长联大跨部分斜拉桥上无砟轨道平顺性分析.pdf

NO.3(Ser.294)JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第3 期（总2 9 4）Mar2023程报学道铁2023年3 月文章编号：10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 3-0 0 2 0-0 7长联大跨部分斜拉桥上上无轨道平顺性分析贾东荣米米（中铁上海工程局集团第七工程有限公司，西安 7 10 0 0 0)摘要：研究目的：为探究长联大跨部分斜拉桥平顺性影响因素，以长青黄河特大桥为对象，考虑列车荷载、主梁主塔整体升温、斜拉索升温和主梁垂向温度梯度外部荷载因素，建立非线性静力学仿真模型，分析这些因素对大跨连续梁上无硫轨道的影响，并基于6 0 m弦测法，分析这些影响因素组合时对轨道高低不平顺幅值的影响。研究结论：（1）桥塔升温和斜拉索降温会降低列车荷载作用下轨道不平顺幅值；（2）日照温差（沿梁高方向）、塔梁日温差与梁索温差对轨道高低不平顺的影响系数分别为0.3 4mm/、0.18 m m/、0.13 m m/；（3）拟合了包含列车荷载、主梁主塔整体升温、斜拉索升温和主梁垂向温度梯度多工况控制作用下的轨道高低不平顺幅值计算公式；（4）本研究结论可为超长长联大跨部分斜拉桥上铺设无确轨道平顺性研究提供参考。关键词：高速铁路；连续梁；斜拉桥；无轨道；平顺性中图分类号：U213文献标识码：AAnalysis of Smoothness of Ballastless Track on Long-span Partial Cable-stayed BridgeJIA Dongrong(The Seventh Engineering Corporation of CREC Shanghai Group,Xian,Shaanxi 710000,ChinaAbstract:Research purposes:In order to investigate the influence factors on the smoothness of long and large-spanpartial cable-stayed bridges,the Changqing Yellow River Super-large Bridge is used as the object,and the externalload factors of train load,overall warming of the main girder main tower,warming of the stayed cable and verticaltemperature gradient of the main girder are considered,and a nonlinear static simulation model is established to analyzethe influence of these factors on the ballastless track on large-span continuous girders,and based on the 60 m stringmeasurement method,the influence of the combination of these factors on the amplitude of track unsmoothness isanalyzed.Research conclusions:(1)Tower warming and cable cooling will reduce the amplitude of track unsmoothness undertrain load.(2)The coefficients of daylight temperature difference(along the girder height direction),tower and girderdaily temperature difference and girder and cable temperature difference on track unsmoothness are 0.34 mm/C,0.18 mm/a n d 0.13 mm/,r e s p e c t i v e l y.(3)T h e f o r mu l a e f o r t h e c a l c u l a t i o n o f t r a c k u n s mo o t h n e s s a mp l i t u d eunder the effect of multiple working conditions including train load,main girder tower warming,stayed cable warmingand main girder vertical temperature gradient are fitted.(4)The research results can provide reference for the researchon the smoothness of ballastless track laid on super-long and long-span partial cable-stayed bridge.Key words:high-speed railway;continuous girder;cable-stayed bridge;ballastless track;smoothness*收稿日期：2 0 2 2-10-19*作者简介：贾东荣，19 8 2 年出生，男，高级工程师，现任中铁上海工程局集团第七工程有限公司党委书记、执行董事。贾东荣：长联大跨部分斜拉桥上无碓轨道平顺性分析第3 期21目前我国高速铁路已进人规模化运营阶段，无轨道作为我国高速铁路的主要结构形式，具有结构稳固、平顺性高、维修量少以及受力性能良好等优点 。我国高速线路多采用“以桥代路”的形式，保证线路的高平顺性，而长联大跨部分斜拉桥在温度荷载与活载的作用下会产生较大的挠曲，产生周期性的长波不平顺，影响列车安全平稳运行 2,3 。O近年来，学者们针对大跨桥上无诈轨道平顺性分析开展了研究。朱志辉等 4 对大跨桥无诈轨道系统适应性展开了研究，为平顺性研究提供了参考；刘超等 5 以百合郁江特大桥为例,结合6 0 m中点弦测法、竖曲线半径评价法、舒适度评价法对轨道静态平顺性进行评估，认为以上三种评价方法均可以较好地对轨道静态平顺性进行评价分析，列车动力响应较好；魏贤奎等 6 基于10 m中点弦测法对某主跨52 2 m斜拉桥进行线路静态几何状态评估，认为在温度、人群、列车等多项荷载作用下轨道的高低不平顺最大值超出了作业验收标准限值，但列车动力响应在容许限值内；李秋义等 7 以裕溪河特大桥为例，分析了极端温度变形下列车动力性能，研究表明各动力指标满足要求。目前对于桥上无轨道平顺性研究主要针对大跨度桥梁，对于长联大跨部分斜拉桥平顺性影响分析尚属首例,本文以在建的长清黄河特大桥为研究对象，研究了列车荷载与温度荷载对长联大跨部分斜拉桥平顺性的影响,并基于6 0 m弦测法，分析这些影响因素组合时对轨道高低不平顺幅值的影响，确定各因素的影响系数,提出综合考虑这些影响下，基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值计算理论。1桥一轨一体化有限元模型在建的长清黄河特大桥为预应力混凝土部分斜拉桥，全长为10 8 0 m，跨径布置为（10 8+42 16+10 8)m，该桥采用塔墩固结，半漂浮体系，梁底设置支座，中墩固定支座在强震作用下可以被剪断，形成漂浮体系。主桥位于直线上，铺设CRTS型板式无轨道，设计速度3 50 km/h。大跨斜拉桥和轨道模型均采用Midas软件建立，建模时，桥塔、主梁、桥墩、钢轨、轨道板及底座板均采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。扣件纵向刚度、轨道板与底座板之间的摩擦阻力采用非线性弹簧模拟，扣件垂向、横向刚度、桥墩支座及凸台采用线性弹簧模拟；阻尼器采用阻尼弹簧模拟。桥轨一体化有限元模型如图1所示。图1桥一轨一体化有限元模型2轨道高低不平顺影响因素分析2.1弦测法中点弦测法是基于弦线基准测量系统应用广泛的一种方法，其计算模型如图2 所示，任一点的不平顺幅值如式(1)所示 8 。由京津城际基础设施状态评估及提升技术研究可知，6 0 m波长可以全部覆盖时速为3 50 km动车组列车的垂向敏感波长范围，故本文选取6 0 m弦长的中点弦测法对轨道进行平顺性分析。U=一h：+hi+L)(1)2.2控制标准依据高速铁路无诈轨道线路维修规则（试行）hi-lhihiLi-Li+L图2中点弦测法示意图（T G/G W 1152 0 12）的控制标准，结合京津城际基础设施状态评估及提升技术研究运营期高铁轨道平顺性提升关键技术研究报告的相关研究成果，基于60m中点弦测法的3 50 km/h线路轨面高低不平顺的超限控制标准如表1所示。2023年3 月报程学道铁22表1基于6 0 m中点弦测法轨面高低不平顺控制标准项目名称经常保养舒适度临时补修限速偏差等级级级级V级容许偏差值/mm7111621车体加速度/(ms)1.01.52.02.52.3列车荷载作用列车荷载是对铁路桥梁变形影响最大的荷载之一，在列车荷载作用下桥梁产生的挠曲会影响轨道的平顺性。本文采用ZK标准活载，结合是否考虑双线列车会车与列车荷载的作用位置，设置了4种工况，如表2 所示。表2列车荷载工况工况是否考虑会车列车荷载作用位置1考虑双线列车会车桥梁边跨2考虑双线列车会车桥梁跨中3不考虑会车桥梁边跨4不考虑会车桥梁跨中各工况下钢轨垂向位移、轨道高低不平顺6 0 m弦矢差如图3 所示。40201，0-20注：40工况1；工况2;-60工况3；工况4-8002004006008001 000桥梁坐标/m（a）钢轨垂向位移注：12工况1；一工况2；10.工况3;一工况4864202004006008001 000桥梁坐标/m（b）轨道高低不平顺6 0 m弦矢差图3列车荷载作用下钢轨垂向位移与轨道高低不平顺6 0 m弦矢差钢轨垂向位移峰值及轨道高低不平顺峰值均集中在每跨跨中和墩台位置；考虑双线列车交会时,列车荷载产生的钢轨的垂向位移与轨道高低不平顺均为考虑单线列车荷载时的2 倍；仅考虑单线列车荷载时，轨道的平顺性较好,基于6 0 m中点弦测法的轨道不平顺幅值未突破I级；考虑双线列车交会时,基于6 0 m中点弦测法的轨道不平顺幅值均未突破级，可以满足列车正常运行。双线列车交会于斜拉桥一侧时对轨道平顺性的影响较大，故后续列车荷载均按双线列车交会于斜拉桥一侧时考虑。2.4梁塔升温作用本文所研究斜拉桥主梁、桥塔均为钢筋混凝土结构，材料一致，两者在实际运营中温差较小，故可忽略梁塔温差，荷载工况如表3 所示。表3塔梁整体升温工况工况主梁和桥塔升温15210315420各工况计算结果如图4所示，梁塔升温会引起主梁发生不同程度的上拱，钢轨垂向变形与升温幅度呈现正相关；各工况下钢轨垂向变形和6 0 m弦矢差幅值位于第2 跨和第5跨跨中附近；线路基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值均未突破I级，可以满足列车正常运行2.5梁索温差作用在日照作用下，斜拉索与梁体间温度变化差异会对梁体位移产生影响，从而使钢轨产生周期性的高低不平顺。为研究梁索温差对轨道高低不平顺的影响，设置的荷载工况如表4所示。表4斜拉索升温工况设置工况主梁升温斜拉索升温梁索温差115 15 02152053152510415 301551535 20梁索温差作用下钢轨垂向位移与轨道高低不平顺60m弦矢差如图5所示。由图5可知，当梁索无温差时，钢轨垂向位移和轨道不平顺幅值较小，当主梁与斜拉索之间存在温差时所产生的钢轨垂向位移较大。幅值点位于第2 跨和第5跨跨中附近，梁索温差引起的幅值点位置与梁塔升温引起的幅值点位置接近。线路基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值均未突破I级，可以满足列车正常运行。因此长联大跨部分贾东荣：长联大跨部分斜拉桥上无碓轨道平顺性分析第3 期2325注：:一工况1;一工况2;工况3；20/工况41510：.5002004006008001000桥梁坐标/m（a）钢轨垂向位移4.0注：一一工况1;-工况2;3.5工况3;wu/093.0一工况42.5i一2.01一八1.51.-：11.0：0.5002004006008001 000桥梁坐标/m（b）轨道高低不平顺6 0 m弦差图4梁塔升温作用下钢轨垂向位移与轨道高低不平顺6 0 m弦矢差斜拉桥施工及运营过程中需尽量降低梁索温差，以避免温差过大对轨道高低平顺性产生影响。2.6日照温差作用本文所研究桥梁为东西走向，桥梁截面可分为受阳面与背阴面，在日照作用下桥梁会产生一定的变形，从而产生周期性的轨道不平顺。所以需要分析日照温差对轨道平顺性的影响，因此设置了4种工况，如表5所示。表5日照温差工况设置日照温差日照温差工况（沿梁宽方向）（沿梁高方向）11021053101041020各工况计算结果如图6 所示。由图6 可知，仅在沿梁宽方向10 日照温差作用下，钢轨垂向位移几乎为0，故沿梁宽方向的日照温差对钢轨的垂向位移不5011I注工况1；工况2；-10工况3；工况4；工况5-1502004006008001 000桥梁坐标/m（a）钢轨垂向位移3.0注：一工况1；一工况4;工况2；一工况52.5工况3；2.0小.1.小1.11.5111.00.502004006008001000桥梁坐标/m(b）轨道高低不平顺6 0 m弦矢差图5梁索温差作用下钢轨垂向位移与轨道高低不平顺6 0 m弦矢差产生影响；而沿梁高方向的日照温差对钢轨的垂向位移影响较大，各工况作用下钢轨垂向位移和轨道不平顺幅值位于第2 跨、第5跨跨中，与梁索温差作用下幅值点位置接近。轨道高低不平顺主要集中在梁缝与每跨跨中位置，基于6 0 m弦测法的轨道不平顺幅值均未突破I级，可以满足列车正常运行。20注：一工况1；工况2；10工况3；工况40A-10-20-3002004006008001000桥梁坐标/m(a）钢轨垂向位移2023年3 月程报学道铁24注：一一工况1；工况2；6工况3；-工况45432102004006008001000桥梁坐标/m（b）轨道高低不平顺6 0 m弦矢差图6日照温差作用下钢轨垂向位移与轨道高低不平顺6 0 m弦矢差3轨道不平顺综合分析由上述计算结果可知，列车荷载、主梁主塔升温、斜拉索升温和主梁垂向温度梯度对轨道不平顺影响较大。为掌握大跨度铁路桥梁运营期内各种荷载对钢轨平顺性的影响规律，本文综合考虑各个因素，分析这些影响因素组合时对钢轨垂向位移幅值与轨道高低不平顺幅值的影响3.1梁塔升温与斜拉索升温在梁塔与斜拉索不同的温升设置下6 0 m弦最大矢差如图7 所示。43210201520斜拉索升温/1015105500主塔主梁升温/(a)曲面图203.5183.0164202.52.081.561.040.520005101520主塔主梁升温/(b)等高线图图7梁塔升温与斜拉索升温作用下轨道高低不平顺幅值由图7 可知，梁塔整体升温与斜拉索升温单独作用时，两者均对6 0 m弦最大矢差产生正相关影响。但由于梁塔整体升温与斜拉索升温产生的钢轨位移方向相反，所以两者同时作用时，钢轨位移幅值与高低不平顺幅值反而较小。两者共同作用时对轨道高低不平顺的影响系数为0.48 mm/。两者单独作用时，梁塔整体升温对6 0 m弦最大矢差的影响系数为0.18 mm/；斜拉索升温对6 0 m弦最大矢差的影响系数为0.13 mm/3.2梁塔升温与沿梁高方向日照温差在梁塔升温与垂向日照温差作用下，6 0 m弦最大矢差如图8 所示。u/09432，10201520垂向温度梯度/1051015500主塔主梁升温/(a)曲面图20618165420438264120005101520主塔主梁升温/(b)等高线图图8梁塔升温与日照温差作用下轨道高低不平顺幅值由图8（a）可知，梁塔整体升温与日照温差单独作用时，两者均对轨道高低不平顺幅值产生正相关影响，日照温差对轨道高低不平顺幅值的影响较大，梁塔升温对轨道高低不平顺幅值的影响较小。两种温度共同作用时，对轨道高低不平顺的影响存在一定的抵消。由图8(b)可知，梁塔整体升温与斜拉索升温两者共同作用时对轨道高低不平顺幅值的影响系数为0.33mm/。两者单独作用时，梁塔整体升温对6 0 m弦最大矢差的影响系数为0.18 mm/；日照温差对60m弦最大矢差的影响系数为0.3 4mm/。第3 期贾东荣：长联大跨部分斜拉桥上无作轨道平顺性分析3.3沿梁高日照温差与斜拉索升温在日照温差与斜拉索升温工况的作用下，6 0 m弦矢差如图9 所示。1086420201520垂向温度梯度/1010155500斜拉索升温/(a)曲面图20918816742065846342210005101520斜拉索升温/(b)等高线图图9梁塔升温与斜拉索升温作用下6 0 m弦矢差幅值由图9 可知，梁塔整体升温与垂向温度梯度单独作用时，两者均对桥梁最大垂向位移与6 0 m弦最大矢差产生正相关影响，日照温差对轨道高低不平顺幅值的影响较大，斜拉索升温对轨道高低不平顺幅值的影响较小。日照温差与斜拉索升温共同作用时对轨道高低不平顺幅值的影响系数为0.47 mm/。两者单独作用时，日照温差对6 0 m弦最大差的影响系数为0.34mm/；斜拉索升温对6 0 m弦最大矢差的影响系数为0.13 mm/3.4多影响因素综合分析在列车荷载作用基础上，综合考虑梁塔整体升温、斜拉索升温和主梁垂向日照温差，分析其对高低不平顺幅值的影响。将汇总数据以三维热力图的形式呈现，多工况作用下基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值的变化趋势如图10 所示。采用插值法对图10 中数据进行拟合得到式（2）。z=5.995k-0.1243T,+0.0945T,+0.215T3(2)式中ki一列-列车荷载系数，单线列车荷载取1，考虑18201716151024325020152011主塔主梁升温/101510105500斜拉索升温/图10多工况作用下轨道高低不平顺幅值双线列车交会时取2；基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺Z幅值；T一一主梁与主塔升温度数；T2一斜拉索升温度数；T3垂向温度梯度（沿梁高方向日照温差）。由图10、式（2)可知,基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值随斜拉索升温与日照温差的增大而增大，随主梁、主塔升温的增大而减小。其原因为：受热胀冷缩的影响，主梁与桥塔升温时，桥塔高度会增大，带动斜拉索与主梁产生一个向上的位移,起到类似预拱度的作用。这会在一定程度上降低列车荷载作用下主梁的下挠。斜拉桥主体结构整体升温时（各结构间无温差），轨道高低不平顺幅值较小，但当主梁、桥塔与斜拉索之间存在较大温差时，产生的钢轨垂向位移幅值与轨道高低不平顺幅值较大。所以为了轨道高低不平顺限值的要求，在高速铁路斜拉桥运营时应避免产生较大的梁索温差。在15桥梁日温差、5梁索温差、10 日照温差作用下，考虑双线列车交会于桥梁边跨时，利用有限元模型计算得到基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值为14.18 mm，利用式（2）拟合公式计算得到轨道高低不平顺幅值为14.17 mm，静态平顺性评价均处于级标准；不考虑列车交会时，利用有限元模型计算得到基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值为8.2 0 mm，利用式（2）拟合公式计算得到轨道高低不平顺幅值为8.17 mm，静态平顺性评价均处于I级标准。公式计算结果与有限元计算结果相近，误差小于1%，该公式可以为大跨度斜拉桥轨道平顺性验收工作提供一定的参考。4结论本文针对在建的长清黄河特大桥，建立了桥一轨模型,开展了温度及列车荷载对轨道结构平顺性的影2023年3 月报程道铁学26响分析，所得主要结论如下：(1)在15主梁日照温差、5梁索温差、10 垂向温度梯度作用下，单线列车荷载作用于桥梁最不利位置时基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值为6.15mm，静态平顺性处于I级标准，考虑双线列车交会于桥梁最不利位置时基于6 0 m中点弦测法的轨道高低不平顺幅值为14.9 6 mm，静态平顺性处于级标准，以上两种情况均可满足列车正常运行。（2)塔梁整体升温和斜拉索降温带来的梁体上拱会起到“预拱度”的作用，在一定程度上减缓列车荷载作用下的梁体下挠，降低轨道高低不平顺幅值，但斜拉索升温与日照温差（沿梁高方向）均会增大轨道高低不平顺幅值。在线路运营时应做好桥梁各构件的温度检测工作，避免温度变化对轨道高低不平顺带来较大的影响。（3)各因素中列车荷载对钢轨平顺性影响最大,其次为日照温差（沿梁高方向），最后是塔梁日温差与梁索温差。日照温差（沿梁高方向）、塔梁日温差与梁索温差对轨道高低不平顺的影响系数分别为0.3 4mm/、0.18 mm/,0.13 m m/。（4）拟合了包含列车荷载、主梁主塔整体升温、斜拉索升温和主梁垂向温度梯度的轨道高低不平顺幅值计算公式，可以为大跨度斜拉桥轨道平顺性验收工作提供一定的参考。参考文献：1杨荣山.高速铁路无诈轨道伤损分析与修复技术M.北京：中国铁道出版社，2 0 17.YangRongshan.DamageAnalysisandRepairTechnology of High-Speed Railway Ballastless Track M.Beijing:China Railway Publishing House,2017.2翟婉明，赵春发现代轨道交通工程科技前沿与挑战J.西南交通大学学报，2 0 16（2）：2 0 9-2 2 6.ZhaiWanming,ZhaoCChunfa.FrontiersandChallenges of Sciences and Technologies in ModernRailway Engineering J.Journal of SouthwestJiaotong University,2016(2):209-226.3郑健中国高速铁路桥梁M.北京：高等教育出版社，2008.Zheng Jian.China High-speed Railway Bridge M.Beijing:Higher Education Press,2008.4朱志辉，闫铭铭，李晓光，等.大跨度斜拉桥无诈轨道结构变形适应性研究 J.中国铁道科学，2 0 19（2）：16-24.Zhu Zhihui,Yan Mingming,Li Xiaoguang,etc.Deformation Adaptability of Long-Span Cable-StayedBridge and Ballastless Track Structure J.ChinaRailway Science,2019(2):16-24.5刘超，魏周春，张岷，等.高速铁路3 0 0 m以上跨度桥梁线形评价标准研究 J.铁道标准设计，2 0 2 1（9）：6 2-6 7.Liu Chao,Wei Zhouchun,Zhang Min,etc.Researchon the Evaluation Standard of the Profile of High SpeedRailway Bridges of Over 300 m Span J.RailwayStandard Design,2021(9):62-67.6魏贤奎，禹壮壮，刘涂中，等.大跨度斜拉桥轨道的几何形位评估分析 J.铁道建筑，2 0 2 1（5）：10 9-114.Wei Xiankui,Yu Zhuangzhuang,Liu Ganzhong,etc.Evaluation and Analysis of Track Geometry of LongSpan Cable-stayed Bridge J.Railway Engineering,2021(5):109-114.7李秋义，张晓江，韦合导.商合杭高铁裕溪河特大桥铺设无轨道关键技术研究 J.中国铁路，2 0 2 0（6）：44-51.Li Qiuyi,Zhang Xiaojiang,Wei Hedao.Research onthe Key Technology of Laying Ballastless Track on YuxiRiver Super Long Bridge of Shangqiu-Hefei-Hangzhou High Speed Railway J.China Railway,2020(6):44-51.8F Poisson,F Margiocchi.The Use of Dynamic Damperson the Rail to Reduce the Noise of Steel Railway BridgesJ.Journal of Sound and Vibration,2006(3-5):944-952.