高速鐵路大跨度橋梁變形對線路平順度的影響分析

魏周春

1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院），西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安 710043

我國高速鐵路和部分普速鐵路橋梁工程占比普遍較高。近年來，橋梁設(shè)計、建造技術(shù)取得了巨大的進步，大跨度橋梁的數(shù)量越來越多。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)處于設(shè)計階段主跨超過200 m 的高速鐵路橋梁達到30余座。京津城際鐵路、武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路等第一批高速鐵路建設(shè)期間，混凝土連續(xù)梁的最大跨度一般不超過80 m，2019年之前建成的高速鐵路橋梁最大跨度一般在200 m 以內(nèi)。自2019 年昌贛高速鐵路300 m 跨度的贛江特大橋開通，大跨度橋梁的設(shè)計進入一個新的階段。2020年開通的滬蘇通鐵路滬蘇通特大橋，主跨達到了1 096 m，標志著我國大跨度橋梁建造技術(shù)進入了千米級。

我國早期普速鐵路橋梁設(shè)計以結(jié)構(gòu)強度控制為主。隨著鐵路速度標準的提高，逐步納入并加強了對墩臺沉降、梁體變形的控制，高速鐵路提出了更多更高的要求，具體變化如下。

1）TB 10002.1—1999《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》［1］、TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》［2］總則要求橋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)具有規(guī)定的強度、穩(wěn)定性、剛度和耐久性；TB 10002.1—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》［3］總則要求橋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)具有規(guī)定的強度、剛度、穩(wěn)定性，并應(yīng)滿足軌道平順性、列車運行安全性和旅客乘坐舒適性的要求，增加了平順性和舒適性的要求，即提高了對橋梁變形的控制。

2）TB 10002.1—1999 與變形相關(guān)的參數(shù)僅有豎向撓度，TB 10002.1—2005 增加了工后沉降的要求：有砟橋面工后沉降不得超過80 mm，相鄰墩臺均勻沉降之差不得超過40 mm；TB 10002.1—2017 針對不同速度標準增加了預(yù)應(yīng)力混凝土梁豎向徐變變形限值、梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順限值、梁端轉(zhuǎn)角限值，對于工后沉降提出了更詳細的規(guī)定。

從上述變化可以看出，高速鐵路針對梁體豎向變形參數(shù)提出了更高的要求，以滿足高速鐵路的平順性和舒適性需求。隨著跨度和溫度跨度的增大，橋梁變形對線路平順性和梁端軌道設(shè)備的影響愈加明顯，軌道設(shè)備的適應(yīng)能力需要進一步提高。如大跨度橋梁的豎向變形，表現(xiàn)為3～5 段復曲線組成的復雜曲線，其線形不能滿足既有規(guī)范豎曲線半徑、最小坡段長度的規(guī)定，也不滿足線路平順度的控制標準。梁面線形主要控制標準是撓跨比，但最不利位置并非主跨中部，而是在橋塔附近。因此，除了控制撓跨比，主跨與邊跨的匹配關(guān)系也應(yīng)成為重要的控制指標。梁端伸縮裝置、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對橋梁變形的適應(yīng)能力差，應(yīng)進一步優(yōu)化。橋梁縱向伸縮量等變形參數(shù)取值不當。這些問題導致大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、伸縮裝置病害頻發(fā)，甚至限速運營。

本文研究高速鐵路大跨度橋梁豎向撓度、梁體結(jié)構(gòu)、相鄰梁跨匹配關(guān)系、伸縮量、轉(zhuǎn)角、錯臺差等參數(shù)對線路平順度的影響，并給出設(shè)計建議。同時，分析靜動態(tài)平順性評價標準的不足之處，以期更深入地了解橋梁與軌道設(shè)計接口關(guān)系的合理性。

1 大跨度橋梁豎向變形的影響

早期的橋梁跨度小、豎向變形相對不大，主要在靜態(tài)條件下分析軌道的幾何平順性。隨著橋梁跨度的增大，動態(tài)條件下的豎向變形對線路平順性甚至運營安全產(chǎn)生極大影響，必須納入控制標準?？刂拼罂缍葮蛄旱呢Q向變形除了考慮橋梁豎向撓度之外，還要考慮結(jié)構(gòu)形式、相鄰橋跨的匹配關(guān)系等。

1.1 橋跨結(jié)構(gòu)的豎向撓度

TB 10002.1—2005 規(guī)定梁式橋跨結(jié)構(gòu)豎向撓度為L/900 ～L/700（L為跨度），TB 10002.1—2017 規(guī)定普速鐵路（速度200 km/h以下）、高速鐵路小于80 m 跨度梁體豎向撓度分別為L/1 200 ～L/700、L/1 900 ～L/1 000。選取主跨撓度最大時跨中（變形最大點）及兩端主墩頂部（變形控制點）高程三點（圖1）擬合豎曲線［4］，并按照不同跨度和撓跨比擬合得到豎曲線半徑，見圖2。這種擬合方式雖然不能準確地反映梁體的平順性，但能說明主跨平順性的變化趨勢。

圖1 跨中擬合豎曲線示意

圖2 主跨撓度擬合豎曲線半徑變化趨勢

由圖2可知，撓度隨橋梁跨度增大而增大，擬合的跨中豎曲線半徑也隨之增大，表明跨度越大梁面的相對平順性越好。

劉超等［5］分析大跨度橋梁線形發(fā)現(xiàn)，平順性最不利位置通常在主墩處，少數(shù)結(jié)構(gòu)形式的橋梁出現(xiàn)在跨中。橋梁撓跨比影響線路的平順度，但并非橋梁跨度越大梁面線形的平順度越差。因此，大跨度橋梁的撓跨比應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟性確定。

1.2 梁體結(jié)構(gòu)形式

梁體采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁、鋼箱梁、組合梁等結(jié)構(gòu)形式，在荷載作用下形成的梁面線形會有明顯差別［6-7］。案例1：主橋采用（36+40+64+330+64+40+36）m 鋼-混凝土混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，主梁由混凝土梁和鋼箱梁兩部分組成，中跨298 m 范圍為鋼箱主梁，見圖3（a）。案例2：主橋采用（40+109+320+109+40）m鋼-混凝土部分斜拉橋結(jié)構(gòu)，主梁由混凝土梁和鋼箱梁兩部分組成，中跨83 m范圍為鋼箱主梁，見圖3（b）。兩座橋梁主跨長度相當，雙線ZK 活載作用下案例1和案例2 跨中靜活載撓度分別為333.9、266.8 mm。案例2 鋼箱梁長度僅83 m，遠小于案例1，豎向整體變形明顯優(yōu)于案例1。

圖3 孔跨布置及梁體結(jié)構(gòu)（單位：m）

表1列出了四種典型的荷載組合和單項荷載的組合系數(shù)，據(jù)此計算梁面豎向變形，分析60 m 弦測不平順幅值。以主跨跨中為原點建立坐標系，計算結(jié)果見圖4。可知，案例1 跨中不平順幅值最大為15 mm，案例2 跨中不平順幅值為24 mm，案例1 明顯優(yōu)于案例2。大跨度橋梁局部采用混凝土梁或鋼箱梁等不同結(jié)構(gòu)形式，即使可以提高橋梁的整體剛度，但剛度均勻性差，容易增大梁面局部不平順值。因此，對于平順性要求較高的橋梁，宜采用相同的梁體結(jié)構(gòu)形式；局部采用混凝土梁或鋼箱梁等不同結(jié)構(gòu)形式的梁體，各種結(jié)構(gòu)的長度應(yīng)有合理的分布比例。

表1 橋梁荷載組合系數(shù)

圖4 梁面60 m弦測法不平順幅值

1.3 橋梁主跨與鄰跨長度匹配關(guān)系

橋梁主跨與鄰跨長度的比例關(guān)系對梁面線形的影響十分明顯。案例1 中鄰主跨的孔跨比為0.19；案例2中鄰主跨的孔跨比為0.34。結(jié)合圖4可知，案例1主墩附近不平順幅值大于案例2，案例2主墩附近平順性好，表明鄰跨與主跨的長度越接近，梁面平順性越好。因此，對于平順性要求極高的高速鐵路橋梁，鄰跨長度不宜過小，橋梁相鄰孔跨布置應(yīng)采用合理的匹配關(guān)系。

2 大跨度橋梁縱向伸縮變形的影響

2.1 大跨度橋梁梁端扣件節(jié)點間距和伸縮裝置

大跨度橋梁縱向伸縮量較大，對梁端軌道結(jié)構(gòu)和平順性的影響十分顯著。主要問題是溫度降低導致梁縫寬度增加，梁縫處扣件節(jié)點間距增大，超過一定限值后，鋼軌下沉量等參數(shù)不滿足高速行車的要求。

確定最不利條件下梁縫寬度時需綜合考慮梁縫初始寬度、扣件節(jié)點至梁邊緣距離、降溫時擴大量、地震力引起的位移、收縮徐變、制動位移等。設(shè)計梁縫寬度可根據(jù)要求計算確定，但不應(yīng)小于100 mm。

梁縫處扣件節(jié)點間距最大值一般為750 mm，超過時必須采取相應(yīng)的措施。目前，采用最多的是上承式伸縮裝置，主要由縱梁、鋼枕、剪刀叉、固定式扣壓塊、活動式扣壓塊等部件組成，見圖5。梁端伸縮裝置主要部件與梁體伸縮量的配置見表2。

圖5 梁端伸縮裝置示意

表2 梁端伸縮裝置配置

梁端伸縮裝置是軌道系統(tǒng)最常見的薄弱環(huán)節(jié)［8］，懸空軌枕數(shù)量、縱梁根數(shù)越多，結(jié)構(gòu)伸縮性能越差，發(fā)生病害的頻率越高，病害越嚴重。發(fā)生病害的主要原因是大跨度橋梁伸縮變形大、變形速度快，導致軌道結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)，設(shè)計階段應(yīng)重點關(guān)注以下三方面。

1）系統(tǒng)考慮選線、橋梁、軌道設(shè)計接口，盡量避免或減少設(shè)置大跨度橋梁，減小梁縫寬度及梁縫變化量，以減少懸空軌枕和縱梁的數(shù)量，從源頭上簡化梁端設(shè)備，降低病害發(fā)生的概率。

2）進一步優(yōu)化梁端伸縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。伸縮裝置可釋放梁端變形以及變形引起的應(yīng)力集中，但對軌枕、鋼軌具有很強的約束力，會限制鋼軌的下沉、橫向位移等。矛盾點在于對軌枕、鋼軌的約束越強，越不容易釋放梁端的應(yīng)力和變形，導致梁端軌道結(jié)構(gòu)病害多發(fā)、頻發(fā)。下承式伸縮裝置整體穩(wěn)定性好，與相鄰有砟軌道相比局部剛度增大，且伸縮裝置范圍僅2 ～3 m，易造成兩端道床密實度不足、軌枕空吊等病害，應(yīng)從軌道系統(tǒng)剛度均勻性方面進一步優(yōu)化設(shè)計。上承式伸縮裝置整體穩(wěn)定性較弱，易造成軌排移動、軌枕開裂、平順性降低等問題，宜從鋼枕、縱梁的功能及其與其他部件之間的約束、間隙等相對關(guān)系方面進一步優(yōu)化設(shè)計。

3）部分梁縫寬度未嚴格計算，取值偏大，增加了伸縮裝置的鋼枕、縱梁等部件的數(shù)量，使得結(jié)構(gòu)更加復雜。因此，梁縫寬度的設(shè)計可進一步細化。

2.2 地震力引起的梁縫變化

高烈度地震區(qū)橋梁梁縫設(shè)計寬度組成中抗震設(shè)計占比較高，通常在150～300 mm。地震發(fā)生時，梁軌受扣件系統(tǒng)的約束，較大的縱向相對位移不能在瞬間完成。因此，設(shè)置梁端伸縮裝置時，是否考慮地震引起的變形影響，或是否按一定系數(shù)折減尚需深入研究。

長期運營經(jīng)驗表明，梁縫處梁軌之間的縱向位移并非線性分布，而是在鋼軌應(yīng)力積累到一定程度后呈臺階式變化。列車通過時振動可以有效釋放梁軌之間的應(yīng)力，而通車間隙處鋼軌應(yīng)力集中程度較高。從蘭新高速鐵路地震中出現(xiàn)的扣件破壞、軌枕傷損情況來看，地震瞬間梁體發(fā)生大位移，且伴隨梁體橫向擺動，梁軌之間的縱向阻力急劇增大，軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性很差。

地震發(fā)生時軌道結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)瞬間的大位移，無需考慮主動設(shè)防，地震引起的軌道結(jié)構(gòu)傷損、破壞應(yīng)以快速維修為主。因此，梁端軌道系統(tǒng)設(shè)計不宜考慮地震引起的梁縫寬度變化，以簡化軌道結(jié)構(gòu)，減少病害的發(fā)生。

3 梁端轉(zhuǎn)角及錯臺的影響

在列車、溫度荷載作用下，梁端產(chǎn)生轉(zhuǎn)角和豎向位移會對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。在普速鐵路有砟軌道線路上，梁端轉(zhuǎn)角和錯臺對線路平順性的影響可忽略，對于高速鐵路大跨度橋梁則是重要的控制指標。

3.1 梁端轉(zhuǎn)角

TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［9］分別給出了有砟軌道和無砟軌道的梁端轉(zhuǎn)角及錯臺限值，其中有砟軌道設(shè)計容許速度為250 km/h，對梁端的變形要求相對較低；無砟軌道設(shè)計允許速度可達350 km/h，對梁端的變形要求較高。梁端轉(zhuǎn)角及錯臺限值見表3。可知，有砟軌道和無砟軌道的梁端轉(zhuǎn)角和錯臺差限值的對應(yīng)關(guān)系不太合理。有砟軌道梁梁端變形控制限值較寬松，大約是無砟軌道梁的2倍，但有砟軌道伸縮裝置和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性卻遠低于無砟軌道，這兩個因素導致有砟軌道梁端軌道系統(tǒng)的病害比無砟軌道更嚴重，發(fā)生頻率更高。因此，從減少軌道系統(tǒng)病害、提高運營安全性的角度考慮，建議高速鐵路大跨度橋梁上采用無砟軌道，或適當提高有砟軌道梁邊跨梁端的變形控制標準。

表3 梁端轉(zhuǎn)角及錯臺限值

3.2 梁端錯臺

考慮排水、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求等因素，大跨度橋梁一般設(shè)置在一定的坡度上。由于梁體的伸縮，在梁縫處產(chǎn)生的錯臺是影響軌道結(jié)構(gòu)的另一個因素。不同線路坡度條件下梁體伸縮引起的錯臺差見表4?？芍?，當縱坡大于3‰、梁體伸縮量大于±300 mm 時，錯臺量在0.9 mm 以上，比梁端轉(zhuǎn)角的影響更大。因此，大跨度橋梁應(yīng)盡量設(shè)置在平坡或小坡度上。若受條件所限設(shè)置在大坡度上，當梁體伸縮量較大時宜采用斜坡支座，以避免出現(xiàn)大的錯臺差，提高線路的平順性。

表4 不同線路坡度條件下梁體伸縮引起的錯臺差

4 大跨度橋梁平順性評價方法存在的不足

我國高速鐵路修建的大跨度橋梁越來越多，但對梁面平順性分析評估的方法和深度尚需深入研究。

4.1 靜態(tài)驗收方法

大跨度橋梁上軌面變形幅值遠超規(guī)范要求的長波不平順管理值10 mm/300 m，驗收項目主要采用60 m 弦長中點弦測法進行管理。這種方法存在三個問題：①大跨度橋梁僅驗收靜態(tài)線形，而實際運營的線形是在列車荷載作用下產(chǎn)生了豎向撓度的線形，即驗收方法將橋梁等同于路基、隧道結(jié)構(gòu)，忽略了列車荷載引起的豎向變形；②設(shè)計時采用60 m 弦長中點弦測法對梁面線形進行控制，但施工線形與設(shè)計線形有一定的偏差，竣工后再按60 m 弦長中點弦測法驗收，不平順幅值可能超出規(guī)定的限值；③已開通和在建的大跨度橋梁采用60 m 弦長中點弦測法分析均接近限值，其中部分橋梁靜態(tài)驗收階段滿足60 m 弦長中點弦測法要求，然而考慮全部收縮徐變后不平順幅值超出驗收標準，驗收管理標準值的計算方法和合理性尚需進一步研究。

4.2 動態(tài)線形評估

針對大跨度橋梁在列車荷載作用下線形的特征、規(guī)律、控制標準等方面研究尚少，列車動力性能的評價主要采用模型簡化后的動力仿真分析，而動力仿真是理論計算的最低要求。為提高大跨度橋梁豎向線形的平順性，尚需進一步研究其他輔助評價方法。

5 結(jié)論

1）隨著橋梁跨度增大，跨中梁面線形的平順度有提高的趨勢，撓跨比應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟性比較合理確定；同一孔梁宜采用相同的梁體結(jié)構(gòu)形式。

2）梁端軌道系統(tǒng)設(shè)計不宜考慮地震引起的梁縫寬度變化，采用有砟軌道的大跨度橋梁宜提高邊跨梁端的變形控制標準。

3）大跨度橋梁設(shè)置在大坡度上時宜采用斜坡支座以減小梁體伸縮引起的梁端錯臺差。

4）大跨度橋梁靜態(tài)線形驗收和動態(tài)線形評價方法存在不足之處，驗收管理標準值的計算方法和合理性需進一步研究，動態(tài)線形評估還需研究其他輔助評價方法。