大跨度钢箱混合梁斜拉桥无缝线路设计研究

大跨度钢箱混合梁斜拉桥无缝线路设计研究

姬勇刚 王晓阳 翟师冬

中铁大桥（郑州）缆索有限公司 河南省郑州市 450000

摘要：近年来，我国的桥梁工程建设越来越多，在斜拉桥线路中，无缝线路设计工作是非常重要的一项内容。以某大跨度钢箱混合梁斜拉桥为研究背景，该桥中主跨为钢箱梁，其他主梁采用混凝土箱梁，大跨度斜拉桥上无缝线路梁轨相互作用有其特殊性，随着轨道技术的进一步完善和施工控制水平的提高，一些大跨度钢桁梁柔性拱桥开始铺设明桥面轨道，也带来了新的技术挑战。因此，有必要对大跨度钢桁梁柔性拱桥铺设轨道无缝线路的受力和变形规律开展研究。本文首先分析了塔－索－梁－轨一体化计算模型，其次探讨了大跨度钢箱混合梁斜拉桥无缝线路设计，以供参考。

关键词：无缝线路;斜拉桥;钢箱混合梁

引言

斜拉桥因造型优美、跨越能力大、结构受力性能优良在大跨桥梁中得到广泛应用，其最大跨度一再被刷新。现有斜拉桥主梁多采用普通混凝土梁、钢主梁或钢－普通混凝土混合梁，斜拉索多采用钢绞线或平行钢丝拉索，桥塔多采用普通混凝土桥塔。对于主梁，因普通混凝土抗压比强度（抗压强度／质量）较低，普通混凝土梁斜拉桥的适用跨度一般在500ｍ以内，更大跨度的斜拉桥多采用钢主梁或钢－混凝土混合梁，但钢主梁结构构造及稳定性控制较复杂，全寿命周期成本较高。对于斜拉索，传统钢制拉索的耐腐蚀性能差，使用寿命一般仅为２０年左右，远低于桥梁结构的设计使用寿命，同时由于钢拉索自重大，垂度效应会导致长索的有效弹性模量降低明显，从而降低斜拉索的承载效率。

1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。

2大跨度钢箱混合梁斜拉桥无缝线路设计

2.1合理设计钢轨伸缩调节器

桥上设置有钢轨伸缩调节器(现一般采用曲线型)时，因基本轨端头阻力较小，与钢轨折断情况相似，两端的长轨条伸缩位移较大。当伸缩调节器位于连续梁的端部时，轨条伸缩区的影响范围将长达3～5跨32m简支梁，这使得作用于简支梁墩台的纵向力也较大。因此，应合理布置伸缩调节器的位置，避免与连续梁相邻的简支梁受力超限。例如连续梁梁端设置钢轨伸缩调节器时，可将其布置于主桥四分之一桥跨附近，并靠近伸缩附加力峰值处，这样既可有效降低钢轨伸缩附加力，又不至于过大增加固定墩的受力，这也要求增大与连续梁相邻的简支梁墩台纵向水平刚度。同时，为保证梁轨相对位移不超限，桥梁墩台纵向水平线刚度应在全桥均匀过渡。由于伸缩调节器特殊的结构设计，在应用中一般保证尖轨和桥梁的伸缩方向一致，以使得二者的相对伸缩位移较小。因而单向伸缩调节器布置于梁端时，通常尖轨位于连续梁上，基本轨位于相邻简支梁上;而当单向伸缩调节器布置于跨中时，尖轨与桥梁间的相对位移较大，因此需采用双向伸缩调节器，以缩短尖轨的长度。设计中注意对单、双向伸缩调节器的设置方案进行对比分析。

2.2无缝线路正常使用极限状态设计

无缝线路稳定性检算。当有砟轨道铺设无缝线路时，应正常使用极限状态设计进行无缝线路稳定性检算。极限状态法与容许应力法计算表达式相近，正常使用极限状态法在计算轨道横向稳定性时，引进了整体计算模型和临界温压计算模型的不定性系数，两者乘积为γ_sd1×γ_sd2=1．3125;容许应力法的钢轨容许压力安全系数取1．3。从数学方程角度分析，两种计算方法计算的允许温升值相近。

2.3钢轨伸缩附加力

钢轨伸缩调节器可大幅度降低钢轨伸缩附加力。在纵梁断开处，伸缩附加力出现突变，突变幅度较小，但与不布置钢轨伸缩调节器的方案相比，伸缩附加力突变幅度较大。由于钢轨伸缩调节器的尖轨和基本轨可相互错动，因此在钢轨伸缩调节器布置部位纵向力为0。

2.4结构静力稳定性

斜拉桥的主梁和桥塔因承受巨大的内力作用易

出现失稳，故需对其屈曲稳定情况进行计算分析。稳定问题主要分为两类，包括第一类和第二类稳定问题。本文仅着眼于比较不同方案斜拉桥结构整体屈曲稳定的相对变化，即只注重不同结构方案稳定性的相对变化，故仅基于第一类稳定安全系数进行分析。综合CRR方案和CHR方案主梁和桥塔正常使用极限状态下的应力状态和结构整体屈曲稳定性分析结果可知，结构的屈曲稳定是超大跨度斜拉桥设计的主要控制因素之一。

2.5无砟轨道桥上无缝线路

无砟轨道整体性强，一般认为不存在线路失稳的问题，但扣件为满足横向刚度和轨距调节能力，允许一定程度的轨条横向移动，当钢轨温度力过大或扣件工作状态不良时，轨条在有初始弯曲等缺陷的区段可能会出现臌曲变形。由于受到无砟道床和扣件阻力增大的制约，这种臌曲不会发展到轨条失稳，始终处于胀轨状态，从而形成钢轨碎弯。2006年我国首次在遂渝线铺设了无砟轨道试验段，运营一年多发现试验段内多处出现钢轨碎弯，主要表现为无缝线路在高温季节出现波长0．3～0．6m的横向不平顺，且不易消除;钢轨存在碎弯容易激发机车车辆蛇行运动，严重影响到行车平稳性、舒适性和安全性。可以看出，无砟轨道虽然不会出现稳定性问题，但会出现钢轨碎弯，由此可能出现无砟轨道桥上无缝线路由钢轨碎弯控制设计，最终导致设置伸缩调节器。虽然目前碎弯理论不太成熟，也未写进规范，但是一些单位已经开始进行深入研究并有相关的计算公式。在无砟轨道铁路项目设计评审中已有专家提出相关问题，如宝兰客专等。为保证安全，在设计中对钢轨碎弯应引起足够重视。此外，桥上铺设无砟轨道无缝线路后，其梁轨相互作用原理与有砟轨道有显著差别，无缝线路纵向力作用于无砟轨道结构，可导致无砟轨道结构损坏或破坏，设计时有必要可建立细化模型进行分析。

2.6墩台刚度

随着墩台刚度的增大，对钢轨的伸缩约束作用逐渐增大，因此断缝值逐渐减小。这是设计中需要限制桥墩最小纵向刚度的原因。拱肋在列车运行时，存在受拉现象，建议下承式拱桥拱肋采用钢管混凝土结构，以保证足够的受拉强度。

结语

综上所述，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，在结合段梁的伸缩力在结合段有明显的两段台阶。在大跨度钢桁梁柔性拱桥桥上设置钢轨伸缩调节器可以有效降低钢轨应力，且钢轨伸缩调节器的伸缩范围应该根据桥梁的最大可能伸缩位移。在确定线路桥梁方案时，需结合实际工程概况，考虑温度跨度、曲线半径、桥梁高墩、钢轨碎弯等因素的影响;同时尽力避免各种不利因素相互叠加的设计，如小半径曲线长大跨度高墩桥上无缝线路应尽量避免在设计中出现。

参考文献

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