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

朱

彬

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：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粱轨相互作用有其特殊性，尤其是本桥为钢一混凝土混合梁，需要对梁轨相互作用进行深入的研究。建立了“塔一索一梁一轨”一体化的无缝线路计算模型，确定了计算参数，研究桥梁在温度变化、列车荷栽作用下的变形规律，对粱一轨相互作用进行了分析计算和对可行的无缝线路设计方案进行了比选，确定该桥无缝线路设计方案为：在该斜拉桥边跨两端分别设置l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。

关键词：无缝线路；斜拉桥；钢箱混合梁

中图分类号：U213．9

文献标识码：A

文章编号：1004—29(2012)02—0004一03

ontinuousDesignofC

Welded

RailuponLongSpanCable-Stayed

ithSteel-ConcreteCoxBeamBridgewompositeB

inZhuB

(China

RailwaySiyuanSurveyandDesign

Group

Co．，Ltd．Wuhan430063)

ithsteel—concretecomAbstract：Inthispaper，along—spancable—stayedbridgewpositeboxbeamis

as

taken

theresearchbackground，thebridge’Smainspanismadeofsteel

concrete

boxgirder，andtheotherisinusing

homeandabroad，butthe

thisbridgeintegration

of

boxgirder．There

are

manystudyabout

CWR

on

commonbridgeat

interactionbetweenCWRand

long

spancable—stayedbridgehasitsparticularity，especiallyresearch．In

this

paper

madeofsteel—concrete

composite

boxbeamneedsfurtherthe

calculationmodelof‘Tower-cable—beam-CWR’isestablishedandtherelevantparameteristhelawofbridgedeformationowing

to

confirmed，

thetemperaturechangeandtrainloadisstudied，theinteraction

WRareputforwardandcombetweenbeamandrailisanalyzed，andmultipledesignproposalofCpared．Theresearchresultsprovidetheoreticalsupportithuponlong—spancable—stayedbridgew

forthedesign，constructionandmaintenanceofCWR

steel—concretecom．positeboxbeam

eldedrail(CWords：continuouswKeywR)；cable—stayedbridge；steel-concretecompositeboxbeam

1

概述

近年来，斜拉桥在我国新建铁路中得到了一定的

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

应用，斜拉桥一般采用自锚式体系，它由梁、斜拉索和

收稿日期：201l—08—23

作者简介：朱彬(1977一)．男，1=程师，2005年毕业于中南大学道路

与铁道_【程专业，工学硕士。

m(含梁缝)，中主跨419m范围为钢箱梁，其他主m处。该桥梁部结构兼有钢结构和混凝土结构

梁采用混凝土箱梁，钢一混结合段位于中跨距索塔

24．5

●_-●}■_-●}o—●_。●_。●_“●_“●_。●_“●_’●H*●●●_●_“●H”◆●◆●◆●◆●◆‘_◆●◆●◆“◆‘忡◆●‘◆●”●_-●H-●H’●H●_-●_◆_-●_■H◆．．

裴颖．孙中正，陈彦芬．高速、重载铁路的发展动态[J】．铁道建

筑技术，1994(2)：35—4I．

参考文献：

[1】

[4】

[J]．铁道建筑，2010(3)：—92．

张银花，陈朝阳。周清跃．钢轨屈服强度指标取值研究[J]．铁道建筑，2006(3)：92—94．[5】

铁道部第三设计院．道岔设计手册[M]．北京：人民铁道出版

社。1975．

[2】赵洪雁．大秦线重载铁路道岔技术指标探讨[J】．铁道建筑。

2010(4)：—91．

[3】陈小平，王平．铁路道岔合金钢组合辙叉联结螺栓强度分折

4

ANDARDDESIGN2012(2)铁道标准设计RAILWAYST

朱

彬一大跨度钢箱混合梁斜拉桥无缝线路设计研究

线路／路基

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1垃置纵

向滑动钢支座，索塔一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。

r#

4I、f}l

4n¨)“'10一R…“

{L

Io，A=1

4【‘¨^non

6}{}

oU航．p_121HI…．…H^f_

I

图1桥梁结构布置I单位：cm

If

}}}}

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，尤其是本桥为钢一混凝土混合梁，需要对梁轨相互作用进行深入的研究。2塔一索一梁一轨一体化计算模型

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粱上铺设的钢轨一起受力变形，形成塔一索一梁一轨一体化的相互作用体系。对于半漂浮体系的斜拉桥，塔与主粱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，阻尼限位器就会主梁的位移。另外钢一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：100m路

基地段+5—32m简支粱+(53+50+50+66+468+66+50+

有载时机车下扣件阻力(12．4

＼0

奈＼

护，升降温取±20℃。

(2)线路阻力4所示。

围2塔一索一粱一轨一体化计算模型

±20℃；钢结构梁升降温为±35℃；斜拉索有索套保

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

爵藉群矗勇忑西无藏

50+53)m钢箱混合梁斜拉桥+5—32m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粱单元，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，塔一索一梁一轨一体化计算模型如图2所示。3无缱线路主要设计参数

(1)斜拉桥体系温度根

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

NDARD铁道符准设计RAILWAYSTA

DESIGN

位移∞^帆

圈3道床纵向阻力

圈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一活载，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0．1。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。

案一：全桥采用常阻力扣件。桥上不设小阻力扣

重

2012(2)

线路／路基

件，也不设钢轨伸缩调节器。

朱彬一大跨度钢箱混合梁斜拉桥无缝线路设计研究

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种设计方案的粱、轨伸缩位移和钢轨纵向力，计算结果如图5所示。

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

按趟觥

{

距离，m距离，m距离，m

距离／m

(a)梁伸缩位移

注：——方案一——方案二…一方案三…方案四

图5

∞)钢轨缩位移

(c)梁轨相对位移(d)钢轨纵向力(含温度力)

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

(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AT小于或等于容许的允许升温幅度[△疋]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=1结果见表3。

表3

无缝线路稳定性检算

15

N／cm。4种设计方案的稳定性检算

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℃，最低轨温为一11．1℃，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：A=

EaAT=119．288MPa。

(3)钢轨断缝检算果如下

该线为客货共运线路，机车轴重按23t检算，本桥位于直线地段，速度系数Ot=l，偏载系数p=0，横向水平力系数，=1．25；有砟轨道钢轨支座刚度D取33kN／mm进行计算；轨枕间距a=600mm；钢轨截面参数按磨耗6mm计。轨底动弯拉应力为矿。=

146．42MPa。

如下

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

轨道方案

方案～

口。

MPa

口d口f芝口

[，]结论

一=

2．1×107×77．45×(11．8×10—6×48．1)2

865．5mm

当铺设小阻力扣件地段钢轨折断时，断缝计算结

A=半=

34．9mm

当铺设普通扣件地段钢轨折断时，断缝计算结果

兰：!兰!Q!苎!Z：兰兰苎!!!：墨兰!壁：!兰兰!：12：一

A=半=

15—‘

193．394459．102145．2110．923145

42

4ll

136

Z口>[口]，不满足乏口>【口】．不满足

351．351．55乏口>【口】

不满足

6

方案二

方案三119119．．288146．．42

可见，断缝值小于允许断缝值70mm，检算通过。

结语

案四

一一

斜拉桥两端温度

力及纵向力释放．=口<[口]，满足

与一般大跨度连续梁不同，本桥主跨为钢一混结

(下转第15页)

NDARDDESIGN20J2(2)铁道知准设计RAILWAYSTA

6

全顺喜，魏贤奎，王平一无砟轨道高低和方向不平顺控制方法探析

线路／路基

顺，较好地保证了轨道的平顺状态。但仍存在一些问题：(1)10m弦的正矢差和30m弦相隔为5m的校核值对轨道不平顺的控制效果是一致的，为方便无砟轨道的施工和养护维修，轨道不平顺的控制指标应尽可能少，因此这2个指标应只采用1个；(2)规范中3个控制指标计算麻烦，物理含义模糊(特别是30／300弦相隔为5

5

m

值计算简单，明确易懂，且对轨道不平顺控制的效果要优于其他2种指标。

(2)以隔枕校核值做为控制指标对轨道不平顺进行控制时，校核枕数q越大，轨道长波不平顺控制得越好，但此时不能控制周期性短波不平顺；校核枕数q越小，轨道短波不平顺控制得越好，但此时不能控制长波不平顺。为有效控制不同波长的不平顺，应同时采用多次校核的方式对轨道的短波和长波进行控制。

(3)根据不同控制方法控制下轨道不平顺谱的分析结果，建议我国高速铁路无砟轨道高低和方向采用以下方法进行控制：隔0．625m(1枕)校核值≤l

≤10mmo

mm、

m／150

in的校核值)，而且其控制效果不如

隔5m校核值和隔150m校核值好；(3)对于波长小于

m的轨道不平顺没有得到有效的控制。

因此，建议我国高速铁路无砟轨道高低和方向采

用以下方法进行控制：隔0．625m(1枕)校核值

≤1

mm、隔5m(8枕)校核值≤2mm、隔150

in

隔5m(8枕)校核值≤2mm、隔150m(240枕)校核值参考文献：

[1】伍林．CRTSI型双块式无砟轨道精调技术研究[J]．铁道标准

设计．2010(1)：74—79．

(240枕)校核值≤10mm。当样本数据点』、r=2000，建议前后轨道不平顺谱密度的最大值如图6所示。

盒

#

墨l

[2]全顺喜，王平．伍曾．客运专线无砟轨道道岔精调系统的研究与应用[J]．铁道标准设计。2010(02)：36—39．

罂

捌龆搬

苦

[3]中华人民共和围铁道部．铁建设[2009]674号高速铁路无砟轨

道工程施1：精调作业指南[S]．北京：中国铁道出版社．2009．

[4]中华人民共和国铁道部．TBl0621—2009高速铁路设计规范[s]．

北京：中国铁道出版社．2009．

[5]

空间频率／(I／m)

安围栋．高速铁路精密丁程测量技术标准的研究与应用[J]．铁道

学报。2010，32(2)：98—104．

圈6建议前后轨道不平顺谱密度的最大值

[6]潘振．吴旺青．高速铁路轨道几何状态检测标准的深入研究[R]．北京：中国铁道科学研究院。2009：I一2．

[7]罗林，张格明，吴青旺，柴雪松．轮轨系统轨道平顺状态的控制[M]．北京：中国铁道出版社，2006：173一18I．

4结论

[8]

王大伦．王志新，王

康．数字信号处理——理论与实践[M]．北

(1)轨道高低和方向是轨道静态平顺性控制中最重要的2个方面，它可以通过3个指标进行控制：①不同弦长的正矢差；(窆)30／300m弦相隔为5

m／150

京：清华大学出版社．2010：13l—136．

[9]汪学刚．张明友．现代信号理论[M]．2版．北京：电子工业出版

社．2005：56—88．

m的

校核值；③隔枕校核值。这3个控制指标中，隔枕校核

(上接第6页)

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星折线形，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l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。参考文献：

[1]

卢耀荣．无缝线路研究与应用[M]．北京：中国铁道出版杜．2004．

STANDARD

[2]广钟岩．高慧安．等．铁路无缝线路[M]．北京：中国铁道出版

社．2005．

[3]

中铁第四勘察设计院集团有限公司．无缝线路设计参数的试验研究报告[R]．武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2009．

[4]李秋义．李志红．孙立．武汉天兴洲大桥引桥无缝线路设计方案探讨[J]．铁道建筑技术．2005(SI)．

[5]孙立．大跨度混凝土连续梁桥上无缝线路设计的关键技术[J]．

中国铁路，2004(9)．

[6]刘文兵．大跨度提篮拱桥上无缝线路设计关键技术研究[J]．铁道

T程学报，2009(6)．

[7]魏贤奎，王平．大跨度一k承式钢管混凝土提篮拱桥桥上无缝线

路计算分析[J]．铁道标准设计．2010(11)：4—6．[8]

王华成．桥墩纵向水平线刚度对桥上无缝线路设计的影响[J]．铁

道建筑技术．2007(2)．

[9]朱彬．客运专线跨区间无缝线路桥上钢轨伸缩调节器的设置[J]．铁道标准设计．2006(S)．

铁道标准设计RAILWAYDESIGN,窖012(2)15