高速铁路钢桁梁斜拉桥线形设置方法研究

谭社会

(上海铁路局工务处，上海200071)

高速铁路钢桁梁斜拉桥线形设置方法研究

谭社会

(上海铁路局工务处，上海200071)

钢桁梁斜拉桥是铁路大跨度桥梁的常用形式。本文基于一高速铁路钢桁梁斜拉桥线形设置的工程实际，指出设计过程中的活载大小、活载加载长度和施工过程中的道砟密度是导致钢桁梁斜拉桥成桥后实际线形与设计线形差别较大的主要原因。对该桥运营期的动态检测发现，虽然最小坡段长度不满足现有规范，但线路动态检测并无Ⅱ级及以上偏差，说明坡段长度并不影响旅客舒适性;该桥在列车动荷载作用下的实际下挠值小于设计计算值，说明目前关于钢桁梁斜拉桥的预拱度计算理论尚不够精确，可进一步完善。最后，针对已往先逐跨设置预拱度再通过坡度整改设置工后预拱度的方法，导致实际线形与设计线形相差较大的现实，提出了高速铁路钢桁梁斜拉桥线形设置的新方法。

高速铁路;钢桁梁斜拉桥;预拱度;线形

1 工程背景

斜拉桥是由塔、索、梁构成的组合体系桥，常用于铁路大跨度桥梁中。因受结构自重、荷载、温度等因素的影响，成桥后其竖向线形往往会偏离理论设计线形，进而直接影响轨道线形和行车平稳性。因此需在施工过程中设置预拱度，从而抵消结构在荷载作用下产生的挠度，使桥梁实际线形与预期状态之间的误差在容许范围之内［1-3］。

根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2—2005)［4］，桥跨结构应预设上拱度，上拱度曲线应与恒载和半个静活载产生的挠度曲线形状基本相同，但方向相反。

以一高速铁路钢桁梁斜拉桥为例，该桥为公铁合建桥梁，其中铁路按4线设计，2线客运专线，2线Ⅰ级干线，客运专线设计速度250 km/h，干线设计速度160 km/h，采用有砟轨道结构;公路为双线6车道高速公路。主桥为(90+240+630+240+90)m的3索面3主桁钢桁梁斜拉桥，根据预拱度设置要求，边跨、辅助跨及主跨的各跨跨中理论设计拱度分别为4，59和498 mm。

然而，按图施工结束后对主跨跨中上拱值进行测量时，发现同等工况下实测跨中上拱值为615 mm，高出设计值117 mm，超出设计24%。同样的问题也出现在了工况类似的另一高速铁路钢桁梁斜拉桥(4线)上，实测主跨跨中上拱值高出设计值100 mm，超出设计28%。

为此，线路开通前，设计、施工、运营单位对该高速铁路钢桁梁斜拉桥进行了原因分析及调坡整改。线路开通后，运营单位利用地基雷达干涉测量系统对该桥进行了活载情况下变形监测，并结合恒载、活载数据，详细分析了运营期该钢桁梁斜拉桥的实际线形，在此基础上结合动态检测数据提出高速铁路长大桥梁线形设置建议方案;同时针对运营期实际拱度与设计拱度偏差较大的情况，指出现有高速铁路长大桥梁预拱度设计中需要注意的问题，以期对同类桥梁线形设置有所裨益。

2 钢桁梁斜拉桥线形设置方法

一般高速铁路钢桁梁斜拉桥的线形设置方法分2步，首先根据桥梁跨度逐跨设置预拱度，其次对桥梁整体线形通过铺设不同厚度道砟的方式实现坡度整改。

2.1 预拱度设置

目前已建成的国内铁路斜拉桥均采用了同样的方法进行预拱度设置，即钢梁初始设计为平坡，按照计算的恒载、活载挠度逐跨设置预拱度［5］。依据TB 10002.2—2005，铁路桥梁竖向刚度要求静活载挠跨比不大于1/600，按此设计预拱度(静活载的1/2) f=L/1 200。预拱度曲线表达式为

式中:L为桥梁跨度;跨中为x坐标零点，两端支点为y坐标零点。

由(1)式可知，预拱度曲线斜率y'为

该桥的主跨为L=630 m，根据公式(1)(2)计算可得预拱度曲线在支点处斜率为3.3‰，则相邻两跨桥梁的预拱度曲线在支点处形成6.6‰的折角。

2.2 调坡整改

因为钢桁梁斜拉桥预拱度的存在，桥上的轨道线形无法成为平坡，故需要对轨道线形进行拟合。即在逐跨设计预拱度的基础上，以跨中最大上拱值为依据，通过填充不同厚度的道砟实现桥梁整体坡度的调整，如图1所示。调坡整改后，共计增加道砟量约4 730.7 t，每侧增加约2 365.4 t，约1.83 t/m。

图1 传统桥梁线形设置方法

成桥后的线形为双向平顺的人字坡，坡长为750 m (坡度0.08%)+700 m(坡度－0.085 7%)，本段落及相邻段落的纵断面线形为2 000 m(坡度0.55%)+750 m (坡度0.08%)+700 m(坡度－0.085 7%)+550 m (0%)。《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)［6］中规定，最小坡段长度应按式(3)计算确定，且取50 m的整数倍

式中:lp为最小坡段长度，m;Δi1，Δi2为坡段两端坡度差，‰;Rsh为竖曲线半径，m;v为设计速度，km/h。

据此，正线最小坡段长度一般条件下不应小于900 m，困难条件下不应小于600 m。由于线形拟合时受有砟区段长度的限制，该高速铁路钢桁梁斜拉桥最小坡段长度仅550 m，不满足目前规范中的规定值。

3 钢桁梁斜拉桥线形偏差原因分析

3.1 设计原因

理论计算活载引起的钢梁挠度，一般采用影响线加载，对于斜拉桥主跨跨中挠度来说，多以主跨满载时计算的挠度作为活载挠度进行预拱度设置［7］。但实际运营列车一般为8节编组(200 m)或16节编组(400 m)，该高速铁路钢桁梁斜拉桥主跨630 m，实际运营车辆长度小于斜拉桥主跨长度。设计理论预拱度时仍以满跨的工况计算，预拱度的活载加载长度偏长，是桥梁实际线形与设计线形偏差的原因之一。

另外，理论计算活载引起的钢梁挠度时采用的活载为标准ZK活载，即客车按6.4t/m、货运列车按8 t/m计算，一般按照33 mm/(t/m)计算挠曲量，该高速铁路钢桁梁斜拉桥下挠量(含公路荷载)及预拱度据此设为498 mm。但实际运营动车荷载不足3 t/m (按400 m长，16节编组，1 088 t计算)、货车荷载不足6.6 t/m(按普通货车满载)，均小于设计参数6.4 t/m和8 t/m。采用标准ZK活载与实际运营列车不符，是桥梁实际线形与设计线形偏差的原因之二。

3.2 施工原因

该高速铁路钢桁梁斜拉桥铺设有砟轨道，振捣作业后道砟密度实测值为1.8 g/cm3，与设计取值2.1 g/cm3偏差14.3%。而荷载每减少1 t/m，钢梁上拱约33 mm/(t/m)，因此桥上道砟铺设、振捣过程中引起的道砟实际密度偏差影响钢梁下挠约103 mm。

另外施工过程中主塔混凝土收缩徐变也会不可避免地影响钢梁线形，经估算后期由于主塔混凝土收缩徐变效应钢梁下挠约26 mm。

此外，斜拉索调索前后，实测钢梁跨中挠度变化值与理论计算跨中挠度变化值不符，调索误差约13 mm。

4 运营期动态监测

4.1 轨道质量指数

自2015年6月该高速铁路开通运营1年来，钢桁梁斜拉桥上的线路动态检测无Ⅱ级及以上偏差，动态质量即轨道质量指数TQI(Track Quality Inderx)均值＜3.5mm，线路区段整体平顺性较好。可见，从运营情况分析，钢桁梁斜拉桥纵断面设为人字坡后，虽然有一个坡段长度小于目前规范中规定的困难条件下最小坡段长度，但只要保证静态情况下的线形相对平顺，坡度的变化并不影响旅客的舒适性。

4.2 跨中动挠度

为获取该钢桁梁斜拉桥动载情况下主桥线形变化情况，设备管理单位于2016年4月利用地基雷达干涉测量系统对该桥进行了变形监测。采用地基雷达干涉测量系统FS型、FL型同时开展工作，共采集数据时长24 h，记录了温度、气压、风速等气象资料，并利用系统专用软件IBIS-DV对监测数据进行处理和分析。一列动车经过跨中、1/4跨等结构点的变形曲线见图2。

图2 跨中、1/4跨等结构点的形变曲线

由图2可知，在列车动态作用下跨中位置的最大变形为89.59 mm，1/4跨位置最大变形为72.44 mm，且各结构点变形规律一致，均表现为V字形。另外在跨中位置记录了不同车次列车经过时的变形曲线，如图3所示。由图3可知，高速列车经过时变形的幅度范围约为50～100 mm，大型货车经过高速公路时变形的幅度约为21.1 mm。由此可见，运营期该高速铁路钢桁梁斜拉桥主跨的拱度是一个动态变化的过程，随着桥面荷载、环境温度等因素发生变化。另外，通过动态监测数据可知，桥梁在列车动荷载作用下，跨中实际下挠值仅为50～100 mm，与设计预拱度理论计算的200 mm相差较大，说明列车通过时轨道线形实际上仍为以跨中为变坡点的人字坡，因此，目前关于钢桁梁斜拉桥的预拱度计算理论尚不够精确，仍需进一步完善。

图3 跨中位置不同车次列车经过时变形曲线

5 线形设置新方法

高速铁路对轨道的平顺性要求较高，静态需进行10 m波长与30～300 m波长检测，动态需进行1.5～42 m波长与1.5～120 m波长检测［8］。通过前述分析可知，设计和施工环节中的诸多因素，例如荷载计算长度、道砟实际密度等会导致施工完成后的实际预拱度与设计预拱度产生偏差。而在线形重新拟合过程中又受道砟厚度、挡砟墙高度、有砟无砟分界位置等因素的限制，拟合难度大，需要寻求新的思路。

鉴于以上的实践与分析，与其到斜拉桥成桥后将轨道竖曲线拟合成双向平顺的人字坡，不如设计之初就采用竖曲线代替预拱度，即钢梁设计时采用人字坡代替逐跨设置的预拱度和调坡整改。钢梁杆件加工时结合坡度线形进行制造，施工时通过斜拉索的设计索力，将主梁线形控制为带竖曲线的成桥线形。这样设计的钢梁线形与轨道线形较为匹配，实际施工时，仅需要通过轨道线形拟合调整施工控制带来的误差(调整量较小)。

据了解，目前已经开工建设的沪通长江公铁大桥、商合杭铁路芜湖长江公铁大桥均采用了此种方法进行线形设计。

6 结论

本文基于一高速铁路钢桁梁斜拉桥线形设置的工程实际，在分析该桥线形偏差原因的基础上，提出了高速铁路钢桁梁斜拉桥线形设置的新方法。结合运营期该桥在列车动荷载作用下的平顺性检测和动态变形监测数据，得到以下几点结论:

1)基于桥梁因成桥跨中上拱值过大，导致实际线形与设计线形差别较大的现场分析发现，设计过程中的活载加载长度、活载大小和施工过程中的道砟密度是导致成桥后实际线形与设计线形差别较大的主要原因。

2)对该高速铁路钢桁梁斜拉桥进行运营期动态监测，发现虽然最小坡段长度不满足现有规范，但线路动态检测并无Ⅱ级及以上偏差，说明钢桁梁斜拉桥坡段长度并不影响旅客的舒适性。此外该钢桁梁斜拉桥在列车动荷载作用下跨中实际下挠值仅为50～100 mm，与设计预拱度理论计算的200 mm相差较大，说明目前关于钢桁梁斜拉桥的预拱度计算理论尚不够精确，可进一步完善。

3)针对传统先逐跨设置预拱度再进行坡度整改的方法，提出钢梁杆件加工制造时应考虑坡度线形，施工时通过设计索力将主梁线形控制为带竖曲线的成桥线形的新方法。

［1］吴尚德．高速铁路桥梁移动模架结构计算及预拱度设置［J］．铁道工程学报，2013(2):58-62．

［2］姜嫚．基于实测数据修正的徐变预测模型在铁路桥预拱度计算中的应用［J］．铁道建筑，2014(5):5-8．

［3］杜闯，丁红岩，张浦阳，等．斜跨曲线异形拱桥施工过程应力和挠度分析［J］．铁道科学与工程学报，2015(5):1130-1135．

［4］中华人民共和国铁道部．TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［5］王赞芝，张锴，王淼，等．用灰色系统理论确定高速铁路桥梁施工预拱度［J］．铁道科学与工程学报，2015(3):482-488．

［6］国家铁路局．TB 10621—2014高速铁路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2015．

［7］曾永平，陈天地，袁明，等．大跨度铁路钢桁梁斜拉桥预拱度设置［J］．铁道工程学报，2010(10):78-81．

［8］罗林．高速铁路轨道必须具有高平顺性［J］．中国铁路，2000 (10):8-11．

Study on Alignment Setting Method of Steel Trussed Cable-stayed Bridge on High Speed Railway

TAN Shehui
(Permanent Way Departmant，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China)

Steel trussed cable-stayed bridges are widely used as large-span bridges in railways．T he background of this paper is the vertical profile setting of a steel trussed cable-stayed bridge on a high speed railway．T he live load amount and loading length during design，and the density of railway ballast during construction were indicated to be the main reasons of the great difference between the designed vertical profile and the actual vertical profile．Dynamic detection in the operational period was conducted．It suggests that the short slope does not affect passenger comfort although the minimum slope length does not meet the requirements of current code，given noⅡlevel and above deviations are detected．T he actual deflection under the vehicle dynamic load is less than the designed value，and this suggests that the existing pre-camber calculation method for steel trussed cable-stayed bridge is not precise and requires improvement．T he current method includes twosteps:pre-camber setting span byspan，and postconstruction setting of pre-camber through slope adjustment．T his method results in the great difference between actual and designed vertical profile．Based on the analysis，a new vertical profile setting method of steel trussed cablestayed bridge in high speed railway was proposed．

High speed railway;Steel trussed cable-stayed bridge;Pre-camber;Alignment

U212．34

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．01

1003-1995(2016)12-0001-04

(责任审编孟庆伶)

2016-07-26;

2016-09-15

国家科技支撑计划(2013BAG20B01);国家自然科学基金(50908179);上海市自然科学基金(11ZR1439200)

谭社会(1973—)，男，高级工程师。