徐盐高铁大跨度连续钢桁梁斜拉桥无缝线路技术研究

2021-12-27刘家兵

铁道勘察 2021年6期

刘家兵

(中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071)

1 概述

桥上无缝线路桥梁-轨道相互作用原理较为复杂，自1963年开始在桥梁上铺设无缝线路以来，部分学者对桥上无缝线路的检算与设计开展深入的研究，已经明确了桥梁-轨道纵向相互作用机理，以及伸缩力、挠曲力、制动力、断轨力的计算方法[1]。但对特殊型式桥上无缝线路研究还相对较少。斜拉钢桁结构为半漂浮体系，桥梁-轨道纵向相互作用原理与普通钢桁梁差异较大[2]，主要体现在以下几个方面。

(1)钢桁梁(长联)伸缩的影响

钢桁斜拉桥对于温度变化比较敏感，温度发生变化时，桥梁-轨道产生相对位移(纵向)，使轨道内部出现附加力(纵向)，特别是大跨度钢桁梁(长联)对轨道纵向力的影响更为明显。

(2)主塔及斜拉索的影响

钢桁梁的纵向位移会受到主塔及斜拉索的反向作用，主塔及斜拉索设置对伸缩力、挠曲力、制(启)动力以及断轨力的数值大小、分布规律都会有明显影响。

(3)半漂浮体系的影响

需要分析研究制动阻尼器的布置、半漂浮状态等因素对桥梁-轨道相互作用下各种受力传递的影响。动车组制(启)动荷载作用下，需要更深层次研究半漂浮体系的影响。

(4)桥梁结构形变的影响

桥梁两端主跨、副跨出现横向位移、垂向位移，会给轨道平稳性、安全性造成较大影响。斜拉桥梁挠曲变形较大，对钢桁斜拉桥的结构变形进行深入研究，具有重要意义。

总之，原来基于梁式桥的研究，得出的桥梁-轨道相互作用机理，对于大跨度斜拉桥是否能适用，还无法确定，需要结合实践、理论研究才能得出结论。

以徐宿淮盐铁路盐城特大桥为例，利用通用的建模软件建立大跨桥桥梁-轨道耦合模型并进行计算分析，对设置了调节器的大跨桥进行检算，提出适用于大跨斜拉桥的无缝线路设计技术方案，并总结在研究过程中出现的问题，为类似桥梁设计提供借鉴[3]。

徐宿淮盐铁路经过苏北的徐州市、宿迁市、淮安市及盐城市，是江苏省腹地最重要的铁路大动脉之一，被冠以江苏省“铁路金腰带”的美誉，全线设计速度250 km/h，近期共设置车站10座，远期预留车站1座。正线长315 km，桥梁比例为91%。盐城特大桥主桥跨越盐城市通榆河与新洋港交界的喇叭口，桥位紧邻既有普速铁路新长线，是徐宿淮盐铁路的控制性工程。

为适应动车组运行动力性能和平顺性的要求，按照经济、环保、安全、美观的原则，盐城特大桥跨新洋港主跨采用(72+96+312+96+72) m连续钢桁斜拉桥，主桥全长650 m。主桥采用半漂浮体系，双索面双塔连续钢桁梁斜拉桥结构，主梁设置三角形桁式；主塔采用H形双塔双索面结构；桥塔共设置48对斜拉索。

结合项目情况，新洋港主跨采用单悬臂不对称拼装施工的施工工艺，钢桁梁结构的抗风稳定性得到明显提高。主桥比例协调美观，线型简洁流畅，结构受力合理。

桥上铺设有砟轨道，采用60 kg/m、U71MnG钢轨，弹条V形扣件，一次铺设跨区间无缝线路，主跨结构见图1。

图1 盐城特大桥主跨结构示意

斜拉索采用耐久性能、受力性能良好的环氧平行钢丝拉索，在上塔柱采用预应力齿块锚固，工程造价较低，后期养护维修工作量较小。配套使用低回缩量锚具，索塔锚固区预应力采用单端张拉的方式，有效减少预应力损失。利用地形特征，采用不对称悬拼施工的工艺，配合斜拉桥抗风措施，有效提高钢桁梁的抗风稳定性；边跨采用支架拼装的方式，利用支点高程控制成桥的线形及拱度；为降低上塔柱斜拉索的施工干扰，对斜拉索不对称张拉进行专项设计。

2 检算思路

徐宿淮盐铁路盐城钢桁特大桥设计中，对以下设计方案进行比选[4]。

方案一：采用弹条V形常阻力扣件；方案二：采用弹条V形小阻力扣件，并根据实际情况调整锁定轨温；方案三：采用调节器。

若采用常阻力扣件(方案一)和小阻力扣件(方案二)，轨道检算达不到规范要求，故决定采用方案三，即在钢桁斜拉桥两端设置调节器，尖轨位于钢桁梁上、其区域铺设常阻力扣件，调节器基本轨位于两端的混凝土梁上、其区域铺设小阻力扣件[5]。

3 有限元模型

利用通用建模软件，建立桥梁-轨道模型并进行计算分析[6]。整个检算模型由轨道模块和桥梁模块组成，两个模块通过扣件连接实现力的传导等相互作用[7]。有砟轨道结构模型包括钢轨以及扣件，桥梁结构主要包括桥墩、梁体、燕尾板、钢轨、主塔柱、塔柱连接斜拉索等[8]。主桥和引桥部分的模型见图2、图3。

图2 钢桁斜拉桥分析模型

图3 混凝土连续梁桥分析模型

塔结构采用beam3单元，钢轨采用link1单元，桥梁采用杆单元，桥梁与轨道的连接采用combin39弹簧单元，斜拉索采用杆单元，桥墩和桥台采用combin14弹簧单元。

对于活动及固定支座的问题，利用桥梁-轨道检算的假定，即固定支座能完全阻挡桥梁的纵向位移，忽略活动支座的纵向力。桥梁固定支座采用全部约束，而桥梁活动支座只有垂向约束[9]。

本次建模采用两线结构，每一条线路的两根钢轨利用扣件和轨枕建立连接，需要结合桥梁结构和轨道结构的惯性矩贡献和框架刚度。

4 桥上无缝线路检算

在桥梁两端设置两处调节器，尖轨位于主桥上，并设置常阻力扣件；基本轨位于引桥上，并设置小阻力扣件[10]。轨道结构布置见图4。

图4 结构设计方案

4.1 基本温度力+伸缩力

温度下降情况下，基本温度力加上伸缩力的变化见图5，数值最大的点位于路基上。由图5可知，降温46.2℃时，钢轨的最大附加压力为0，出现在钢桁梁两侧，最大附加拉力为865.56 kN，出现在引桥和路基上。

图5 基本温度力+伸缩力示意(降温)

温度升高条件下，基本温度力加上伸缩力的变化见图6，数值最大的点位于路基上。升温33.1 ℃时，钢轨的最大附加拉力为0，出现在钢桁梁两侧，最大附加压力为677.93 kN，出现在引桥和路基上。

图6 基本温度力+伸缩力示意(升温)

4.2 制动力分析

根据动车组制动或启动位置的不同，可以分为两种工况[11]。

(1)工况一

动车组在主桥左侧发生制动或启动，荷载的长度为400 m，钢轨纵向力受力变化见图7。由图7可知，工况一下列车制动时，制动拉力的最大值为34.94 kN，制动压力的最大值为10.53 kN。

图7 制动力示意

动车组制动或启动时，钢轨、桥梁和两者之间相对的变化见图8。由图8可知，钢轨纵向位移最大值为5.14 mm，桥梁纵向位移最大值为5.14 mm，桥梁和轨道相对变化最大值为1.04 mm，小于4 mm，符合相关规定。

图8 梁轨快速相对位移

(2)工况二

动车组在主桥右侧发生制动或启动，荷载的长度为400 m，制动附加力及桥梁-轨道相对的变化见图9、图10。制动拉力的最大值为34.94 kN，制动压力最大值为10.53 kN。动车组制动或启动时，钢轨纵向位移的最大值为5.16 mm，桥梁纵向位移最大值为5.16 mm，桥梁-轨道相对变化最大值为1.06 mm，小于4 mm，符合相关规定。

图9 制动力示意

图10 梁轨快速相对位移

4.3 强度与稳定性等检算

(1)强度与稳定性

钢轨强度检算结果见表1，轨道稳定性检算结果见表2。

由表1、表2可知，对于桥上无缝线路结构设计方案，钢轨强度及轨道稳定性能均达到相关规定要求[12]。

表1 钢轨强度检算

表2 轨道稳定性检算

(2)断缝值

在主桥两边都设置调节器后，伸缩附加力最大值出现在右侧的引桥(60 m+100 m+60 m)与简支梁梁缝处。钢轨温度降低、桥梁收缩时，该处钢轨的纵向拉力最大，最易出现断轨问题[13]。断缝值计算结果见图11。

图11 断缝值计算

由图11可知，当混凝土连续梁与简支梁梁缝处出现断轨情况时，断缝值为39.98 mm，小于70 mm，符合相关规定。

(3)梁轨快速相对位移

不同动车组发生制动或启动时，桥梁-轨道相对的变化最大值分别为1.04 mm和1.06 mm，小于4 mm，符合相关规定。

4.4 墩台受力分析

梁体挠曲、伸缩、断轨和列车制动时，桥梁固定支座所在墩台的受力见表3[14]。

表3 不同工况下墩台受力

4.5 斜拉索的受力

梁体升温25 ℃条件下，主桥及索的变形见图12。

图12 斜拉索变形云图(伸缩工况)

由图12可知，梁体变形条件下，斜拉索纵向荷载较大，最大值为303.259 kN；动车组制启动条件下，索受力较小，纵向荷载主要导致梁体变形，并将受力传导给半漂浮体系。相较于斜拉索的初始应力(2 500～3 500 kN)，桥梁变形所导致的索受力较小，小于初始应力的15%。

4.6 斜拉桥垂向变形

钢桁梁伸缩(升温25 ℃)工况下，钢桁梁最大垂向位移为61.6 mm，钢轨最大垂向位移为58.2 mm，位于连续钢桁梁主跨跨中。由于梁体伸缩是一个缓慢变化的过程，且垂向变形相对于钢桁跨度比值较小(1/5 000)，产生的轨道长波不平顺不会对列车运营产生影响[15]。如考虑索结构升温(25 ℃或20 ℃)，由于索结构的伸长效应，钢桁梁跨中的垂向位移会有所减小，见图13。

图13 伸缩工况下垂向位移

列车荷载(ZK荷载分布)作用下，钢桁梁会出现挠曲变形，最大值位于连续钢桁梁主跨跨中。双线过车且荷载均位于连续梁主跨区域时，梁体挠曲变形量和轨道垂向变形量最大，梁体挠曲最大值为251.9 mm，轨道垂向变形最大值为239.8 mm。实际情况中，列车荷载作用长度大于主跨长度(312 m)，即部分荷载作用于边跨(96 m跨钢桁区域)，此时梁体挠曲会稍小，见图14。