高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道無(wú)縫線路設(shè)計(jì)理論及方法研究

高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道無(wú)縫線路設(shè)計(jì)理論及方法研究摘要：近年來(lái)國(guó)內(nèi)高速鐵路建設(shè)高速發(fā)展，高速鐵路建設(shè)技術(shù)已經(jīng)從引進(jìn)、消化、吸收走向再創(chuàng)新，逐步形成了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)砟軌道施工技術(shù)。目前國(guó)外高速鐵路因行車對(duì)線路、橋梁等土建工程的剛度要求嚴(yán)格，國(guó)外高鐵橋梁中多以小跨度為主。我國(guó)應(yīng)用于高速鐵路無(wú)砟軌道的大跨度橋梁種類多、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。主要有混凝土連續(xù)梁、混凝土連續(xù)剛構(gòu)、鋼梁橋、組合體系橋梁、拱橋、斜拉橋等。文章就針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)重點(diǎn)論述。關(guān)鍵詞：高速鐵路橋梁；無(wú)砟軌道；無(wú)縫線路設(shè)計(jì)；研究引言高速鐵路上無(wú)縫道岔工況極其復(fù)雜，無(wú)縫道岔、無(wú)砟軌道、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，成為當(dāng)下制約高速鐵路軌道工程的技術(shù)瓶頸。而今，國(guó)內(nèi)科研單位對(duì)橋上軌枕埋入式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔進(jìn)行計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法研究，研究成果已經(jīng)在武廣高速鐵路、滬寧城際鐵路得到應(yīng)用。開(kāi)展高速鐵路橋上板式無(wú)砟無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)研究不僅是為了解決工程中的技術(shù)難題，同時(shí)對(duì)于我國(guó)高速鐵路橋上無(wú)縫道岔技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步也具有重大意義。一、高速鐵路長(zhǎng)大橋上無(wú)砟無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、結(jié)構(gòu)組成

橋上底座縱連式無(wú)砟道岔結(jié)構(gòu)自上到下由鋼軌、扣件系統(tǒng)、道岔板、砂漿墊層、底座板、滑動(dòng)層、硬泡沫塑料板、加高層、剪力齒槽、側(cè)向擋塊、摩擦板、端刺等組成，岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)高度710mm。2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受橋面道床板、底座板自身剛度等以及軌道平順性對(duì)撓度變形要求，無(wú)砟軌道大跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)跨度一般不超過(guò)130m，鋼箱拱梁跨度不超過(guò)140m。有砟軌道橋面采用道渣鋪墊，道床具有自身調(diào)節(jié)范圍較大，適用跨度大。百米大跨度無(wú)砟軌道橋梁受重力荷載、溫度荷載影響變形大，線形控制困難。我國(guó)高速鐵路暫行規(guī)定要求不同工況橫向撓度控制值為6mm，豎向撓度控制值10mm，實(shí)際工況因環(huán)境條件復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工與設(shè)計(jì)存在差別，豎向撓度控制難以嚴(yán)格滿足規(guī)范要求。

2.1橋梁線形受施工荷載變化。在無(wú)砟軌道施工過(guò)程中，隨著橋上施工荷載

(軌道板、雙塊式軌枕、混凝土、CA砂漿、其他材料等)、二期恒載(鋼軌、附屬橋面系、水溝、電纜槽、電力通訊線桿等)、臨時(shí)荷載(施工設(shè)備、風(fēng)力、施工人

員)、活載(列車運(yùn)行荷載)等荷載的變化均會(huì)產(chǎn)生變形，因此在無(wú)砟軌道施工過(guò)程中應(yīng)統(tǒng)籌考慮各期荷載對(duì)橋梁線形的影響。

2.2橋梁線形受溫度荷載變化。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)考慮溫度荷載均是以梁體整體

均勻溫度變化計(jì)算對(duì)軌道工程的影響，計(jì)算梁體撓曲變形大部分能滿足2mm軌道位移要求。然而置于自然環(huán)境中的大跨度混凝土梁，受地理位置、太陽(yáng)輻射條件、結(jié)構(gòu)方位、氣溫、氣候等環(huán)境條件變化的影響，結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的熱交換過(guò)程中，由此形成了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物溫度分布。不均勻溫度荷載產(chǎn)生的梁體形變才是現(xiàn)場(chǎng)施工及后期運(yùn)營(yíng)需要考慮的重點(diǎn)，特別是大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁受不均衡溫度變化產(chǎn)生的撓曲變形更加嚴(yán)重。

2.3軌道控制網(wǎng)布設(shè)困難。無(wú)砟軌道施工精度控制的關(guān)鍵是高精度控制網(wǎng)

的布設(shè)，無(wú)砟軌道的鋪設(shè)必須建立軌道CPⅢ控制網(wǎng)，CPⅢ控制網(wǎng)點(diǎn)間線路方向距離50-60m，因此必須在不穩(wěn)定的長(zhǎng)大橋跨上布設(shè)CPⅢ控制點(diǎn)，不同時(shí)段、不同荷載下CPⅢ控制點(diǎn)的位置均不相同，因此完成CPⅢ控制網(wǎng)的測(cè)設(shè)成為制約無(wú)砟軌道施工的首要問(wèn)題；Ⅰ、Ⅱ型板式無(wú)砟軌道在CPⅢ控制網(wǎng)建立的基礎(chǔ)上還必須建立軌道GＲP基準(zhǔn)控制網(wǎng)，GＲP點(diǎn)間距離6.5m，橋上受風(fēng)振、CPⅢ控制點(diǎn)位不穩(wěn)定、后期荷載影響，GＲP控制網(wǎng)測(cè)設(shè)、平差計(jì)算難以通過(guò)。

2.4軌道精度難以控制。大跨度下CPⅢ、GＲP控制點(diǎn)點(diǎn)位不穩(wěn)定，造成

控制點(diǎn)精度低甚至無(wú)法使用，只能使用邊跨段控制點(diǎn)建站，同時(shí)由于梁跨中部受溫度、活載等影響產(chǎn)生的橋梁自振，儀器無(wú)法在橋跨跨中部位建站，因此不可避免的需要延長(zhǎng)單站測(cè)距，全站設(shè)站精度、測(cè)站間搭接誤差難以保證。Ⅰ、Ⅱ型板精調(diào)時(shí)，儀器必須架設(shè)在實(shí)時(shí)自振動(dòng)的橋跨上，橋梁上軌道板鋪設(shè)精度難以滿足設(shè)計(jì)要求。

二、橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型和計(jì)算方法

針對(duì)橋上縱連底座板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將道岔、道岔板、底座板、梁體和墩臺(tái)視為一個(gè)系統(tǒng)，建立“岔—板—板—梁—墩”一體化模型?！安怼濉濉骸铡币惑w化計(jì)算模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺(tái)、摩擦板、端刺、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線性考慮。

在橋上縱連底座板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔計(jì)算模型中，底座板與梁面間、臺(tái)后底座板與摩擦板、扣件縱向阻力等參數(shù)具有明顯的非線性特征。根據(jù)以上計(jì)算模

型建立的橋上縱連底座板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔縱向力計(jì)算非線性有限元力學(xué)平衡方程，可采用相應(yīng)的非線性方程組數(shù)值求解方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，底座板與橋梁間摩擦系數(shù)、底座板剛度折減系數(shù)對(duì)計(jì)算橋上無(wú)縫道岔受力和變形影響較大。

三、底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

底座混凝土板是橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔系統(tǒng)的主要受力構(gòu)件，基于開(kāi)裂后鋼筋混凝土剛度折減理念，按軸向拉壓桿件采用極限狀態(tài)法進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)

計(jì)。底座板主要檢算內(nèi)容和方法包括:

1、不同工況軌道系統(tǒng)檢算?？紤]結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、橋墩不均勻沉降、橋墩扭曲變形、溫度、混凝土徐變和收縮、列車活載等荷載以及不同荷載組合，進(jìn)行扣件上拔力檢算，底座抗彎、抗剪及疲勞檢算，高強(qiáng)度擠塑板檢算。2、軸向受壓檢算?？紤]溫度荷載作用下軌道屈曲穩(wěn)定性檢算。3、軸向受拉檢算?？紤]底座板開(kāi)裂后，不同的剛度折減及不同的摩擦系數(shù)，進(jìn)行單線底座板作用下拉力計(jì)算，降溫荷載下底座板和鋼軌拉力計(jì)算，軌道板與底座板溫差及混凝土收縮荷載下底座板拉力計(jì)算，以及制動(dòng)荷載下底座板拉力計(jì)算。

4、根據(jù)計(jì)算得出的底座板可能承受的最大軸向拉力等設(shè)計(jì)荷載，按軸向拉壓桿件采用極限狀態(tài)法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

四、無(wú)砟軌道無(wú)縫線路施工技術(shù)措施

無(wú)砟軌道對(duì)結(jié)構(gòu)的變形要求極為嚴(yán)格，參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，無(wú)砟軌道鋪設(shè)橋梁徐變上拱值不大于10mm，下?lián)现挡淮笥?0mm。施工過(guò)程中大跨度無(wú)砟軌道橋梁產(chǎn)生撓曲變形的主要因素有混凝土收縮徐變、溫度荷載、施工荷載、恒載等影響。成橋后產(chǎn)生撓曲變形的主要影響因素有后期活載、溫度荷載、長(zhǎng)期的沖擊荷載等。因此如何在施工過(guò)程中能夠確保成橋線形滿足照設(shè)計(jì)要求，在成橋后軌道平順性能夠滿足高速列車運(yùn)行不產(chǎn)生病害成為施工階段研究的主要問(wèn)題。

1、預(yù)留拱度

不論采用何種施工方法，橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中總要產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)的變形受多重因素影響，極易造成成橋線形與設(shè)計(jì)要求不符。無(wú)砟軌道對(duì)軌道平順性要求極高，為保證高速列車平穩(wěn)運(yùn)行和乘坐舒適度，大跨梁體無(wú)砟軌道施工時(shí)更需設(shè)置一定的預(yù)拱度，預(yù)拱度的設(shè)置要綜合考慮各種情況，如列車沖擊荷載、Ⅱ期恒載、后期徐變等。預(yù)拱度按實(shí)際列車、單線、全橋均布荷載進(jìn)行計(jì)算和擬合，得出軌道設(shè)計(jì)線形。

2、控制網(wǎng)測(cè)設(shè)措施

大跨度橋梁無(wú)砟軌道控制網(wǎng)測(cè)設(shè)困難主要由于橋梁受多重荷載(重力、溫度、徐變等)的影響，點(diǎn)位在不斷變化，測(cè)量工作難以開(kāi)展，點(diǎn)位成果無(wú)法使用。從目前多條客專施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，目前多采取的措施有2類:一是根據(jù)不同的工況、不同的環(huán)境條件，保證大網(wǎng)不變，實(shí)時(shí)更新橋梁局部控制網(wǎng)成果；二是將長(zhǎng)大橋跨上的軌道控制點(diǎn)作為過(guò)渡點(diǎn)，僅作為大網(wǎng)平差的過(guò)渡，現(xiàn)場(chǎng)施工不采用其成果。結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)技術(shù)的進(jìn)一步積累，設(shè)計(jì)單位如何采用新材料改變大跨橋梁自身剛度，涂裝新涂料使梁體溫度變化均衡以及超前設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)后的長(zhǎng)期梁體徐變拱度，從而提高長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道耐久性，確保軌道平順性成為未來(lái)長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。參考文獻(xiàn)[