高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥成桥预拱度设置方法.pdf

第卷第期 年 月铁 道 学 报 文章编号：（）高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥成桥预拱度设置方法刘本永，严爱国，李世伟，李的平，朱胜阳，李若愚，杨得旺（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉；中铁二十三局集团有限公司，四川 成都；西南交通大学 轨道交通运载系统全国重点实验室，四川 成都）摘 要：成桥预拱度的设置关系到高速列车运行的舒适性和安全性。提出合理成桥预拱度的计算方法和应满足的基本指标，以昌赣铁路赣江特大桥为例，基于车线桥耦合振动分析模型，分析设置预拱度与否对桥梁结构长期使用性能演变的影响，以验证所提方法的可靠性。计算结果表明：预拱度的设置降低了车体垂向加速度、轮重减载率，且服役时间越长，效果越显著，在成桥 后，车体垂向加速度较不设预拱度降低约 ，轮重减载率降低约 ，改善了车线桥系统动力学性能。所提方法理论清晰、简便可行，对于同类型桥梁的预拱度设置具有指导意义。关键词：高速铁路；无砟轨道；大跨桥梁；预拱度设置；长期动力性能中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，：；收稿日期：；修回日期：基金项目：中 铁 第 四 勘 察 设 计 院 集 团 有 限 公 司 科 研 课 题（，）；中国铁建股份有限公司 年度科技重大专项（）第一作者：刘本永（），男，河南商丘人，高级工程师。：通信作者：李世伟（），男，重庆大足人，高级工程师，博士。：高速铁路桥梁采用无砟轨道，既可更好满足速度为 的高速行车需求，也能减轻桥面系重量，具有耐久性好、养护维修工作量小、有效避免道砟飞溅等特点，在高速铁路工程中得到广泛应用。目前我国在中小跨径桥梁上铺设无砟轨道已有成熟的工程经验，对于大跨铁路桥梁而言，相关工程经验不足，理论研究也不完善。随着服役年限的增加，在列车荷载、环境温度等往复作用下，由于混凝土收缩徐变效应、结构力学性能退化等，大跨铁路桥梁的变形逐渐增大。当桥梁累积变形超过轨道扣件允许的调整范围时，将对轨道平顺性第 期刘本永等：高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥成桥预拱度设置方法产生危害，甚至导致轨道扣件破坏失效，增加维养难度，成为列车安全运营的隐患。桥梁预拱度会抵消部分列车荷载产生的下挠变形，可改善无砟轨道结构的受力和列车运行的线路平顺性。高速铁路无砟轨道大跨桥梁需设置合理的成桥预拱度。大跨桥梁的预拱度控制了无砟轨道的线形，无砟轨道的线形理论上应符合 高速铁路设计规范规定的轨道静态铺设精度标准，即基于矢度差法，当弦长为 时，相距 的任意两测点实际矢度差与设计矢度差的偏差不得大于 。但现有的大跨桥梁很难满足此要求，以昌赣铁路赣江特大桥（主跨 的无砟轨道斜拉桥）为例，在列车静活载作用下，桥梁主跨跨中下挠 ，参考 铁路桥梁钢结构设计规范，成桥预拱度与 静活载所产生的挠度曲线基本相同，但方向相反，考虑收缩徐变效应影响，该桥的跨中预拱幅值应大于 ，此时最大的矢度差等于跨中预拱幅值，远超 的限值。值得注意的是，根据目前大跨度桥梁运营的情况，如天兴洲、安庆、黄冈、铜陵长江大桥等，温度作用下轨道竖向位移均远大于 ，但这些桥均表现出良好的舒适性和安全性。因此，将这一标准机械地套用在大跨桥梁上是值得商榷的，或者说该项条文在大跨桥梁上的适用性尚需专门研究。相关问题已成为制约无砟轨道在大跨铁路桥梁上应用的技术瓶颈。鉴于此，本文提出一种适用于高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥成桥预拱度设置的新方法。首先，提出合理成桥预拱度的计算方法和应满足的基本指标，然后，以昌赣铁路赣江特大桥为例，基于车线桥耦合振动分析模型，分析设置预拱度与否对桥梁结构长期使用性能演变的影响，以验证所提方法的可靠性。成桥预拱度线形确定方法成桥预拱度的设置主要是为了消除运营过程中列车活载、收缩徐变等对桥面线形的影响。考虑列车静活载影响当列车驶过桥跨结构时，会引起桥梁结构变形，通常将半个静活载产生的挠度曲线作为预拱度曲线，但方向相反。对于双线及多线铁路，鉴于列车在桥上交会或并行的概率较小，取单线列车的静活载计算预拱度。考虑收缩徐变效应影响收缩徐变效应会随时间不断加剧桥梁结构的变形，通常在 后收缩徐变变形趋于稳定。在设置抵消收缩徐变引起的下挠变形的预拱度时，如果直接按抵消 后的变形设置，则成桥初期会上拱过大，不利于行车；但如果预拱度设置过小，将不足以抵消收缩徐变变形，也不利于行车。收缩徐变引起的桥梁变形幅值随时间的变化示意见图。收缩徐变引起的桥梁变形并非均匀变化的，随着服役时间的增加，变化趋于平缓。设置抵消收缩徐变变形的合理预拱度可取 收缩徐变变形幅值的算数平均值，使设置的预拱度幅值与每年变形幅值之差（，）的平方和最小。预拱幅值函数（）可表示为（）（）（）（）式中：为收缩徐变变形幅值；为第 年收缩徐变引起的变形幅值。综上，预拱度函数 为（）式中：为列车静活载产生的全桥线形下挠值；为考虑 的收缩徐变作用引起的全桥线形下挠，幅值为。图 收缩徐变变形幅值随时间变化示意通常情况下，按式（）计算得到的预拱线形并不光滑，需采用样条曲线或三角函数对其拟合以满足无砟轨道铺设及高速平顺行车的要求，为此，提出合理成桥预拱度应满足的基本指标。（）曲率半径大于 根据 高速铁路设计规范规定，为保证乘客舒适性，无砟轨道路基沉降不宜超过，沉降比较均匀且调整轨面后的竖曲线半径大于设计时速平方的 倍时，允许的工后沉降为。对于桥梁而言，也应满足此要求，即桥梁预拱线形任一点的曲率半径均需大于 ，为设计速度。铁 道 学 报第 卷（）弦长的弦测偏差不超过 根据 高速铁路工程测量规范对无砟轨道几何形位的要求，需对轨道的中波与长波不平顺进行检测，直接将矢度差法应用于大跨度桥梁往往会导致大幅超限。文献通过对比动检车实测数据和仿真计算结果发现，基于弦测法，采用 弦长输出的轨道不平顺与车体加速度存在很好的相关性，且将对应的弦测容许偏差控制在 内时，车体加速度不会出现级超限。因此，提出将 弦长的弦测容许偏差不超过 作为预拱线形应满足的第 个基本指标。弦测法是以一定长度的直线为基线，以基线中点到轨面的矢距为测量值，见图。图 中，线段 为弦测基线，用 表示；点 为基线中心，点 的弦测矢量值为，用 表示；为 点与轨道相交的竖直线。由于 很小，可近似认为 ，可得 （）（）式中：为各点竖坐标，表示、点。图 弦测法示意 工程实例为验证本文提出的预拱度设置方法，以昌赣客专赣江特大桥为例，计算该桥的合理预拱度线形，建立车线桥耦合振动分析模型，研究预拱度的设置对桥梁长期使用性能的影响，以验证预拱度度设置方法的可靠性。昌赣高速铁路赣州赣江特大桥全长 ，主跨长 ，是世界上跨径最大的高速铁路无砟轨道桥梁之一，轨道为 型，设计速度为 。主梁边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁，其余中跨主梁为箱形钢混凝土结合梁，桥塔为人字形混凝土桥塔。合理预拱度设置为准确分析桥梁在车辆活载和收缩徐变作用下的变形，采用通用有限元分析软件 建立全桥精细化三维仿真分析模型，见图。图 中，斜拉索采用多段并联单元模拟，每根斜拉索由 个杆系单元（）和 个梁单元（）并联而成，全桥共计 个单元；边跨混凝土主梁和中跨钢箱组合梁的混凝土板均用实体单元 模拟，以充分考虑剪力滞后效应，边跨混凝土梁共 个单元，混凝土板共 个单元；钢梁用板单元 模拟钢箱梁，共 个单元；钢梁和混凝土板之间的连接采用弹簧单元模拟，共 个单元；在处理钢混结合段时，将伸出的钢梁单元嵌入到混凝土单元中；桥塔同样采用实体单元 模拟，以充分考虑桥塔受力的空间特性。图 有限元分析模型在施工阶段分析中，采用“追踪单元”沿主梁切线方向激活新单元，采用“迭代降温法”施加斜拉索目标索力，采用“生死单元”实现斜拉索与主梁节段的激活与钝化。收缩徐变的影响采用文献提出的混凝土三维收缩徐变分析模型计算。（）考虑列车活载的预拱度根据建立的有限元分析模型，在列车静活载作用下，桥梁主跨跨中产生了向下幅值为 的变形，因此，考虑列车活载影响的预拱度幅值为 。（）考虑收缩徐变效应的预拱度成桥后 内的收缩徐变引起的梁体下挠见图。按式（）计算得到收缩徐变预拱度幅值为。图 成桥 内桥梁收缩徐变变形最终考虑列车静活载和收缩徐变作用下的合理预拱曲线与单一荷载的预拱度曲线具有相同的谐波波长，半波长为 。设置坐标原点为桥梁主跨跨中位置，直接将单一荷载的预拱度曲线幅值（）相加，即可得到合理预拱曲线的表达式为第 期刘本永等：高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥成桥预拱度设置方法（）（），其他（）合理预拱曲线见图。图 中，黑色曲线为考虑 种因素的合理预拱度曲线。图 合理预拱曲线（）合理预拱度判断指标根据式（）确定全桥预拱线形后，叠加成桥后 内收缩徐变引起的梁体下挠，即可得到设置预拱度后桥梁线形的变化情况，由此可计算 内桥梁线形的最小曲率半径和 基线高程弦测偏差值，以判断是否满足合理预拱度指标。最小的曲率半径随时间的演变规律见图，弦长对应的弦测偏差计算结果见图。结果表明，桥梁在不同服役时期的线形最小曲率半径均大于 （），弦测偏差均小于 。图 桥梁线形最小曲率半径随时间演变图 基线弦测偏差值 基于车线桥耦合分析的预拱度设置方法验证为验证所提成桥预拱度设置方法的合理性，基于西南交通大学自主开发的车线桥动力学分析软件，建立车线桥耦合振动分析模型，见图。图 列车轨道桥梁动态相互作用模型示意车辆模型基于 列车建立，由车体、构架及轮对共 个刚体以及一、二系悬挂组成。每一个刚体考虑垂向、横向、侧滚、摇头、点头共 个运动自由度，因此，每一车辆共有 个自由度，车辆参数见文献。对于无砟轨道模型，建模时将左右两股钢轨均视为离散弹性点支承基础上的无限长 梁，并考虑其垂向、横向及扭转自由度，而道床板则采用板桥壳模型模拟，见图。轨道结构参数见文献。图 无砟轨道动力学模型桥梁模型采用 提供的单元库建立，主梁用“梁格法”模拟，斜拉索用杆单元模拟，桥塔、桥墩等结构采用梁单元模拟。在分析软件 中，车轨及桥轨相互作用模型的建立过程参考文献。列车速度为 ，对比分析预拱度设置与对桥梁长期使用性能的影响。根据成桥 内的收缩徐变引起的桥梁变形，依次计算在第 年的收缩徐变变形的影响下，设置和不设置预拱度 种工况的系统动力学响应。提取车体垂向加速度、桥梁中跨跨中垂向加速度、脱轨系数以及轮重减载率 个动力学指标进行对分析。成桥 内 种工况的各动力学指标幅值对比见图。成桥后第 时，种工况的动力学指标时间历程对比见图。由图、图 可知，随着服役时间增长，预拱度的设置降低了车体垂向加速度、轮重减载率，且服役时间越长，效果越显著。在成桥 后，车体垂向加速度较不设预拱度降低约 ，轮重减载率降低约；桥梁中跨跨中垂向加速度仅在成桥初期有少量差异，且随时间差异减小；而预拱度的设置对脱轨系数几乎没有影响。综上可知，混凝土收缩徐变会使行车平稳性出现较大差异，按本文所提方法设置的预拱度可显著降低车体垂向加速度和轮重减载率，明显改善车线桥系铁 道 学 报第 卷图 有无预拱度的动力学指标幅值对比统动力学性能，对提高运行平稳性具有重要意义。结论本文提出了高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥考虑桥梁收缩徐变的成桥预拱度设置方法和合理预拱度的判图 有无预拱度的动力学指标时间历程对比断指标，并基于列车线路桥梁耦合振动动力仿真分析结果验证所提方法的可靠性，得到如下结论：（）相较于传统不考虑收缩徐变的成桥预拱度，本文所提方法得到的预拱度幅值是传统方法的 倍多，表明将传统预拱度设置方法用于大跨度桥梁时会明显低估成桥预拱度幅值。（）基于本文所提方法，在满足线路竖曲线最小第 期刘本永等：高速铁路无砟轨道大跨斜拉桥成桥预拱度设置方法曲率半径限值和 弦长弦测容许偏差限值的前提下，设置预拱度可降低车体垂向加速度和轮重减载率，使车线桥系统获得更好的动力学性能，对提高车辆运行平稳性具有重要意义。参考文献：陈良江，周勇政 我国高速铁路桥梁技术的发展与实践 高速铁路技术，（）：，（）：余建，蒋丽忠，周旺保，等 考虑跨数和墩高随机的目标震致轨道几何不平顺研究 铁道学报（）：，（）：李的平，文望青，严爱国，等 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