高速铁路特大跨度桥梁轨道静态几何偏差影响因素分析

高芒芒，杨静静，李国龙，孙宪夫

（中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

0 引言

近年来，我国先后规划了诸多主跨达到千米级且设计（预留）速度250 km/h的公铁两用桥梁。其中主跨为1 092 m的某2座长江大桥已建成通车；主跨1 176 m的某长江大桥、主跨2×1 120 m的某长江大桥分别采用双塔钢桁梁斜拉桥、三塔两大跨钢桁梁斜拉桥，目前已开工建设；主跨1 488 m的某大桥、主跨1 780 m的某长江大桥则采用了斜拉-悬吊协作体系，加劲梁分别为分离式钢箱梁、钢桁梁，目前也已通过初步设计方案审查。

铁路桥梁跨度增大，会引起桥梁更显著的挠曲变形及结构应力，还会带来桥上轨道平顺性的问题。不同于常规铁路桥梁，特大跨度铁路桥梁具有工程规模巨大、体系复杂、结构轻柔、位移量大等特点，在静动态验收和正常服役阶段，桥梁处于温度、风及列车荷载的组合作用下，结构变形和轨道形位与基准温度下的理想状态相差甚远。如某长江大桥主航道桥跨中高程比设计高程高57 cm（环境温度20℃时）；某长江大桥根据线形测量数据（环境温度29℃时），实测线形与原设计线形换算为同温度（15℃）下，主跨跨中分别高于原设计轨面45.60、52.50 cm［1］。

轨道线路作为桥上的附属结构物，其平顺性极大程度依赖桥梁的结构线形，特别是在大跨度斜拉桥、悬索桥和斜拉-悬索协作体系桥等柔性、半柔性体系桥上。桥梁结构较大挠曲变形可能引起较小半径的竖曲线和平面曲线，同时受复杂梁-轨间相互作用及梁端伸缩装置和轨调器变形等影响，梁端区域的局部不平顺也明显加剧，对高度依赖轨道平顺性的铁路列车而言，其行车安全性和稳定性将因此受到更严峻的考验。

特大跨度桥梁在设计阶段均按规范要求完成了车-线-桥仿真分析，对大桥运营阶段的动力性能以及行车安全性和乘坐舒适性均有评估结论，在此针对高速铁路特大跨度桥梁在验收阶段的轨道静态几何偏差影响因素，从纵断面设置、温度变形、施工偏差及道砟容重偏差等方面探讨各影响因素的特征，提出确定特大跨度桥梁轨道静态长波不平顺验收标准的研究思路，为特大跨度桥梁达速开通提供依据。

1 纵断面设置

根据现行设计规范［2-3］，铁路桥梁可按恒载+0.5倍静活载产生的挠度曲线反向设置预拱度，对铁路特大跨度桥梁而言，如果列车长度（或到发线长度）显著小于跨度，活载不同作用位置产生的挠度曲线不同，在存在多个活载线形的状态下，不适合按设计规范进行预拱度设置。

以某长江大桥为例，其主桥为（84+84+1 092+84+84）m双塔连续钢桁梁公铁两用悬索桥，桥梁效果见图1。单列和双列对开的16辆编组客车在不同位置处的桥面变形曲线见图2和图3［1］。由图可见，无论单列列车还是双列对开列车，列车在桥面不同位置的桥面变形曲线差异巨大，选择任一条曲线形式作为静活载挠度曲线计算预拱度均不尽合理，因此，建议对主跨跨度超出到发线长度的桥梁，宜选取“人字坡”作为线路纵断面。

图1 某长江大桥桥梁效果

图2 单列客车（16辆编组）不同位置处某长江大桥桥面变形曲线

图3 双列对开客车（16辆编组）不同位置处某长江大桥桥面变形曲线

1.1.1 “人字坡”纵断面

对采用“人字坡”纵断面的大跨度桥梁，建议设置原则如下：

（1）变坡点设于主桥外，便于钢梁的制造与架设。

以某长江大桥为例，跨中较人字坡起点的高程差达到2 m，需要在钢梁的制造和架设过程中完成纵断面设置，如果减小坡段长度，将变坡点设于主桥范围内，同样需要在钢梁节段制造或拼装时考虑坡度变化，加大了制造和施工难度，且对结构受力不利。

（2）大位移梁端伸缩装置和轨调器位于斜坡上，需要保证不同伸缩量下轨面坡度保持不变。

（3）坡度设置需要考虑温度及施工偏差、列车荷载的影响，保证客车牵引和制动顺畅，建议设计纵断面、施工偏差、温度及列车荷载组合影响下，高速铁路特大跨度桥梁的铁路桥面动态坡度限值不宜超过同线路区间正线路基区段的最大坡度［2］，此外，建议坡度设置时保证最不利高温状态下桥面线形保持轻微上拱；通过车-线仿真分析对考虑温度影响后的桥上线路纵断面进行评估，建议车体加速度最大值不应超过0.5 m/s2。

（4）坡段长度尽可能满足现行设计规范要求［2］，在两侧引桥较短甚至缺失（如直接接隧道）的条件下，根据合理的轨道抬高量调整坡段长度，但最小夹坡段长度应不小于0.4v（v为车速，km/h），最小坡段长度应不小于200 m。

对于列车长度（或到发线长度）与特大跨度桥主跨跨度相当甚至偏小的情况，设“人字坡”可能导致最小坡段长度不满足规范要求，且施工偏差也将导致轨道线形较差，因此建议采用“平坡+预拱度”的方式，此时预拱度应按不平顺进行评估。

1.1.2 “平坡+预拱度”纵断面

对采用“平坡+预拱度”纵断面的大跨度桥梁，建议设置原则如下：

（1）桥上道砟厚度控制在33～45 cm［4］，不仅保证2期恒载均匀，也体现预拱度的作用；

（2）边跨不设预拱度，保证大位移梁端伸缩装置和轨调器与引桥或路基段的平坡顺畅衔接；

（3）对多线桥梁，预拱度的幅值需要专门研究，总原则是温度叠加预拱度后轨道线形引起的车体加速度不宜超过0.5 m/s2；

（4）最不利组合工况，如温度、预拱度、列车荷载组合，动态坡度最大值不宜超过同线路区间正线路基区段的最大坡度，以保证客车的牵引和制动能力。

2 温度变形和施工偏差处理

大跨度桥梁的温度变形和施工偏差往往体现为范围广、幅值大的长波变形。由于静态验收阶段的环境温度往往与设计基准温度存在差异，此时桥梁和轨道线形处于多种因素的组合作用下，且因幅值过大，难以通过调整道床厚度完全解决，以图1所示的某长江大桥为例，该桥原始纵断面设置见图4，纵断面成桥轨面高程与原设计对比见图5。该桥主体结构建成后，由于成桥温度（29℃）与设计基准温度（15℃）的差异、桥上公路铺装和附属工程等恒载质量比原设计恒载偏小等因素，成桥线形与原设计存在一定差异，主跨段成桥轨面高程较原设计呈现跨中低、两侧高的形态，换算为同温度下（15℃）后，主跨跨中高于原设计轨面 45.60 cm［1］。

图4 某长江大桥原始纵断面设置

图5 某长江大桥纵断面成桥轨面高程与原设计对比

该桥基于29℃实测成桥线形，根据《铁路线路设计规范》相关要求拟合设计了各个环境温度下的线路纵断面，拟合时遵循以下3项原则：

（1）控制主桥道床厚度，满足验收标准［4］；

（2）优化坡段平顺性，便于养护维修；

（3）最小坡长大于200 m，满足设计行车速度要求。

拟合后的各温度下线路纵断面见图6。

图6 某长江大桥不同温度下的拟合线路纵断面

该桥采用拟合纵断面的方式处理环境温度和施工偏差对桥梁和轨道线形的影响，不仅导致存在多个纵断面，增加了运营维护难度，且拟合纵断面由直线和圆曲线组成，存在多个变坡点，可能存在理论设计的曲线拐点、变坡点与多年运营后实际曲线拐点、变坡点不吻合的情况，反而导致纵断面不平顺性增加，鉴于铁路局集团公司运营维护通常要求纵断面具有稳定性，因此，对后续高速铁路特大跨度桥梁不建议采用拟合纵断面的方式处理环境温度和施工偏差引起的线形变化，而是仍保持基准设计纵断面，将环境温度和施工偏差对轨道线形的影响视为长波不平顺［5］，以轨面相对高程控制，仅当一定弦长的平顺值超标时适当平顺即可，具体处理时可通过10、30和60 m中点弦［6-7］组合标准管控特大跨度桥梁的轨道平顺性，由中点弦测法的传递函数可知其有效检测波长分别为7～20 m、20～60 m和40～120 m，3弦组合的轨道平顺性管控波长覆盖了7～120 m。根据规范规定的有砟道床厚度可调量-20～+100 mm，通过满足上述3个弦长的管理幅值确定轨道结构的目标线形，进而制定轨道精调方案。对该桥的跟踪分析表明，如果采用基于60、30和10 m弦长的中点弦组合标准作为轨道平顺性精调目标，且控制标准为60 m弦限值6 mm、30 m弦限值3 mm和10 m弦限值1 mm时，可在基准起道量的基础上调整量最大增15.8 mm、减10.0 mm。包含基准起道量的调整量远小于规范规定的-20～+100 mm大机捣固调整量限值要求，轨道平顺性能够满足要求。该桥根据2021年2月8号的轨道高程实测数据拟定的轨道精调方案见图7—图11。

图7 某长江大桥2021年2月8号优化前后高程偏差

图8 某长江大桥2021年2月8号高程调整量

图9 某长江大桥2021年2月8号优化前后60 m弦正矢

图10 某长江大桥2021年2月8号优化前后30 m弦正矢

图11 某长江大桥2021年2月8号优化前后10 m弦正矢

3 道砟容重偏差影响

图1所示的某长江大桥在铺轨时对道砟进行称重，铺设时容重为17.5 kN/m3，与设计阶段根据规范采用的21.0 kN/m3存在一定差异，原因在于新建线路的道砟密实度不足，相关研究单位分析了此类荷载对桥梁变形的影响［1，8］（见图12）。

图12 主桥荷载对结构竖向变形影响

根据分析，跨中最大位移为-126.14 mm（全桥或主跨均匀加载10 kN/m），最小位移为-65.22 mm（主跨靠北岸侧546 m均匀加载10 kN/m）。桥面位移曲线表现为较匀顺的长波变形曲线，静态验收阶段道砟容重偏差影响与温度变形曲线具有相似的特点，可以在根据10、30和60 m中点弦组合标准制定轨道精调方案时一并处理。

4 结论

（1）针对特大跨度桥梁的线路纵断面设置，对主跨跨度超出到发线长度的桥梁，宜选取“人字坡”作为线路纵断面；对主跨跨度接近或小于到发线长度的桥梁，建议采用“平坡+预拱度”的方式设置线路纵断面。

（2）特大跨度桥梁的温度变形和施工偏差往往体现为范围广、幅值大的长波变形，不建议采用拟合纵断面的方式处理，而是仍保持基准设计纵断面；将温度和施工偏差对轨道线形的影响视为长波不平顺，以轨面相对高程控制，仅当一定弦长的平顺值超标时适当平顺即可。

（3）对高速铁路特大跨度桥梁，静态验收阶段存在的温度变形、施工偏差和道砟容重偏差产生的轨道线形变化，建议采用60 m弦6 mm、30 m弦3 mm和10 m弦1 mm的组合标准确定轨道结构的目标线形，并在道砟厚度可调量-20～+100 mm内制定轨道精调方案。