间增加了横桥向连接作用，在将混凝土梁支座调整为横向活动支座后，钢梁侧固定支座需额外承受混凝土梁侧产生的横桥向作用力。在运营阶段，混凝土梁侧产生的横桥向作用力较小，尚在钢梁和支座承受区间，但在地震力作用下，较大的地震力会对钢梁侧支座及钢梁本体产生较大影响乃至破坏，故而，在协调装置中需增加横向协调退出机制，当有较大地震力作用时，横向协调装置退出工作，保证钢梁梁体及支座安全。混凝土梁支座也需增加地震力下的限位措施，防止横向协调装置退出工作后混凝土梁横向倾覆[20]。