大跨度桥上铺设无砟轨道结构设计研究

周诗广

(铁道部经济规划研究院,北京 100038)

1 概述

高速铁路的高速度、高舒适性、高安全性、高密度连续运营等特点,对其轨下基础提出了严格的要求。轨道应该在列车以规定的最大载重和最高速度运行时,具有足够的强度、稳定性和平顺性,以保证高速行车的需要。桥梁在高速列车荷载作用下,应具有足够的刚度以确保梁体的挠曲变形、预应力徐变上拱以及不均匀温度差引起的桥梁变形控制在一定范围内,且同时具有良好的稳定性。针对大跨度桥上铺设无砟轨道的结构设计进行研究,就高速铁路大跨度桥梁无砟轨道结构设计所应注意的问题进行探讨。

2 桥梁刚度要求

为保证高速列车运营的安全性和舒适性,大跨度桥上铺设无砟轨道结构首先应对桥梁刚度提出要求。桥梁作为列车、轨道的支承结构,应该为轨道结构提供稳定、平顺的支撑基础。列车通过桥梁结构时将使桥梁产生竖向、横向位移,从而引起支座端部产生转角,导致相邻范围内的轨道表面成为不平顺曲线,列车通过该部位时受到激振,影响列车行车的安全性与舒适性。因此,必须要求桥梁具有一定的竖向、横向刚度,才能保证行车安全与乘坐舒适。

由于各个国家桥梁设计技术标准的不同,因此对桥梁刚度的要求也不同。

2.1 日本高速铁路对桥梁刚度的要求

关于铁路构筑物的变形要求,日本2006年2月制订并发布了《铁路构造物设计标准与解说—变形限制》规范予以专门规定。日本铁路桥梁采用基于性能设计的极限状态法的设计体系,根据不同的荷载组合,分别就桥梁的安全性、使用性和可修复性对梁体的变形响应值(刚度)进行检算。一般取双线列车活载来计算,挠度按表1、表4所示值控制。

同时该规范还规定了列车活载作用下轨面不均匀变形的设计限值(折角、错位),如表1～表7所示。

表1 日本新干线铁路基于运营安全确定的梁挠度的设计限值

表2 日本新干线铁路基于运营安全确定的轨面错位的设计限值

表3 日本新干线铁路基于运营安全确定的轨面折角的设计限值

表4 日本新干线铁路基于乘坐舒适度确定的梁挠度的设计限值

表5 日本新干线铁路基于乘坐舒适度确定的轨面错位的设计限值

表6 日本新干线铁路基于乘坐舒适度确定的轨面折角的设计限值

表7 日本新干线铁路基于可修复性确定的轨面不均匀变形的设计限值

除此之外,该规范还要求对桥梁在地震作用状态下横向的振动变形和竖向的轨面不均匀变形等进行检算。由此可见,日本铁路对桥梁的刚度有着全面系统、严格细致的要求。

2.2 德国高速铁路对桥梁刚度的要求

德国《铁路新干线上桥梁特殊规程》(BesBDS899/59),第50条中对跨度小于60 m的简支梁“允许变形的极限值”规定如下：在新干线(即时速超过200 km的线路)上,一般简支梁桥梁端转角限值为1.45‰,多孔连续梁桥梁端转角限值为1.20‰；每延米桥梁长度的转角限值为0.2‰；连续设置单联结构轴线间的水平转角1‰；变形设计时不计动力系数的影响。在跨度大于60 m的情况下应根据计算可适当允许采用较大的变位限值。

在《德国铁路桥梁及其他工程结构物规范(VEI)DS804》中,对桥梁竖向挠跨比作了如表8的补充规定。

表8 德国DS804有关桥梁竖向挠跨比的规定

2.3 UIC标准对桥梁刚度的要求

UIC776-2中规定,对于行车速度超过200 km/h的桥梁,规定如下：桥面垂直挠度fv≤L/800,梁端部转角θ≤1/200 rad,水平挠度fh≤L/4 000,桥梁扭曲最大为1 mm/m。

2.4 我国高速铁路对桥梁刚度的要求

我国《高速铁路设计规范》(TB10621—2009)中对跨度小于96 m的混凝土结构桥梁刚度提出了如表9、表10所示的要求。对于钢结构、钢混结合梁等特殊结构及96 m以上的大跨度桥梁结构的限值则应进行专题研究。

表9 ZK竖向静活载作用下梁体的竖向挠度限值

表10 ZK竖向静活载作用下梁端竖向转角限值

2.5 桥梁横向刚度

列车通过桥梁时引起横向振动的因素较竖向复杂,各国对车桥横向振动的研究相对较少,同时,各国对横向刚度值评价指标的规定也是不一致。综合起来,其评价指标主要包括4类：宽跨比、挠跨比、自振周期和振幅。根据宽严程度的不同,大致可分为3个层次,以日本新干线标准、我国广深铁路标准最严,AREA-1983、TBJ2-85、UIC76-2R、法国国铁次之,BS5400、DS899/59为最宽。具有代表性的几种规范限值见表11。

表11 具有代表性的桥梁横向刚度的规定

注：B为梁宽(m)；L为跨径(m)；[fh]为允许挠度(m)；T为横向自振周期。

国际铁路联盟UIC776-2R规定桥梁水平挠跨比小于1/4 000,计算水平挠度的荷载为由UIC荷载与风荷载、温度荷载所产生的水平力。

3 梁端扣件系统受力

桥梁因挠曲、徐变等因素引起的梁端变形使梁缝两侧一定范围内扣件产生上拔力和下压力,当扣件上拔力和下压力超过一定限值时,将影响扣件系统的正常使用。因此，对扣件系统受力进行研究,计算分析扣件是否失效直接关系到运营的安全性。

影响梁端扣件上拔力的因素：列车荷载作用下的梁端转角；徐变上拱转角；相邻两墩的沉降差异；同墩的两支座沉降差异；列车荷载的作用；桥梁上下梁面的温差梯度引起的转角；桥梁的整体温度差；桥梁的收缩(变短)；列车制动→墩的偏移；墩台的左右两侧温差引起墩的偏移；线路坡度。

由上述因素引起的的梁端结构变形包括：梁端支座截面竖向转角、梁缝两侧支座截面竖向相对位移,图1、图2为梁端及桥台处钢轨与梁体变形示意图。

图1 梁端支座截面竖向转角带动轨道变形示意

图2 桥台处桥梁转动示意

计算梁端轨道板结构变形引起扣件上拔力,如图3所示，可采用梁轨一体化计算模型，综合上述影响因素进行分析。根据计算分析结果,选择满足扣件上拔力要求的扣件系统。

图3 梁轨一体化扣件系统受力分析模型

图4 不同梁端转角扣件系统受力

对扣件上拔力影响最大的是梁端转角和相邻梁体由于支座变形等引起的错台,图4、图5分别为不同梁端转角和错台高低对扣件系统受力的影响。

图5 不同错台高度扣件系统受力

4 道床板(轨道板)稳定性

无砟轨道道床板(轨道板)与底座为分离式层状结构,当扣件的上拔力较大时,引起道床板(轨道板)上抬,严重情况下可使道床板(轨道板)与底座脱离,影响轨道结构的稳定性。所以需对大跨度桥梁上铺设无砟轨道对道床板稳定性的影响进行分析。

大跨度桥上道床板稳定性问题主要是由于扣件上拔力引起的,一般梁端道床板上扣件上拔力较其他地段大,所以大跨度桥梁道床板稳定性计算分析主要针对梁端道床板进行。如图6所示,计算分析可将道床板视为置于刚性基础上的半无限长梁,假设梁在弹性范围内发生纯弯曲变形,则刚性基础上长梁上抬长度和抬起量可用近似微分方程采取初参数法求得。

图6 无限长梁上抬长度及上抬位移图示

由于截面O处的曲率半径趋于无限长,故知截面O上的弯矩应为0,即M0=0,根据力矩平衡有

再由y方向力的平衡条件可求得截面O处的剪力

又根据y0=0,θ0=0,的边界条件,应用初参数法可求得长梁的挠曲线方程为

即可得,道床板上抬位移为

当l

对于板式无砟轨道,其轨道板上抬稳定性与轨道板自重及轨道板厚度有关。图7、图8为轨道板厚度不同时,轨道板上抬稳定性分析的结果。计算中,轨道板宽度取2.4 m,长度4.962 m,扣件间距为0.629 m。扣件上拔力只考虑作用于板端第1个扣件8 kN的上拔力,扣件距离板端280 mm。

图7 轨道板上抬长度随轨道板厚度变化曲线

图8 轨道板上抬位移随轨道板厚度变化曲线

5 大梁缝处无砟轨道结构设计

无砟轨道的扣件节点间距一般都在600～650 mm,但是目前在设计中由于小半径曲线、大梁跨或连续梁考虑梁体的位移变化以及考虑进人检查等因素,其梁缝均超过100 mm。从而导致梁缝处扣件节点间距出现大于650 mm的情况。

大梁缝处的结构设计方案,随梁缝的大小和轨道结构形式的不同而不同。以单元板式轨道为例,针对大梁缝处扣件节点间距超过725 mm和不超过725 mm的不同情况,武广高速铁路提出了2种设计方案。

(1)梁端最大扣件节点间距不超过725 mm

最大扣件节点间距不超过725 mm时,为解决梁端扣件节点间距超过650 mm的问题,采用的设计方案：梁缝处扣件节点最大间距按725 mm控制,当梁缝大于250 mm时,采用底座悬臂最大长度80 mm方案,轨道板板端第1组扣件与板端距离缩短至225 mm。

(2)最大扣件节点间距超过725 mm

最大扣件节点间距超过725 mm时,若采用上述方案，可能会对列车运行的平顺性、安全性产生影响,对于这种情况,如图9所示,可以采用在梁缝处设搭梁的方案。

图9 大梁缝处搭梁设计方案

该方案需对具体桥梁进行详细的设计和结构计算,图10为武广高速铁路汀泗河特大桥梁端搭梁(亦称过渡板)结构设计。

图10 汀泗河特大桥梁端搭梁结构设计

如图11所示,大梁缝处过渡板结构由过渡板和限位板2部分组成。过渡板底面设板式支座,板端部设限位结构以限制过渡板在横向的移动,过渡板可现浇而成,如图12所示。限位板通过梁面植筋与桥面相连,由钢筋混凝土现场浇筑而成。限位板上设限位装置,以限制过渡板的横向移动,如图13所示。

图11 大梁缝过渡板处纵断面结构设计

图12 限位板横断面结构设计

图13 过渡板横断面结构设计

6 伸缩调节器区无砟轨道结构设计

大跨度桥梁在温度荷载作用下,梁-轨伸缩位移较大,为避免轨枕与道床之间过大的相对位移会破坏轨道和桥梁结构,须在无缝线路上设置钢轨伸缩调节器,以便能明显改善桥梁和轨道的运营状态。目前国内桥上伸缩调节器区无砟轨道结构主要采用轨枕埋入式设计,该区域内的结构设计与道岔区尖轨处相似。

钢轨伸缩调节器区段的无砟轨道结构,从上至下由钢轨伸缩调节器、扣件、长枕、道床板、道床板限位结构、桥面保护层等组成。

图14为武广高速铁路衡阳湘江特大桥上的钢轨伸缩条件器,道床板由钢筋混凝土现场浇筑而成,厚260 mm,道床板宽度可为2 800～3 200 mm,道床板采用分块设置，长度为5～7 m。道床板顶面根据具体情况设置一定的横向排水坡。纵横向钢筋及纵向钢筋间根据综合接地和轨道电路绝缘要求设置焊接接头或绝缘卡。道床板下设置C40钢筋混凝土底座,每块道床板范围内设置2个限位凸台,道床板与保护层之间设置中间滑动层。

7 结论

由于桥梁跨度大、挠度大、梁端转角大,加之大梁缝、钢轨的线性控制等方面的原因,大跨度桥梁铺设无砟轨道结构比较困难。针对大跨度桥上铺设无砟轨道结构所涉及到的桥梁刚度、梁端道床板稳定性、扣件上拔力计算、大梁缝处轨道结构设计以及钢轨伸缩调节器区无砟轨道结构设计等问题进行了探讨和分析,以期能为大跨度桥上无砟轨道结构设计提供有益的参考。

[1]何华武.无碴轨道技术[M].北京:中国铁道出版社，2005.

[2]赵国堂.高速铁路无砟轨道结构[M].北京:中国铁道出版社，2006.

[3]日本铁道综合技术研究所.铁道构筑物等设计标准及解说-变形限制[M].东京:丸善株式会社，2006.

[4]中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2009.