高速铁路道岔区桥梁设计综述

姚汉文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

高速铁路道岔区桥梁设计综述

姚汉文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

综合桥上无缝线路和无缝道岔的技术特点，桥上铺设无缝道岔对高速铁路桥梁设计提出了更高的要求。针对高速铁路咽喉区和渡线道岔区特点，确定无昨轨道无缝道岔对桥梁结构变形及梁缝位置的要求，提出道岔区桥梁设计原则与技术要求，以及典型道岔区桥梁布置以及结构形式。高速铁路道岔区桥梁设计以道岔与桥梁相互作用理论为基拙，充分考虑轨道作用力的影响，通过车-岔-桥耦合动力响应分析，确保高速列车运行的安全性、平稳性。

高速铁路；桥梁；道岔；设计；综述

1 概述

高速铁路桥上铺设无缝道岔,具有不同于普通无缝线路的受力特性。在温度、列车荷载作用下,梁体、道岔之间发生相对位移,相互作用。无缝道岔的铺设对桥梁梁体及下部结构的刚度、温度变形等提出了更高的要求。由于无缝道岔对变形比较敏感,梁缝处桥梁位移不连续,影响无缝道岔的正常使用。

道岔区桥梁一般可分为正线道岔区桥梁和站线道岔区桥梁,正线道岔区桥梁最常见的是渡线道岔桥梁,站线道岔区桥梁主要有二线变四线、二线变三线、一线变二线等多种布置方式。

道岔区桥梁结构主要采用连续梁、连续刚构,结合线路、地质、地形条件可采用框架或刚架结构,轨底至梁顶1.50 m高,使道岔等同布置于路基,避开无缝道岔不能跨越梁缝和桥路过渡段的限制。使用条件有特别要求的,也可以采用其他结构形式,如连续梁拱组合桥式方案。

由于道岔区桥梁的特殊性,连续梁跨度以32 m居多。桥上布置渡线的桥梁采用6×32 m等截面连续梁,桥上布置岔线的桥梁一般采用3×32 m、4×32 m、6× 32 m连续梁,联长不宜超过200 m,框架结构跨度不宜超过12 m。跨越道路及河流,道岔区桥梁主跨也可超过48 m,在充分考虑道岔-桥梁静力相互作用的同时,必须充分考虑车-岔-桥系统的动力性能。

道岔与桥梁孔跨布置的相对关系十分重要,道岔桥梁应系统设计。在方案研究的前期,桥梁与站场道岔布置方案应密切配合,相互协调。在结构设计阶段,依据轨道结构类型,桥面布置需充分考虑排水、转辙机、接触网基础布置。

2 道岔区桥梁设计原则与技术要求

桥梁上部结构宜采用整体性好、刚度大、稳定性好的桥梁结构形式,以保证桥梁和轨道结构的安全和良好的动力性能。高速铁路正线无缝道岔宜布置在一联梁上。道岔全长范围内梁体宜采用连续结构。出于梁轨相对位移和道岔受力的考虑,道岔岔头、岔尾距离梁端不宜小于18 m。站线道岔在困难条件下,道岔连接部分可跨越梁缝,但应满足尖轨尖端、尖轨跟端、心轨尖端、心轨跟端距离梁缝不小于18 m的要求。

两联铺设无缝道岔的连续梁之间宜设置一孔以上简支梁。桥上为渡线时,孔跨布置宜以渡线中心对称布置。桥梁纵向固定支座及横向固定支座应尽量减小温度跨度,相邻简支梁固定支座布置应有利于道岔变形与受力。加大固定墩纵向刚度,降低无缝道岔基本轨伸缩附加力,保持无缝道岔的稳定性。

道岔区桥梁应满足车、岔、桥耦合动力性能要求及道岔对桥梁的技术指标要求。一般情况下,道岔区桥梁最主要的控制指标:(1)道岔转辙机处桥、轨相对位移不能超过5 mm；(2)列车通过时车、岔、桥的耦合振动,各车轮上瞬时减载率不能超过0.80。

3 道岔区桥梁布置及结构形式

以常用的18号高速道岔为例说明。

3.1 典型梁桥布置形式

(1)桥上单组道岔

桥跨布置形式为4×32 m连续梁,道岔尖轨尖端和心轨跟端到梁端梁缝距离相等,见图1。

图1 单组道岔岔梁布置

(2)桥上单渡线

桥跨布置形式为6×32 m连续梁,渡线中心与连续梁中心对应布置,见图2。

(3)桥上双八字渡线

图2 单渡线岔梁布置

桥跨布置形式为6×32 m连续梁+2―32 m简支梁+6×32 m连续梁,两联连续梁之间设置2孔简支梁,见图3。

图3 双八字渡线区桥梁布置

(4)典型咽喉区

桥跨布置形式为4×32 m连续梁+3×32 m连续梁,见图4。

图4 典型咽喉区桥梁布置

3.2 桥梁结构形式

(1)连续梁

对于3×32 m、4×32 m、6×32 m等小跨度连续梁,梁体采用单室、斜腹板、等高度箱形截面,纵向预应力体系。箱梁顶部宽13.4 m,箱梁底宽5.5 m,梁高为3.05 m；中支点处设置厚2.0 m横隔板,端支座处设置厚1.5 m端横隔板,全桥不设预拱度。

(2)框架桥

结合咽喉道岔区采用多孔8～12 m密排框架。如京沪高速铁路徐州京杭运河特大桥,桥梁位于徐州东站北咽喉区。桥上共设8组18号道岔、4组42号道岔,道岔区采用86孔8 m密排框架。框架总长862.5 m,框架净高9.5～12.7 m,净宽8.28～8.78 m,框架横向长23 m,顶宽26.4 m,外侧接悬臂。

(3)组合结构

杭长客运专线赣江特大桥跨九龙大道,由于渡线位于桥上,桥式方案采用3×32 m+102 m非对称连续梁拱组合结构形式。

主跨梁体采用单箱双室预应力混凝土箱形截面,拱肋采用钢筋混凝土截面；吊杆采用平行钢丝垂直吊索体系。该结构体系外形优美,整体刚度大,采用钢筋混凝土拱肋温度对结构影响相对较小。中主墩设纵向固定支座,其余均为多向活动支座。两主墩横向均设3个支座,横向固定支座设在中间。桥梁布置见图5。

主梁标准桥面宽14.2 m,梁底宽10.8 m,梁高3.05 m,顶板厚0.5 m,底板厚0.5 m,腹板厚0.50 m,箱梁采用C50预应力混凝土。

图5 桥梁布置（单位：cm)

采用‘先梁后拱’施工方法,拱肋合龙后按指定次序张拉吊杆,调整吊杆力；张拉主梁后期钢索；施工桥面系；拆除主梁下支架,调整吊杆力到成桥设计索力。

本桥道岔区主跨达102 m,通过对桥梁与无缝道岔的纵向静态相互作用和车辆-道岔-桥梁系统的动态相互作用研究,以及连续梁拱桥与无缝道岔静、动相互作用综合试验,验证了本桥结构满足无缝道岔受力及结构要求。

4 道岔梁结构设计

结合桥梁及道岔受力及变形规律、“车-岔-桥”相互作用特性等因素,道岔区桥梁设计的关键点在于选用合理的桥式方案,减小道岔尖轨和辙叉处的梁轨相对位移,确保道岔结构安全,确保轨道平顺。

4.1 结构计算

桥梁跨度以32 m跨为主,根据地面既有及规划道路和桥上道岔布置情况,辅以其他跨度调节,桥梁结构采用单箱单室或单箱多室预应力混凝土连续梁。

桥上无缝道岔采用梁轨相互作用原理进行检算,计算时应考虑道岔导轨与基本轨、道岔与桥梁之间的相互作用；道岔梁结构按全预应力混凝土构件进行设计。

(1)静力计算:检算在各种工况下道岔梁截面应力、强度安全系数、抗裂安全系数；最大挠度值、挠跨比、梁端竖向转角、后期徐变上拱最大值以及相邻梁梁端两侧的钢轨支点横向相对位移等技术指标。

(2)动力计算:根据具体的道岔结构、运营条件、桥梁结构进行车-岔-桥耦合动力响应分析,岔桥相对位置对系统振动响应影响较大,转辙器或辙叉区位于或接近桥梁挠曲率较大位置上时,岔桥相互作用明显加强,应以列车运行平稳性、安全性,道岔结构强度及动力响应控制指标为判据,评价相应的桥梁结构是否满足铺设道岔的要求。

4.2 桥墩线刚度

制约桥墩最小纵向水平刚度的主要因素是钢轨附加应力、梁轨快速位移以及道岔敏感部位的位移,桥墩纵向水平刚度对钢轨附加应力和道岔的受力及变形影响很大,因此必须对不同形式的道岔梁纵向水平刚度加以限制。根据《客运专线桥上无缝道岔及桥梁结构设计研究》的研究结果:当渡线区6×32 m连续梁固定墩纵向水平线刚度大于800 kN/cm,咽喉区4×32 m连续梁固定墩纵向水平线刚度大于1 600 kN/cm时,轨道及道岔的强度、稳定性及各项位移可满足要求。

与连续梁相邻的简支梁桥墩相比,一般的简支梁桥墩承受了更大的轨道力,墩身及基础设计时要考虑该不利因素的影响。

5 新广州站咽喉区桥梁

受到环保、地形、地面交通和城市规划等各种因素限制,部分车站需设置在桥上而成为高架车站,造成咽喉区设置在桥上。新广州站南北咽喉区长约2.5 km,整个咽喉区都设在桥上,最宽处宽约300 m,共28股道28个站台面,桥梁总面积达185 043 m2。平面布置见图6。

图6 新广州站咽喉区桥梁平面布置

(1)布置原则

正线需满足道岔区桥梁设计原则与技术要求,受到站场布置条件限制,困难条件下连续梁和连续梁之间可直接相连。

在站线道岔的辙叉和转辙器连接部分可设置横向梁缝,桥上无缝道岔辙叉处和转辙机处相对位移、梁轨快速位移、道岔钢轨强度、稳定性、断缝检算均应满足要求。

站线与正线之间的渡线跨越纵向梁缝时,为了保证线路的平顺性,减少两片梁的伸缩对道岔的不利影响,对两片梁之间的纵向相对位移以及横向相对位移必须加以限制。两片梁之间的纵向相对位移小于2 mm,横向相对位移小于1 mm。

(2)梁部结构

咽喉区采用了多种桥梁结构形式,以适应无缝线路对桥梁结构的要求。

整个咽喉区的桥梁共有各种跨度的简支梁742孔,各种类型的连续梁35联。桥梁跨度以32 m跨为主,根据地面既有及规划道路和桥上道岔布置情况,辅以32.7～17 m等跨度形式。正线道岔区桥梁布置采用单线变双线、双线变三线、双线变四线的单箱多室预应力混凝土连续梁,每组道岔布置在一联连续梁上,道岔不跨越梁缝；考虑到到发线列车进出站速度不是很高,到发线道岔区的桥梁采用横向顶板连续的简支箱梁,各箱梁梁端设横隔板连接成整体,当道岔跨越简支梁时,顺桥向简支梁的顶板在梁缝处连续,提高了桥梁的平顺性,满足了道岔受力要求。非道岔区桥梁采用简支箱梁,箱梁的箱体宽3.0 m,利用箱梁翼缘板宽度的不同来适应不同的线间距。

(3)下部结构

采用灵活的桥墩及基础布置方式,使基础和下部结构很好地适应了道岔区桥梁变宽度的要求,同时使桥墩横桥向排列成直线,既美观又提高了桥下空间的利用率。

咽喉区简支梁当线间距大于6 m时,采用5根φ1.25 m梅花形布置的单线桩基础,当线间距小于6 m时,采用10根φ1.25 m梅花形布置的双线桩基础,根据线路情况,还布置了多线桩基础。通过对基础类型适当分类,既简化设计,又方便施工。

咽喉区桥墩当线间距大于5 m时,采用单线桥墩,当线间距小于5 m时,采用双线或多线桥墩。为了节约模板,外形尽量保持一致。桥墩横桥向成列布置,排列整齐,视野通透,既有利于美观,又有利于地面交通和桥下空间的利用。

6 结语

针对高速铁路咽喉区和渡线道岔区特点,提出无缝道岔对桥梁结构变形及梁缝位置的要求,介绍了道岔区桥梁的设计特点,总结了高速铁路道岔区桥梁的设计原则、技术要求及结构类型。高速铁路道岔区桥梁设计的核心在于桥梁与道岔的相对关系及相对变形的控制,跨度不宜过大,一般采用32 m等跨连续梁和密排框架,当跨越河流、道路时,跨度可以适当加大。对于道岔区桥梁来说,需重点研究桥梁与无缝道岔的静、动态相互作用,保证列车通过桥上道岔的安全性和舒适性。

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Design Summary for Bridges at Turnout Zones of High-sPeed Railway

YAO Han-wen
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

Continuous welded rail and turnout on bridge have their unique and complicated technical characteristics,so there are higher requirements for bridge design when laying continuous welded turnout on a bridge.This paper,focusing on the features of throat zone and crossover turnout zone of high-speed railway,determined the requirements on how to control bridge structure deformation and where to arrange bridge deformation joints at continuous welded turnout zone of ballastless track.In addition,this paper proposed bridge design principle and technical requirement at turnout zone,as well as bridge arrangement and structure forms at typical turnout zones.It is suggested in this paper that the design of bridge at turnout zone of high-speed railway should be based on the theory of integration between turnout and bridge,should be with adequate consideration of the influence of track action force and should be subject to vehicle-turnout-bridge coupling dynamic analysis,so as to ensure operation safety and stability of high-speed train.

high-speed railway；bridge；turnout；design；summary

U238；U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.020

1004-2954(2014)07-0085-04

2014-01-04；

2014-02-21

姚汉文(1967―),男,高级工程师,1989年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业,工学学士。