不同约束体系连续梁桥上无缝线路受力研究

2022-09-30龚小平姜海君

铁道建筑技术 2022年8期

廖凯龚小平姜海君

(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京 102600)

1 研究背景

近年来，随着我国高速铁路的蓬勃发展，桥梁建设迎来了快速发展的春天，大跨度预应力混凝连续梁由于其跨越能力强、行车舒适性好的特点，在我国铁路桥梁建设中被广泛应用[1－2]。

我国高速铁路桥梁均采用无缝线路，随着连续梁跨度不断增大，温度跨度(对于一般简支梁和连续梁，温度跨度为固定支座间的距离或与桥台毗邻的桥墩固定支座至桥台胸墙之间的距离)也不断增大。一般情况下，无缝线路钢轨伸缩附加应力随着温度跨度的增加而增大，因而温度跨度的大小是衡量桥上无缝线路是否设置温度伸缩调节器的重要指标。虽然温度伸缩调节器可以减小梁轨相互作用，但却影响行车舒适性、增加后期维养工作量，故在非必要情况下尽量避免设置温度伸缩调节器[3]。

对于无砟轨道混凝土梁，一般情况下温度跨度小于210 m可不设置温度伸缩调节器。目前已开通运营未设温度伸缩调节器的高速铁路无砟轨道最大跨度连续梁为(80＋136＋80)m，温度跨度216 m[4－6]。

根据工管站前电[2022]4号«国铁集团工程管理中心工电部关于报送大跨度桥上无缝线路检算和钢轨伸缩调节器设置有关情况的通知»要求:对于2023年底前开通的铁路项目，温度跨度超过180 m(最高轨温差超过80℃的地区温度跨度超过160 m)的桥梁必须出具桥上无缝线路检算报告，并对是否设置钢轨温度伸缩调节器提出明确意见[7－9]。

2 项目概况

根据工管站前电[2022]4号文要求，对某高速铁路大桥(80＋136＋80)m连续梁无缝线路钢轨强度进行检算[10]。

某高速铁路大桥为时速250 km双线(线间距4.6 m)桥梁，铺设 CRTSⅠ型双块式无砟轨道，于D1K141＋776处跨巴河，线路与河道夹角86°，跨越处巴河宽142 m。巴河现状为Ⅶ级通航，规划为Ⅴ级航道，最高通航水位344.52 m，最低通航水位330.50 m，通航净宽×净高为80×8 m。考虑到桥位于弯道及水流横向流速影响，本桥采用(80＋136＋80)m连续梁跨越巴河，两侧均接桥台。全桥均位于R＝6 000 m的圆曲线及＋4‰的纵坡上。桥型布置见图1。

图1 桥型布置(单位:m)

上部结构采用(80＋136＋80)m连续梁，主梁全长297.6 m，计算跨度(80＋136＋80)m。边支点梁高6.0 m，中支点梁高度10.0 m，边支座中心线至梁端0.8 m；梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。中支点和跨中横断面见图2。

图2 支点和跨中横断面(单位:cm)

下部结构桥墩采用圆端形实体墩和钻孔灌注桩基础，桥台采用矩形空心桥台和明挖基础。下部结构类型及刚度见表1。

表1 墩台基础类型及刚度

3 计算分析

根据通航论证和防洪评估要求，本桥主跨不得小于136 m，全桥位于R＝6 000 m的圆曲线和＋4‰的纵坡上，不具备设置温度伸缩调节器的条件。结合已有高速铁路项目经验，采用(80＋136＋80)m连续梁跨越巴河，不设温度伸缩调节器，并根据工点实际情况对桥上无缝线路进行检算。

根据«铁路无缝线路设计规范»(TB 10015—2012)桥上无缝线路检算要求，需检算钢轨强度、轨道稳定性和钢轨断缝值指标。本工程采用无砟轨道，不存在轨道稳定性问题，项目位于西南地区，钢轨断缝值也满足要求。桥上无缝线路检算控制性因素为钢轨强度，需分别计算钢轨温度应力、动弯应力、伸缩附加应力、挠曲附加应力和制动附加应力等指标。一般情况下，伸缩附加应力大于挠曲附加应力，二者取大值，本研究仅对伸缩附加应力进行检算[11]。经检算，当桥上采用常规阻力扣件时，无缝线路钢轨强度不满足规范要求；当在连续梁大里程端边跨及路基地段60 m范围内铺设小阻力扣件时，无缝线路钢轨强度满足规范要求。考虑到桥位处距离车站较远，列车在此地段紧急制动的可能性较小，经综合比较，本桥采用了小阻力扣件不设温度调节伸缩器的(80＋136＋80)m连续梁方案。无缝线路钢轨强度检算结果见表2。

表2 无缝线路钢轨强度检算结果 MPa

根据工管站前电[2022]4号文要求，对本桥轨道结构方案进行了专项评审，形成专家意见如下:该桥采用小阻力扣件不设置轨温伸缩调节器方案合理可行；结合该桥施工现状，研究减小温度跨度增加钢轨强度安全储备措施的可行性。

本桥下部结构均已施工完毕，1号墩悬灌段施工到A17号段(共17段)，2号墩悬灌段施工到A14号段(共17段)，边跨现浇段均已施工完毕。结合本桥现场施工情况，分别提出以下三种支座约束体系方案(方案二、三、四)以增加钢轨强度安全储备[12]。不同方案支座约束体系及温度跨度见图3和表3。

图3 不同方案支座约束体系及温度跨度

表3 不同方案支座约束体系及温度跨度

对以上四个方案，分别按采用常规阻力扣件和小阻力扣件对无缝线路钢轨强度进行检算，检算结果见表4。

表4 不同方案各项钢轨强度检算结果统计 MPa

由表4和图4可知:

图4 各项钢轨应力对比(小阻力扣件)

(1)采用常规阻力扣件时，四个方案钢轨强度均不能满足规范要求；而采用小阻力扣件时，四个方案钢轨强度均能满足规范要求，故无论采用哪种方案都必须设置小阻力扣件。

(2)温度跨度对温度应力和动弯应力无影响。温度跨度越大，伸缩和制动附加应力越大，但对伸缩附加应力影响更为明显。

(3)速度锁定器对温度应力、动弯应力和伸缩附加应力无影响，可显著减小制动附加应力，但由于制动附加应力占钢轨总应力比例较低，故速度锁定器对改善钢轨总应力效果不明显。

(4)小阻力扣件对温度应力、动弯应力和制动附加应力无影响，可显著减小伸缩附加应力。小阻力扣件和常规阻力扣件相比，钢轨附加应力减少约60 MPa，占钢轨总应力15%左右，小阻力扣件对改善钢轨总应力效果较为明显。

(5)双固定墩和纵向活动支座＋速度锁定器的连续梁体系可极大减小温度跨度，明显减小无缝线路钢轨受力。

结合本桥现场施工情况，对方案二～方案四存在问题及优缺点进行统计，见表5、表6。

表5 实施方案和存在问题统计

表6 不同方案结构体系优缺点对比

4 研究总结

(1)本桥必须设置小阻力扣件无缝线路钢轨强度方能满足规范要求。

(2)温度跨度越大，伸缩和制动附加应力越大，但对伸缩附加应力影响更明显。

(3)速度锁定器可显著减小制动附加应力，对其他各项应力无影响，对改善钢轨总应力效果不明显。

(4)小阻力扣件可显著减小伸缩附加应力，对其他各项应力无影响，对改善钢轨总应力效果较为明显。

(5)方案二～方案四均可增加钢轨强度安全储备，但方案三、四存在问题多、可实施性难度大；方案二仅能通过减小制动附加应力的方式增加钢轨强度安全储备，但桥位处距离车站较远，列车在此地段紧急制动的可能性很小；方案一检算时已考虑最不利轨枕间距、最大降温幅度、叠加制动力等不利因素仍能满足规范要求。综合本桥位于曲线坡道地段、气温温差较小(最高轨温60.6℃，最低轨温－4.5℃，设计锁定轨温28℃ ±5℃)和现场施工情况，本桥维持小阻力扣件不设温度调节伸缩器方案。

(6)采用纵向活动支座＋速度锁定器的连续梁体系，可极大减小温度跨度，减小无缝线路钢轨受力。此体系虽然目前仅在部分项目应用，技术还不太成熟，但未来将是大跨、长联连续梁桥约束体系一种发展趋势。