高速铁路大跨度桥梁变形对线路平顺度的影响分析

2022-08-06魏周春

铁道建筑 2022年7期

魏周春

1.轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），西安 710043

我国高速铁路和部分普速铁路桥梁工程占比普遍较高。近年来，桥梁设计、建造技术取得了巨大的进步，大跨度桥梁的数量越来越多。据统计，国内处于设计阶段主跨超过200 m 的高速铁路桥梁达到30余座。京津城际铁路、武广高速铁路、郑西高速铁路等第一批高速铁路建设期间，混凝土连续梁的最大跨度一般不超过80 m，2019年之前建成的高速铁路桥梁最大跨度一般在200 m 以内。自2019 年昌赣高速铁路300 m 跨度的赣江特大桥开通，大跨度桥梁的设计进入一个新的阶段。2020年开通的沪苏通铁路沪苏通特大桥，主跨达到了1 096 m，标志着我国大跨度桥梁建造技术进入了千米级。

我国早期普速铁路桥梁设计以结构强度控制为主。随着铁路速度标准的提高，逐步纳入并加强了对墩台沉降、梁体变形的控制，高速铁路提出了更多更高的要求，具体变化如下。

1）TB 10002.1—1999《铁路桥涵设计基本规范》［1］、TB 10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》［2］总则要求桥涵结构应具有规定的强度、稳定性、刚度和耐久性；TB 10002.1—2017《铁路桥涵设计规范》［3］总则要求桥涵结构应具有规定的强度、刚度、稳定性，并应满足轨道平顺性、列车运行安全性和旅客乘坐舒适性的要求，增加了平顺性和舒适性的要求，即提高了对桥梁变形的控制。

2）TB 10002.1—1999 与变形相关的参数仅有竖向挠度，TB 10002.1—2005 增加了工后沉降的要求：有砟桥面工后沉降不得超过80 mm，相邻墩台均匀沉降之差不得超过40 mm；TB 10002.1—2017 针对不同速度标准增加了预应力混凝土梁竖向徐变变形限值、梁体扭转引起的轨面不平顺限值、梁端转角限值，对于工后沉降提出了更详细的规定。

从上述变化可以看出，高速铁路针对梁体竖向变形参数提出了更高的要求，以满足高速铁路的平顺性和舒适性需求。随着跨度和温度跨度的增大，桥梁变形对线路平顺性和梁端轨道设备的影响愈加明显，轨道设备的适应能力需要进一步提高。如大跨度桥梁的竖向变形，表现为3～5 段复曲线组成的复杂曲线，其线形不能满足既有规范竖曲线半径、最小坡段长度的规定，也不满足线路平顺度的控制标准。梁面线形主要控制标准是挠跨比，但最不利位置并非主跨中部，而是在桥塔附近。因此，除了控制挠跨比，主跨与边跨的匹配关系也应成为重要的控制指标。梁端伸缩装置、钢轨伸缩调节器对桥梁变形的适应能力差，应进一步优化。桥梁纵向伸缩量等变形参数取值不当。这些问题导致大跨度桥梁钢轨伸缩调节器、伸缩装置病害频发，甚至限速运营。

本文研究高速铁路大跨度桥梁竖向挠度、梁体结构、相邻梁跨匹配关系、伸缩量、转角、错台差等参数对线路平顺度的影响，并给出设计建议。同时，分析静动态平顺性评价标准的不足之处，以期更深入地了解桥梁与轨道设计接口关系的合理性。

1 大跨度桥梁竖向变形的影响

早期的桥梁跨度小、竖向变形相对不大，主要在静态条件下分析轨道的几何平顺性。随着桥梁跨度的增大，动态条件下的竖向变形对线路平顺性甚至运营安全产生极大影响，必须纳入控制标准。控制大跨度桥梁的竖向变形除了考虑桥梁竖向挠度之外，还要考虑结构形式、相邻桥跨的匹配关系等。

1.1 桥跨结构的竖向挠度

TB 10002.1—2005 规定梁式桥跨结构竖向挠度为L/900 ～L/700（L为跨度），TB 10002.1—2017 规定普速铁路（速度200 km/h以下）、高速铁路小于80 m 跨度梁体竖向挠度分别为L/1 200 ～L/700、L/1 900 ～L/1 000。选取主跨挠度最大时跨中（变形最大点）及两端主墩顶部（变形控制点）高程三点（图1）拟合竖曲线［4］，并按照不同跨度和挠跨比拟合得到竖曲线半径，见图2。这种拟合方式虽然不能准确地反映梁体的平顺性，但能说明主跨平顺性的变化趋势。

图1 跨中拟合竖曲线示意

图2 主跨挠度拟合竖曲线半径变化趋势

由图2可知，挠度随桥梁跨度增大而增大，拟合的跨中竖曲线半径也随之增大，表明跨度越大梁面的相对平顺性越好。

刘超等［5］分析大跨度桥梁线形发现，平顺性最不利位置通常在主墩处，少数结构形式的桥梁出现在跨中。桥梁挠跨比影响线路的平顺度，但并非桥梁跨度越大梁面线形的平顺度越差。因此，大跨度桥梁的挠跨比应根据技术经济性确定。

1.2 梁体结构形式

梁体采用预应力混凝土梁、钢箱梁、组合梁等结构形式，在荷载作用下形成的梁面线形会有明显差别［6-7］。案例1：主桥采用（36+40+64+330+64+40+36）m 钢-混凝土混合梁斜拉桥结构，主梁由混凝土梁和钢箱梁两部分组成，中跨298 m 范围为钢箱主梁，见图3（a）。案例2：主桥采用（40+109+320+109+40）m钢-混凝土部分斜拉桥结构，主梁由混凝土梁和钢箱梁两部分组成，中跨83 m范围为钢箱主梁，见图3（b）。两座桥梁主跨长度相当，双线ZK 活载作用下案例1和案例2 跨中静活载挠度分别为333.9、266.8 mm。案例2 钢箱梁长度仅83 m，远小于案例1，竖向整体变形明显优于案例1。

图3 孔跨布置及梁体结构（单位：m）

表1列出了四种典型的荷载组合和单项荷载的组合系数，据此计算梁面竖向变形，分析60 m 弦测不平顺幅值。以主跨跨中为原点建立坐标系，计算结果见图4。可知，案例1 跨中不平顺幅值最大为15 mm，案例2 跨中不平顺幅值为24 mm，案例1 明显优于案例2。大跨度桥梁局部采用混凝土梁或钢箱梁等不同结构形式，即使可以提高桥梁的整体刚度，但刚度均匀性差，容易增大梁面局部不平顺值。因此，对于平顺性要求较高的桥梁，宜采用相同的梁体结构形式；局部采用混凝土梁或钢箱梁等不同结构形式的梁体，各种结构的长度应有合理的分布比例。

表1 桥梁荷载组合系数

图4 梁面60 m弦测法不平顺幅值

1.3 桥梁主跨与邻跨长度匹配关系

桥梁主跨与邻跨长度的比例关系对梁面线形的影响十分明显。案例1 中邻主跨的孔跨比为0.19；案例2中邻主跨的孔跨比为0.34。结合图4可知，案例1主墩附近不平顺幅值大于案例2，案例2主墩附近平顺性好，表明邻跨与主跨的长度越接近，梁面平顺性越好。因此，对于平顺性要求极高的高速铁路桥梁，邻跨长度不宜过小，桥梁相邻孔跨布置应采用合理的匹配关系。

2 大跨度桥梁纵向伸缩变形的影响

2.1 大跨度桥梁梁端扣件节点间距和伸缩装置

大跨度桥梁纵向伸缩量较大，对梁端轨道结构和平顺性的影响十分显著。主要问题是温度降低导致梁缝宽度增加，梁缝处扣件节点间距增大，超过一定限值后，钢轨下沉量等参数不满足高速行车的要求。

确定最不利条件下梁缝宽度时需综合考虑梁缝初始宽度、扣件节点至梁边缘距离、降温时扩大量、地震力引起的位移、收缩徐变、制动位移等。设计梁缝宽度可根据要求计算确定，但不应小于100 mm。

梁缝处扣件节点间距最大值一般为750 mm，超过时必须采取相应的措施。目前，采用最多的是上承式伸缩装置，主要由纵梁、钢枕、剪刀叉、固定式扣压块、活动式扣压块等部件组成，见图5。梁端伸缩装置主要部件与梁体伸缩量的配置见表2。

图5 梁端伸缩装置示意

表2 梁端伸缩装置配置

梁端伸缩装置是轨道系统最常见的薄弱环节［8］，悬空轨枕数量、纵梁根数越多，结构伸缩性能越差，发生病害的频率越高，病害越严重。发生病害的主要原因是大跨度桥梁伸缩变形大、变形速度快，导致轨道结构难以适应，设计阶段应重点关注以下三方面。

1）系统考虑选线、桥梁、轨道设计接口，尽量避免或减少设置大跨度桥梁，减小梁缝宽度及梁缝变化量，以减少悬空轨枕和纵梁的数量，从源头上简化梁端设备，降低病害发生的概率。

2）进一步优化梁端伸缩装置结构设计。伸缩装置可释放梁端变形以及变形引起的应力集中，但对轨枕、钢轨具有很强的约束力，会限制钢轨的下沉、横向位移等。矛盾点在于对轨枕、钢轨的约束越强，越不容易释放梁端的应力和变形，导致梁端轨道结构病害多发、频发。下承式伸缩装置整体稳定性好，与相邻有砟轨道相比局部刚度增大，且伸缩装置范围仅2 ～3 m，易造成两端道床密实度不足、轨枕空吊等病害，应从轨道系统刚度均匀性方面进一步优化设计。上承式伸缩装置整体稳定性较弱，易造成轨排移动、轨枕开裂、平顺性降低等问题，宜从钢枕、纵梁的功能及其与其他部件之间的约束、间隙等相对关系方面进一步优化设计。

3）部分梁缝宽度未严格计算，取值偏大，增加了伸缩装置的钢枕、纵梁等部件的数量，使得结构更加复杂。因此，梁缝宽度的设计可进一步细化。

2.2 地震力引起的梁缝变化

高烈度地震区桥梁梁缝设计宽度组成中抗震设计占比较高，通常在150～300 mm。地震发生时，梁轨受扣件系统的约束，较大的纵向相对位移不能在瞬间完成。因此，设置梁端伸缩装置时，是否考虑地震引起的变形影响，或是否按一定系数折减尚需深入研究。

长期运营经验表明，梁缝处梁轨之间的纵向位移并非线性分布，而是在钢轨应力积累到一定程度后呈台阶式变化。列车通过时振动可以有效释放梁轨之间的应力，而通车间隙处钢轨应力集中程度较高。从兰新高速铁路地震中出现的扣件破坏、轨枕伤损情况来看，地震瞬间梁体发生大位移，且伴随梁体横向摆动，梁轨之间的纵向阻力急剧增大，轨道结构的适应性很差。

地震发生时轨道结构无法适应瞬间的大位移，无需考虑主动设防，地震引起的轨道结构伤损、破坏应以快速维修为主。因此，梁端轨道系统设计不宜考虑地震引起的梁缝宽度变化，以简化轨道结构，减少病害的发生。

3 梁端转角及错台的影响

在列车、温度荷载作用下，梁端产生转角和竖向位移会对轨道结构产生不利影响。在普速铁路有砟轨道线路上，梁端转角和错台对线路平顺性的影响可忽略，对于高速铁路大跨度桥梁则是重要的控制指标。

3.1 梁端转角

TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［9］分别给出了有砟轨道和无砟轨道的梁端转角及错台限值，其中有砟轨道设计容许速度为250 km/h，对梁端的变形要求相对较低；无砟轨道设计允许速度可达350 km/h，对梁端的变形要求较高。梁端转角及错台限值见表3。可知，有砟轨道和无砟轨道的梁端转角和错台差限值的对应关系不太合理。有砟轨道梁梁端变形控制限值较宽松，大约是无砟轨道梁的2倍，但有砟轨道伸缩装置和钢轨伸缩调节器稳定性却远低于无砟轨道，这两个因素导致有砟轨道梁端轨道系统的病害比无砟轨道更严重，发生频率更高。因此，从减少轨道系统病害、提高运营安全性的角度考虑，建议高速铁路大跨度桥梁上采用无砟轨道，或适当提高有砟轨道梁边跨梁端的变形控制标准。

表3 梁端转角及错台限值

3.2 梁端错台

考虑排水、结构设计要求等因素，大跨度桥梁一般设置在一定的坡度上。由于梁体的伸缩，在梁缝处产生的错台是影响轨道结构的另一个因素。不同线路坡度条件下梁体伸缩引起的错台差见表4。可知，当纵坡大于3‰、梁体伸缩量大于±300 mm 时，错台量在0.9 mm 以上，比梁端转角的影响更大。因此，大跨度桥梁应尽量设置在平坡或小坡度上。若受条件所限设置在大坡度上，当梁体伸缩量较大时宜采用斜坡支座，以避免出现大的错台差，提高线路的平顺性。

表4 不同线路坡度条件下梁体伸缩引起的错台差

4 大跨度桥梁平顺性评价方法存在的不足

我国高速铁路修建的大跨度桥梁越来越多，但对梁面平顺性分析评估的方法和深度尚需深入研究。

4.1 静态验收方法

大跨度桥梁上轨面变形幅值远超规范要求的长波不平顺管理值10 mm/300 m，验收项目主要采用60 m 弦长中点弦测法进行管理。这种方法存在三个问题：①大跨度桥梁仅验收静态线形，而实际运营的线形是在列车荷载作用下产生了竖向挠度的线形，即验收方法将桥梁等同于路基、隧道结构，忽略了列车荷载引起的竖向变形；②设计时采用60 m 弦长中点弦测法对梁面线形进行控制，但施工线形与设计线形有一定的偏差，竣工后再按60 m 弦长中点弦测法验收，不平顺幅值可能超出规定的限值；③已开通和在建的大跨度桥梁采用60 m 弦长中点弦测法分析均接近限值，其中部分桥梁静态验收阶段满足60 m 弦长中点弦测法要求，然而考虑全部收缩徐变后不平顺幅值超出验收标准，验收管理标准值的计算方法和合理性尚需进一步研究。