大跨度钢箱混合梁斜拉桥无缝线路设计研究

朱 彬

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

近年来，斜拉桥在我国新建铁路中得到了一定的应用，斜拉桥一般采用自锚式体系，它由梁、斜拉索和塔柱3部分组成，梁通过若干根斜拉索拉在塔柱上，该体系显著提高了桥梁的跨越能力，是大跨度桥梁的主要桥型。以某新建铁路(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m钢箱混合梁斜拉桥为研究背景，该桥全长909 m(含梁缝)，中主跨419 m范围为钢箱梁，其他主梁采用混凝土箱梁，钢-混结合段位于中跨距索塔24.5 m处。该桥梁部结构兼有钢结构和混凝土结构的优点，中主跨采用钢结构可以减轻结构自重，提高跨越能力，节省支模工序，缩短施工周期，两侧采用混凝土箱梁，可以减小用钢量，增强结构的刚度、稳定性和整体性。该桥采用半漂浮体系，主梁在塔、墩上设置纵向滑动钢支座，索塔-梁底设置液压阻尼器，索塔在桥面以上采用倒Y形，桥面以下塔柱内缩为钻石形，桥梁布置如图1所示。

图1 桥梁结构布置(单位:cm)

国内外对常见桥梁无缝线路的梁轨相互作用的研究较多，大跨度斜拉桥上无缝线路梁轨相互作用有其特殊性，尤其是本桥为钢-混凝土混合梁，需要对梁轨相互作用进行深入的研究。

2 塔－索－梁－轨一体化计算模型

斜拉桥主梁、拉索和索塔形成一个组合体系，三者之间耦合在一起相互作用，在温度变化或列车荷载作用下，桥梁变形会通过道床或扣件系统带动梁上铺设的钢轨一起受力变形，形成塔-索-梁-轨一体化的相互作用体系。对于半漂浮体系的斜拉桥，塔与主梁间纵向设置阻尼限位器，温度变化时，塔、梁之间纵向可自由活动，但在列车荷载作用下，阻尼限位器就会限制主梁的位移。另外钢-混凝土混合梁斜拉桥，钢梁和混凝土梁的温度变化幅度不一样，且差别较大，钢混结合段处的主梁纵向位移会有一个转变。

本文建立的桥上无缝线路模型组成为:100 m路基地段+5-32 m简支梁+(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m钢箱混合梁斜拉桥+5-32 m简支梁+100 m路基地段，钢轨两端节点位于无缝线路固定区。主桥采用传统的“鱼骨梁”计算模型，主梁和桥塔按照实际空间位置离散为三维梁单元，拉索离散为三维索单元，桥墩和辅助墩也离散为三维梁单元，钢轨采用Timoshenko梁单元，桥梁的上下翼缘厚度采用刚臂进行模拟，并按照各自的截面特性和材料特性赋值进行计算，道床纵向阻力用非线性弹簧单元模拟，桥塔、桥墩及辅助墩的纵向刚度采用线性弹簧模拟，塔-索-梁-轨一体化计算模型如图2所示。

3 无缝线路主要设计参数

(1)斜拉桥体系温度

根据桥梁所在地气温资料，计算时取多年平均气温(16.3±5)℃作为合龙温度。混凝土梁升降温为±20℃;钢结构梁升降温为±35℃;斜拉索有索套保护，升降温取±20℃。

图2 塔－索－梁－轨一体化计算模型

(2)线路阻力

有砟轨道采用Ⅲ型轨枕道床纵向阻力取值，如图3所示，当采用弹条V形小阻力扣件，扣件阻力如图4所示。

图3 道床纵向阻力

图4 小阻力扣件纵向阻力

(3)挠曲力及制动力计算荷载

根据本线运营条件，挠曲力、制动力计算时采用中-活载，应进行多种荷载布置工况分别计算，并取其最不利值，制动力计算时，轮轨粘着系数取0.164。

4 无缝线路设计方案及纵向力计算

(1)无缝线路设计方案

针对大跨度钢箱混合梁斜拉桥的特点，提出以下4种桥上无缝线路设计方案进行比选。

方案一:全桥采用常阻力扣件，桥上不设小阻力扣件，也不设钢轨伸缩调节器。

方案二:斜拉桥边跨及相邻5跨简支梁采用小阻力扣件，桥上不设钢轨伸缩调节器。

方案三:在斜拉桥跨中设置1组双向钢轨伸缩调节器，伸缩区影响范围采用小阻力扣件。

方案四:在斜拉桥边跨两端分别设置1组单向钢轨伸缩调节器，钢轨伸缩调节器尖轨指向斜拉桥外，基本轨一侧伸缩区铺设小阻力扣件。

(2)纵向力计算分析

大跨度桥梁铺设无缝线路，伸缩力往往是关键因素，根据本桥的实际情况，着重计算了4种设计方案的梁、轨伸缩位移和钢轨纵向力，计算结果如图5所示。

图5 4种设计方案计算结果

4种无缝线路设计方案的钢轨纵向力计算结果汇总见表1。

表1 钢轨纵向力汇总 kN

5 轨道结构检算

(1)钢轨强度检算

设计范围最高轨温为61.7℃，最低轨温为-11.1℃，设计锁定轨温为(32±5)℃，无缝线路温升34.7℃，温降48.1℃，无缝线路温度拉应力为:λ=EαΔT=119.288 MPa。

该线为客货共运线路，机车轴重按23 t检算，本桥位于直线地段，速度系数α=1，偏载系数β=0，横向水平力系数f=1.25;有砟轨道钢轨支座刚度D取33 kN/mm进行计算;轨枕间距a=600 mm;钢轨截面参数按磨耗6 mm计。轨底动弯拉应力为 σd=146.42 MPa。

从本桥纵向力计算结果看，伸缩力大于挠曲力，采用伸缩力进行钢轨强度检算，检算结果见表2。

表2 钢轨强度检算 MPa

(2)无缝线路稳定性检算

无缝线路的稳定性应满足钢轨的实际升温幅度ΔT小于或等于容许的允许升温幅度［ΔTc]的要求。本文采用“统一公式”进行无缝线路稳定性检算，等效道床阻力Q=115 N/cm。4种设计方案的稳定性检算结果见表3。

表3 无缝线路稳定性检算

(3)钢轨断缝检算

当铺设小阻力扣件地段钢轨折断时，断缝计算结果如下

当铺设普通扣件地段钢轨折断时，断缝计算结果如下

可见，断缝值小于允许断缝值70 mm，检算通过。

6 结语

与一般大跨度连续梁不同，本桥主跨为钢-混结合梁，钢、混凝土材料的膨胀系数和梁的温度变化幅度不同，在结合段梁的伸缩位移呈折线形，导致钢轨伸缩力在结合段有明显的两段台阶。

本桥主梁的跨度大，梁伸缩位移大，钢轨伸缩力大，方案一轨道结构检算不能满足要求。方案二在桥上铺设小阻力扣件能降低部分伸缩力，但钢轨强度检算仍不能满足要求。方案三在斜拉桥跨中设置1组双向钢轨伸缩调节器，因斜拉桥跨度过长，与方案二相比并未改善轨道受力。方案四在主桥两端设置钢轨伸缩调节器，形成伸缩区，释放了主桥两端的温度力及纵向力，钢轨强度、无缝线路稳定性及钢轨断缝均可满足要求，因此推荐方案四为本桥无缝线路设计方案。

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