如何优化设计钢桁梁桥上轨顶预拱度

陈自荣

（中铁城建集团有限公司， 湖南 长沙 410208）

1 工程概述

九景衢铁路鄱阳湖特大桥为双线铁路桥梁，全长 5378.67m，梁跨布置为 2×32.7（连续梁）m+6×41.8（40m箱梁）+（121+120+120+121）m钢桁梁+29×41.8m（40m箱梁）+103×32.6m（32m简支梁），其左幅为新建九景衢铁路左线，右幅为已开通的铜九线（改建为右线）。钢桁梁共4跨，每跨分成10节，每节长度12m，编号依次为1E0、1E1、...、1E10、...、4E1、...、4E10，设计采用明桥面轨道标准铺设木枕，木枕规格为220*240（或260）*3000mm。

2 试验观测

因钢桁梁对温度变化敏感，为准确掌握其实际预拱度值，安排在年平均最高气温月和最低气温月，且在每天的最高气温时段和最低气温时段进行为期60天的观测。采用在钢桁梁节间布点，三组人员复核测量的方式，累计测量数据 14400条，根据统计学相关原理计算分析得出既有侧轨顶预拱度基准值和新线侧落梁预拱度值。

为节省造价利用旧木枕和相应扣配件铺设（试验线路采用与新线标准一致的技术指标），于2015年12月底铺设完成，随后进行静动载试验。通过观测分析得出新线侧预拱度边跨取值为55mm，中跨为44mm。

3 预拱度计算

以钢桁梁起点为坐标原点，沿大里程方向为X轴正向，垂直X轴向上为Y轴正向,建立预拱度计算坐标系XOY。预拱度在支座中心取0mm，边跨中点取55mm，中跨中点取44mm，采用二次抛物线形式在每跨节点处进行预拱度分配计算,并在两跨相连接处以二次抛物线进行顺接。第一跨预拱度计算：以（1E4,55）为坐标原点，X1、Y1轴正方向与原坐标系一致，建立辅助坐标系X101Y1，采用X2=-2PY（P＞0，开口向下)计算1E1预拱度:P1=((4-0)*12)2/(2*55)

=20.9455,Y1E1=55+X2/（-2P）=55+((4-1)*12)2/（-2*20.9455）=24.1mm。同理计算1E2、1E3、1E4、1E5、1E6、1E7的预拱度分别为41.3mm、51.6mm、55mm、51.6mm、41.3mm、24.1mm。在1E7点采用二次抛物线与相邻跨顺接（即前后两条抛物线在1E7点预拱度取值相等)，以（1E10,0）为坐标原点，X2、Y2轴正方向与原坐标系一致，建立辅助坐标系X2O2Y2。采用X2=2PY（P＞0，开口向上)计算1E8预拱度：P2=(12*(10-7))2/(2*24.1)=26.888，Y1E8=X2/2P

=((10-8)*12)2/（2*26.888）=10.7mm。同理计算1E9、1E10、2E1、2E2、2E3的预拱度分别为2.7mm、0mm、2.7mm、10.7mm、24.1mm。

第二跨与第一跨在2E3点采用二次抛物线顺接，以(2E5,44)为坐标原点，X3、Y3轴正方向与原坐标系一致，建立辅助坐标系X3O3Y3。采用X2=-2PY（P＞0，开口向下)计算2E4预拱度：P3=((5-3)*12)2/(2*(44-24.1))=14.4724，Y2E4=44+X2/(-2P)=44+((5-4)*12)2/(-2*14.4724)=

39mm。同理计算2E5、2E6、2E7的预拱度分别为44mm、39mm、24.1mm。在2E7点采用二次抛物线与相邻跨顺接，以（2E10,0）为坐标原点，X4、Y4轴正方向与原坐标系一致，建立辅助坐标系X4O4Y4。采用X2=2PY（P＞0，开口向上)计算2E8预拱度：P4=X2/2Y=((10-7)*12)2

/(2*24.1)=26.888，Y2E8=X2/2P=((10-8)*12)2/(2*26.888)=10.7mm。经计算 2E9、2E10的预拱度分别为 2.7mm、0mm。同理可计算第三、四跨各节点预拱度值。经调整后各节点轨顶预拱度值与落梁后预拱度值对比图：

4 刻槽深度计算

通过避开钢梁横梁、联结系杆件、节点板、螺栓及满足两枕间净距（0.1 ～0.18m，横梁处除外)来确定每根木枕铺设里程，从而得出共需铺设1366根木枕（按1～1366#编号）。根据每根枕的里程坐标计算出其轨顶预拱度值，再根据轨顶预拱度值、轨顶设计标高(34.52m)、木枕高度（0.24m或0.26m）、钢轨高度（0.176m）、钢垫板厚度（0.02m)及垫片厚度(0.004m）计算每根枕的初步刻槽深度。又刻槽深度不能大于30mm，且联结系杆件、节点板、螺栓在行车情况下需留有3mm空隙，横梁处不小于15mm空隙。综上所述计算出每根枕的最终刻槽深度。

钢梁架设后会存在扭曲现象，故每根枕需测量四个位置的标高来分别计算其刻槽深度。位于起点～1E0之间的8#枕刻槽深度计算（以木枕左侧第一点为基准）：其实测枕底标高为34.093m，其里程为K230+876.175，抛物线顶点里程为K230+922，预拱度Y8=55+X2/(-2P)=

55+((922-876.175))2/(-2*20.9455)=4.9mm，增设预拱度后轨顶标高为34.52+4.9/1000=34.525m,故8#枕刻槽深度为34.525-34.093-0.24-0.176-0.02-0.004=8mm。同理计算其他枕刻槽深度。木枕经刻槽铺设后达到的轨顶预拱度图如下：

5 结束语

在新线铺设时、铺设完成及开通运营后，对既有侧轨顶预拱度进行重点监测，与之前所测基准值进行对比分析，最大偏差值不到 1mm，远远小于规范规定的预拱度容许误差值。同时对既有线采用轨检车测试，其轨道几何结构尺寸偏差远远小于规范容许值，对既有线安全无影响。

通过试验线路铺设和静动载试验，监测既有侧线路行车安全，调整新线侧轨顶预拱度设置值，优化各节间木枕刻槽深度值，使新铺线路与既有线路完美契合，二者之间影响状态完全可控。并在新铺线路轨道精调完成后，采用轨检车进行测试，各项技术指标优良。本技术方案，通过现场实际施工和中国铁路总公司对九景衢铁路开通运营前的安全评估分析，证明本技术方案安全可行，满足设计及规范要求。