高速鐵路無砟軌道矮塔斜拉橋變形控制研究

王 琦,楊欣然

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300142)

1 概述

自20世紀(jì)80年代法國工程師Jacgues Mathivat提出矮塔斜拉橋的概念起，矮塔斜拉橋首先在日本得到發(fā)展，小田原港橋[1]、屋代南橋、屋代北橋[2-3]、蟹澤橋[4]、沖原橋、木曾川橋[5]、三內(nèi)丸山橋[6]等多座矮塔斜拉橋相繼建成。蕪湖長江大橋為我國第一座矮塔斜拉橋，于2000年建成[7]，隨后，矮塔斜拉橋在我國得到了快速發(fā)展，涌現(xiàn)出以廈門同安銀湖大橋為代表的多座公路矮塔斜拉橋[8-11]。于2011年建成的京滬高速鐵路津滬聯(lián)絡(luò)線矮塔斜拉橋為我國第一座鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋[12-13]。由于具有剛度大、施工方便、經(jīng)濟性好的特點，矮塔斜拉橋在鐵路橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[14-17]，其中較為典型的有商合杭鐵路(94.2+220+94.2) m矮塔斜拉橋、福平鐵路烏龍江(144+288+144) m矮塔斜拉橋、蒙華鐵路漢江(72.5+116+248+116+72.5) m矮塔斜拉橋等。

高速鐵路在運營期間結(jié)構(gòu)動力作用極其顯著，因此，高速鐵路矮塔斜拉橋需要具有足夠的剛度、平順性和較小的殘余徐變。由于無砟軌道橋梁無法通過調(diào)節(jié)道砟厚度來調(diào)節(jié)軌道高程，在橋梁設(shè)計建造過程中對橋梁豎向變形的控制更為嚴(yán)格。以北京至沈陽高速鐵路潮白河特大橋為背景，從梁高、塔高、二期恒載上橋時間等幾方面，研究了其對橋梁豎向剛度、軌道平順性和殘余徐變的影響[18]。

2 工程概況

北京至沈陽高速鐵路潮白河特大橋為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，孔跨布置為(65+85+178+93) m。梁部立面如圖1所示。采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的結(jié)構(gòu)體系，斜拉索采用扇形布置，每個橋塔設(shè)8對拉索。斜拉索橫向為雙索面布置，立面為半扇形布置。每個索塔設(shè)8對斜拉索，塔上索距1.1 m，梁上索距8 m。索塔梁頂面以上高27 m，采用實心截面，塔柱橫向?qū)挾染鶠?.0 m，順橋向?qū)?.5 m。

圖1 梁部立面(單位：cm)

主梁截面采用單箱雙室、變高度連續(xù)箱梁，中支點截面梁高9.5 m，跨中及邊跨等高段梁高5.5 m，梁底下緣按二次拋物線變化。主梁截面見圖2。

圖2 主梁截面(單位：cm)

3 模型簡介

3.1 有限元分析模型

采用MIDAS CIVIL 進行建模，墩、塔、梁采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。全橋共計335個單元，362個節(jié)點，考慮69個施工階段，有限元模型如圖3所示。

圖3 (65+85+178+93) m矮塔斜拉橋有限元模型

活載：采用雙線ZK活載。

溫度荷載：施工合龍溫度按照5～10 ℃考慮，梁體按均勻升溫25 ℃、降溫20 ℃計算，拉索與主梁混凝土溫差按±15 ℃計，非線性溫度變化按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)附錄B考慮。

3.2 主梁高度對梁體變形影響研究

針對(65+85+178+93) m矮塔斜拉橋主梁梁高，研究比較了3種方案。

梁高方案一：支點處梁高9.0 m，跨中處梁高5.0 m。

梁高方案二：支點處梁高9.5 m，跨中處梁高5.5 m。

梁高方案三：支點處梁高10.0 m，跨中處梁高6.0 m。

經(jīng)計算，各梁高方案下應(yīng)力計算結(jié)果差距不超過5%，均滿足規(guī)范要求。以下對主梁高度對梁體變形的影響進行研究。

各梁高方案主要剛度及徐變變形計算結(jié)果如表1所示，短波不平順計算結(jié)果如表2所示。

表1 各梁高方案剛度及徐變變形計算結(jié)果

表2 各梁高方案短波不平順計算結(jié)果 mm

由表1及表2可見，梁體變形對梁高較為敏感，隨著梁高的增高，梁的剛度增大，溫度變形及由溫度產(chǎn)生的軌道不平順值呈降低的趨勢。

梁高方案一中跨跨中撓跨比及大里程側(cè)梁端轉(zhuǎn)角不滿足規(guī)范要求，故不予采用。梁高方案二和梁高方案三的剛度指標(biāo)、強度指標(biāo)以及殘余徐變等均可滿足規(guī)范要求，均為可行方案。但梁高方案三應(yīng)力較富余，由于梁高較大，材料用量多，經(jīng)濟指標(biāo)相對不好，因此最終采用梁高方案二(支點處梁高9.5 m，跨中處梁高5.5 m)。

3.3 主塔高度對梁體變形影響研究

針對(65+85+178+93) m矮塔斜拉橋索塔高度，研究比較了3種方案。

塔高方案一：索塔高度22.0 m。

塔高方案二：索塔高度27.0 m。

塔高方案三：索塔高度32.0 m。

經(jīng)計算，各塔高方案下應(yīng)力計算結(jié)果差距不超過10%，均滿足規(guī)范要求。以下對主塔高度對梁體變形的影響進行研究。

各塔高方案主要剛度及徐變變形計算結(jié)果如表3所示，短波不平順計算結(jié)果如表4所示。

表3 各塔高方案剛度及徐變變形計算結(jié)果

表4 各塔高方案短波不平順計算結(jié)果 mm

由表3可見，梁體豎向剛度與索塔高度成正比，但對塔高并不敏感。隨著塔高增加，梁體殘余徐變由下?lián)献優(yōu)樯瞎?，且殘余徐變絕對值呈先減小后增加的趨勢。由表4可見，隨著塔高的增加，溫度變形及由溫度變形產(chǎn)生的軌道不平順值呈增大的趨勢，這是因為隨著塔高的增加，索長及由索梁溫差引起的溫度變形隨之增大。

考慮塔高方案一中跨跨中殘余徐變?yōu)?34.09 mm，絕對值超過允許值20 mm，故不予采用。塔高方案二及塔高方案三剛度及強度相差不明顯，均能滿足規(guī)范要求。塔高方案三中跨跨中殘余徐變?yōu)?7.71 mm，而塔高方案二中跨跨中殘余徐變?yōu)?4.45 mm，明顯優(yōu)于塔高方案三，因此最終采用索塔高度為27 m的塔高方案二。

3.4 二期恒載鋪裝時間對后期徐變的影響研究

全橋合龍后鋪裝二期恒載的時間對后期徐變的控制影響顯著，為此對不同二期恒載上橋時間下橋梁跨中豎向變形及殘余徐變進行計算分析，如表5所示。

表5 各停梁時間方案徐變計算結(jié)果 mm

由表5可見，不同停梁時間下，中跨跨中及93 m邊跨跨中殘余徐變量變化均較大，隨著停梁時間的增長，中跨跨中殘余徐變量呈增加的趨勢，93 m邊跨中殘余徐變量呈減小的趨勢，為探究產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，繪制不同停梁時間方案斜拉索終張拉后不同施工階段的中跨跨中豎向變形如圖4所示，93 m邊跨跨中豎向變形如圖5所示(圖中豎向變形正方向為豎直向上)。

圖4 各停梁方案不同施工階段中跨跨中豎向變形

圖5 各停梁方案不同施工階段93 m邊跨中豎向變形

由圖4可以看出，在斜拉索終張拉后二期恒載鋪裝之前的存梁階段，(65+85+178+93) m矮塔斜拉橋中跨跨中的徐變變化趨勢均為上拱，停梁時間越長，上拱值的增加越為顯著，加載二期恒載后，徐變變化趨勢為下?lián)?，并且隨著成橋時間的增長，不同停梁時間下的豎向變形差距呈現(xiàn)縮小的趨勢，在此情況下，停梁時間越長，后期殘余徐變越大。由圖5可以看出，93 m邊跨中在斜拉索終張拉后二期恒載鋪裝之前的存梁階段的徐變變化趨勢均為下?lián)?，且停梁時間越長，下?lián)现翟龃笤綖轱@著，加載二期恒載后，徐變變化趨勢仍為下?lián)?，并且隨著成橋時間的增長，不同停梁時間下的豎向變形差距呈現(xiàn)縮小的趨勢，在此情況下，停梁時間越長，后期殘余徐變越小。

4 結(jié)論

以京沈高速鐵路潮白河(65+85+178+93) m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋為研究對象，該橋采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的結(jié)構(gòu)體系。為適應(yīng)高速行車條件下無砟軌道控制變形控制需求，對梁高、塔高、二期恒載上橋前停梁時間等參數(shù)進行計算研究，主要結(jié)論如下。

(1)梁體豎向剛度對梁高較為敏感。隨著梁高的增高，梁的剛度增大，溫度變形及由溫度產(chǎn)生的軌道不平順值呈降低的趨勢。

(2)隨著塔高的增大，索長及由索梁溫差引起的溫度變形隨之增大，溫度變形及由其產(chǎn)生的軌道不平順值呈增大的趨勢，而梁體殘余徐變由下?lián)献優(yōu)樯瞎?，且殘余徐變絕對值呈先減小后增加趨勢。

(3)中跨跨中鋪設(shè)二期恒載前的徐變變化趨勢為上拱，且停梁時間越長，后期殘余徐變越大，而邊跨跨中鋪設(shè)二期恒載前的徐變變化趨勢為下?lián)?，且停梁時間越長，后期殘余徐變越小。