CN106599497A - 铁路高墩大跨桥梁轨道的变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，通过有限元法分析高墩大跨桥梁模型，计算风载荷、温度变化、行车工况和/或制动工况下，轨道形变是否符合规范要求。本发明的铁路高顿大跨桥梁轨道的变形控制方法，针对现有的大跨度桥梁轨道变形研究缺少的问题，主动的针对高墩大跨桥上的轨道变形加以研究分析，提出了控制轨道变形的好方法，能够显著的改善轨道的变形问题，提高列车通行安全性、平顺性。

Description

铁路高墩大跨桥梁轨道的变形控制方法

技术领域

本发明涉及一种轨道的变形控制方法，特别涉及一种高墩大跨度桥梁轨道变形控制方法，属于轨道交通控制领域，是实现轨道交通安全平稳运行的控制方法，属于交通运输轨道的管理、控制领域。

背景技术

近年来，随着铁路建设的快速发展和桥上铺设无缝线路技术的进步，桥梁在线路中所占比例逐渐增大，线路不可避免地需要跨越交通干线、陡峭峡谷、宽广河流等特殊地段，为了满足线路跨越横穿这些地段的要求，大量的高墩大跨桥梁(如高墩大跨连续刚构桥、长联高墩连续梁桥及多跨高墩简支梁桥等)相继出现。

由于这些桥梁本身结构特点的特殊性(如结构零部件多、结构受力传力路径广等)、相邻桥梁结构间构造差异的悬殊性(如梁体刚度差异、梁体材料差异及墩台刚度差异等)及桥址地段自然环境条件的复杂性(如大等级自然风、变化多端温度场等)等因素的影响，在这些桥梁结构上铺设无缝线路以后，桥上无缝线路的受力变形、桥梁结构的受力变形及线桥之间的相互影响规律都将会与普通简支梁桥、连续梁桥有较大的差别。

但目前，关于桥上无缝线路技术的既有研究工作和总结归纳形成的成熟应用经验主要针对普通简支梁桥、连续梁桥和连续钢桁梁桥等展开。因此，有必要充分考虑高墩大跨结构桥梁的高墩和大跨两个重要特点，着重研究桥梁结构在自然风场、温度场等多场影响下桥梁结构及无缝线路受力变形规律，为高墩大跨结构桥桥上无缝线路设计提供指导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中轨道交通建设过程中桥梁比例不断增加，线路复杂性增强，现有技术中缺少高墩大跨桥梁轨道变形控制方法的不足，提供一种大跨桥梁轨道的变形控制方法。本发明的轨道变形控制方法能够很好的控制轨道的形变量，保证轨道的结构稳定性和安全性，显著的改善机车运行的安全性、平稳性和舒适性，使得轨道交通的服务质量更上一个台阶。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，通过有限元法分析高墩大跨桥梁模型，计算风载荷、温度变化、行车工况和/或制动工况下，轨道形变是否符合规范要求。

上述控制方法特别是应用于铁路高墩大跨桥梁轨道变形控制方法。

进一步，上述高墩大跨桥梁轨道变形控制方法主要是控制，桥梁所在地区温度变化的情况下，桥梁的形变和轨道的形变，根据相应的情况调整桥梁建设参数和/或轨道铺设的方式方法。

更具体的来说，上述的高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，可以具体采用如下的方式进行实施，简化控制方法的流程。

一种高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，根据高墩大跨桥梁的情况进行控制，包括以下项目：

1)断轨工况：检验计算断轨工况下，断轨位置的断缝长度，无缝线路断缝长度≤70mm。

2)强度检算：

钢轨强度检算公式为：

式中σ_s为考虑了焊接接头质量的钢轨屈服强度；K为安全系数，一般取为1.0-1.3，最好是1.0或1.3，考虑了钢轨疲劳应力、残余应力、焊接接头缺陷因素的影响；σ^底d为轨底边缘动弯应力；σ_t为钢轨最大温度应力；σ^f为钢轨最大附加应力；σz为钢轨牵引/制动应力。

钢轨强度检算钢轨应力≤352MPa。

3)风载荷作用：分析风载荷在沿线路方向、处置线路方向和横向风载荷的影响，确保列车的安全性、平稳性。

4)温度载荷作用：获取桥梁所在地区的年温度极差值，计算桥墩温度变化所引起的线路竖向不平顺，控制长波不平顺不得超出规范要求。

将桥墩纵向温差荷载与梁体温差荷载耦合计算，控制线路不平顺不得超出规范要求。

其中，空心桥墩温差曲线根据以下公式计算：T_x＝T₀e^-βx

当桥墩壁厚≥100cm时，T₀＝10；当桥墩壁厚＝30cm时，T₀可取7；壁厚在30-100cm之间时，采用线性插值；指数β在8左右，优选β＝7-9，最好是β＝7.5-8.5。

5)桥墩沉降：高墩大跨桥梁桥墩均匀沉降≤15mm。

进一步，还包括：(6)对于有砟道轨，在钢轨最大温升达到40℃的环境中，桥梁温跨超过377m时，铺设小阻力扣件；当钢轨最大温升达到50℃以后，桥梁温跨超过328m，铺设伸缩调节器。

进一步，还包括：(7)当连续梁长度超过400m以后，都铺设小阻力扣件。

进一步，还包括：(8)对于无砟轨道，当大于336m以后，铺设小阻力扣件；在钢轨温升超过40℃的环境中，连续梁温度跨度超过328m以后，铺设小阻力扣件；在钢轨最大温升超过50℃的环境中(最大温升超过50℃)，连续梁温度跨度超过192m，小于336m时，仅在主梁上铺设小阻力扣件；但当连续梁温度跨度大于336m以后，设置伸缩调节器。

进一步，还包括：(9)无砟轨道结构中，当连续梁长度达到400m以上时，将连续梁固定支座处的桥墩刚度增加到662kN/cm/线以上。

进一步，还包括：(10)无砟轨道结构中连续梁温度跨度超过232m以后，铺设小阻力扣件。

进一步，所述高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，具体的控制方案还包括以下内容：

对于有砟轨道桥墩刚度要求(控制)如下：

表1全桥常阻力时桥墩的最小刚度单位：kN/cm.单线

表2主桥小阻力时桥墩的最小刚度单位：kN/cm.单线

对于无砟轨道桥墩刚度要求：

表3全桥常阻力时桥墩的最小刚度单位：kN/cm.单线

由表中可以看出，后三种桥型由梁轨快速相对位移确定的桥墩最小刚度太大，实际施工过程中很难做到，配合铺设小阻力扣件。

在主桥铺设小阻力扣件后，桥墩刚度取值如下。

表4主桥小阻力时桥墩的最小刚度单位：kN/cm.单线

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的铁路高顿大跨桥梁轨道的变形控制方法，针对现有的大跨度桥梁轨道变形研究缺少的问题，主动的针对高墩大跨桥上的轨道变形加以研究分析，提出了控制轨道变形的好方法，能够显著的改善轨道的变形问题，提高列车通行安全性、平顺性。

2.本发明的铁路高顿大跨桥梁轨道的变形控制方法，对于可能影响到轨道变形的因素逐一分析，理清了各个影响因素之间的先后主次之分，提高了高墩大跨桥梁的轨道平顺性控制的效率，减少了不必要的研究工作问题。

附图说明：

图1岔河特大桥总布置图。

图2钢轨伸缩附加力。

图3梁轨相对位移。

图4制动工况模型示意图。

图5梁轨相对位移。

图6钢轨纵向位移图(断缝值为48.82mm)(断轨工况)。

图7温度—位移图。

图8幸福源双线特大桥桥梁布置示意图。

图9连续梁支座布置图。

图10铺设常阻力时最小刚度值。

图11主桥铺设小阻力时最小刚度值确定。

图12铺设常阻力时最小刚度值。

图13主桥铺设小阻力时最小刚度值确定。

图14名义温度跨度与伸缩附加力关系。

图15名义温度跨度与桥墩纵向水平刚度关系。

图16名义温度跨度与断缝关系。

图17名义温度跨度与最小刚度值的关系。

图18名义温度跨度与伸缩附加力关系。

图19名义温度跨度与桥墩纵向水平刚度关系。

图20名义温度跨度与断缝关系。

图21名义温度跨度与最小刚度值的关系。

具体实施方式

对于高墩桥梁结构，除要考虑普通桥梁的梁轨相互作用特性外，还需在计算模型中详尽的考虑墩身结构受风场、温度场等影响引起的梁轨相互作用行为。其主要表现有：

1、高墩结构受墩底变形影响、结构自身制约，刚度较小；

2、高墩大跨结构一般位于地形起伏剧烈地段，相邻墩台的刚度差异大；

3、高墩大跨结构位于沟谷之间，受峡谷内风场作用，存在由此引起的墩顶位移；

4、高墩大跨结构墩身较高，受温度场作用，易产生高墩变形引起的墩顶位移。

目前，由于有限元方法的大力发展和成熟应用，在高墩大跨桥线桥墩一体化计算模型中可根据墩身结构和梁体形式，建立精确的桥梁有限元模型，在此模型中就可以对墩身施加纵横向温度梯度、纵横向风荷载及墩身均匀温度场等荷载，研究高墩变形对桥上无缝线路受力变形的影响。此外，还可建立承台结构和群桩基础有限元模型分析墩台基础变形的影响。

高墩大跨梁轨相互作用计算分析仍基于普通桥上无缝线路的线桥墩一体化计算理论，采用有限单元法进行数值求解。梁和钢轨的温度仅为单纯的升温或降温，梁采用日温差；考虑固定支座所在处墩台纵向水平刚度，并按双线进行计算；考虑不同扣件类型及有荷、无荷，不同计算工况下的线路纵向阻力。

伸缩力：由于梁体温差影响伸缩而产生的梁轨间纵向力，一股钢轨的伸缩力用T1表示，并按主力检算。

挠曲力：由于列车垂直荷载作用使梁体挠曲而产生的梁轨间纵向力，一股钢轨挠曲力以T2表示，并按主力检算。

断轨力：由于钢轨折断产生的梁轨间纵向力，一股钢轨的断轨力用T3表示，并按特殊荷载检算。在无缝线路伸缩区不考虑断轨力。

制动力：由于列车制动而产生的梁轨纵向力，一股钢轨的制动力以T4，由于目前缺少列车制动过程中的实测资料，T4可按现行桥涵设计规范办计算。

通常情况，假定桥无缝线路的各项纵向力T1～T4相互不影响，分别单独计算。

当桥上无缝线路坡度较大，需按常规进行制动时，可将挠曲力与常规制动力叠加计算，常规制动力集度可按《牵规》计算而得。

具体的一个实施方式中，分析本发明的铁路高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，根据铁路高墩大跨桥梁的模型计算分析桥梁的伸缩工况、挠曲工况、制动工况、断轨工况下的安全性能是否符合规定。检验铁路的强度、稳定性是否符合要求。

重点考察轨道的温度变化对于桥梁的稳定性的影响。计算钢轨强度对于无缝线路的影响，根据桥梁当地的温度变化极差，计算分析钢轨在极限的温度差下存在的内部应用是否满足钢轨的限制数值。

高墩大跨度轨道的变形控制主要在于对于桥梁的温度差的大小研究，轨道温度升高的大小会严重的影响到桥梁上的轨道的变形量。根据温度的变化极差数值，确定好轨道的变化极差值，选用相应的控制方案。

进一步，当轨道温度变化极差值为30℃时(即温差极值≤30℃)，铺设小阻力扣件。在轨道温度变化极差值为40℃时(即温差极值≥40℃)，铺设小阻力扣件或者伸缩调节器。在轨道温度变化极差值为50℃时(即温差极值≥50℃)，铺设伸缩调节器。当轨道温度变化的极差值到达50℃的时候，应用的轨道要求的最小刚度值要求较高，对于300米的大跨桥梁已经高达800MPa的最小刚度值，所以需要使用伸缩调节器。而轨道温度变化极差值为30℃时，对于700米的大跨桥梁，最小刚度仅仅650MPa远低于温差50℃的情况。

进一步，还包括：计算风载荷对于桥梁的水平刚度影响，分析风载荷下桥梁和轨道的变形情况，判断是否影响行车安全性、平稳性。垂直线路方向风荷载却可以引起线路轨向不平顺问题，尤其是在桥墩横向抗弯刚度较小时，容易造成长波不平顺超限，因此建议高墩大跨桥上无缝线路设计及检算时应该对垂直线路方向的风荷载引起的轨向不平顺进行检算，当计算结果不满足要求时，可以适当增加桥墩的横向抗弯刚度。

进一步，还包括：考察桥墩温度变化引起的线路竖向不平顺是否超过限制，分析桥梁和轨道耦合作用下的温度影响。桥墩温度变化引起的线路竖向不平顺为长波不平顺，而且在桥墩温度达到20℃时容易出现长波不平顺超限现象。

进一步，还包括：考察桥墩沉降对于高墩大跨桥上道轨的影响，分析桥墩的沉降对于线路不平顺的影响。高墩大跨桥梁桥墩的均匀沉降主要是对高墩大跨桥上无缝线路的高低不平顺产生影响，分析沉降的影响可以提高桥墩桥梁的平顺性，减少桥梁长波不平顺超限问题。

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

高墩大跨有砟刚构桥无缝线路研究，

在高山峡谷及大江大河的跨越中，刚构桥是常用的高墩大跨结构形式，下面以长昆线岔河特大桥为例，研究此类桥型的无缝化问题。大桥概况如下：长昆客专岔河特大桥位于位于长昆客专玉屏至昆明段内，全桥位于平坡直线地段，桥跨布置形式为(88+168+88)m连续刚构桥梁+(36+56+36)m连续梁。岔河特大桥总布置图如图1所示。

下表5为岔河特大桥墩台纵向刚度的设计值汇总。

表5岔河特大桥墩台纵向刚度汇总

2、普通无缝线路计算

(1)伸缩工况

依据《铁路无缝线路设计规范》中所述，对于混凝土有砟桥上无缝线路，在计算无缝线路伸缩附加力时对桥梁梁体施加的温度荷载△t＝15℃。其计算结果如下图2及图3所示。

(2)挠曲工况

挠曲工况计算时的设计荷载采用中活载，计算机车及车辆荷载布置在不同位置时的钢轨挠曲附加力的大小。各种挠曲工况计算结果见表6。

表6挠曲附加力计算结果

(3)制动工况

制动工况中仅考虑一线制动，制动中考虑下列两种工况进行计算：

图4制动工况模型示意图。

两种工况中的梁轨快速相对位移结果见图5所示。

从图中看出，两种工况的快速相对位移均未超出规范规定的限值4mm。

(4)断轨工况

断轨位置依据规范设定在伸缩力附加力最大位置处，计算中考虑钢轨降温为39.2℃(均值)，同时考虑桥梁梁体降温15℃。其计算结果见图6所示。

从计算结果可以看出，其断缝值满足规范对无缝线路断缝的要求70mm，因此断缝值满足要求。

(5)强度检算

钢轨强度检算表见下表7。

表7挠曲附加力计算结果

从上面的结果可以看出，钢轨强度的计算的结果在钢轨应力(352MPa)要求范围之内。

(6)稳定性检算

采用统一公式经过迭代计算并取安全系数K＝1.3时，钢轨的最大允许升温为68℃，当采用有限元方法计算时，其计算结果见图7所示。

从图中可以看出，当横向位移达到2mm时，对应的温度为94.7℃(包括将附加伸缩力转化为轨温的部分)，当取1.3的安全系数得到的温度值为72.8℃，可以看出采用统一公式计算得到的结果是偏于安全的。对于该桥上无缝线路也是满足要求的。

3、风荷载作用

(1)沿线路方向的风荷载在桥墩纵向水平刚度较大时，对无缝线路受力影响较小，当桥墩纵向水平刚度较小时，对无缝线路受力影响比大；当同时考虑桥梁温度变化以及纵向风荷载时，其造成的影响小于两者单独作用的作用力之和。对于高墩大跨桥上有砟轨道无缝线路，当桥墩刚度能够满足普通无缝线路检算的要求，则纵向风荷载的影响可以基本不用考虑。

(2)垂直线路方向的风荷载对高墩大跨桥上无缝线路的受力影响较小，其引起的钢轨纵向力不足桥梁温度变化引起的1％，因此不需要考虑垂直线路方向风荷载对无缝线路纵向受力的影响，但是垂直线路方向风荷载却可以引起线路轨向不平顺问题，尤其是在桥墩横向抗弯刚度较小时，容易造成长波不平顺超限，因此建议高墩大跨桥上无缝线路设计及检算时应该对垂直线路方向的风荷载引起的轨向不平顺进行检算，当计算结果不满足要求时，可以适当增加桥墩的横向抗弯刚度，或者进行动力学仿真分析，确定是否会引起列车的安全性、平稳性等的问题。

(3)对于横向风荷载引起的线路横向变形，由于其不平顺波长较大且变形曲线的曲率半径较大，对无缝线路的稳定性影响较小，建议适当放大无缝线路稳定性的安全系数。

4、温度荷载作用

(1)桥墩温度变化引起的线路竖向不平顺为长波不平顺，而且在桥墩温度达到20℃时容易出现长波不平顺超限现象，同时其是否超限还与相邻桥墩的高度差有关，当桥墩温度变化为15℃时，对于本文所选择的跨度桥，当邻墩的高度差超过80m时，其对应的长波不平顺超限。建议对于高墩大跨桥梁在进行检算时，不考虑桥墩整体温度变化对线路受力的影响，但需要对桥墩变形引起的轨向竖向不平顺进行检算，以满足规范对桥上无缝线路验收的需要。

(2)高墩大跨桥梁桥墩纵向温度差对桥上无缝线路纵向受力有一定影响，由于线路阻力的非线性，桥墩纵向温差荷载与梁体温度荷载耦合计算时，钢轨纵向力增加幅度小于单独桥墩纵向温差作用时的结果。考虑梁体温度变化的同时建议高墩大跨桥上无缝线路设计或检算中考虑桥墩纵向温差的影响，并将其与梁体温差耦合进行计算。目前我国铁路相关规范未给出桥墩纵向温度差，德国铁路规范中规定：无缝线路设计时考虑桥墩纵向温度荷载的影响，并且温度差取为5℃；我国《公路斜拉桥设计细则》(JTG/T D65-01-2007)规定了索塔左右侧面温差可采用+/-5℃；本课题提出了西南地区空心桥墩温差曲线的建议值为(本发明全新设计)：T_x＝T₀e^-βx

公式：T_x＝T₀e^-βx

(其中当桥墩壁厚≥100cm时，T₀＝10；当桥墩壁厚＝30cm时，T₀可取7；壁厚在30-100cm之间时，采用线性插值。而指数β在8左右，优选β＝7-9，更优选β＝7.5-8.5。我国地域辽阔，因此建议对不同地域的桥墩进行观测，以得到其分布规律从而确定计算中的温度差的合理取值。

(3)当桥墩横向温度差采用德国规范规定的5℃时，在桥墩刚度满足制动工况检算要求时，可以不需要考虑桥墩横向温差高墩大跨桥上无缝线路的影响，但是当桥墩横向温度差大于10℃时，高墩大跨桥上无缝线路会出现长波不平顺超限。因此对于高墩大跨桥梁首先确定其桥墩横向温差，然后确定是否检算其对桥上无缝线路的影响。

(4)对于高墩大跨桥上无缝线路在梁体温度变化、纵向风荷载以及桥墩纵向温差荷载作用下的钢轨受力等计算结果与不考虑纵向风荷载的计算结果相差不大，因此对于高墩大跨桥上无缝线路的设计及检算建议不考虑纵向风荷载的影响。

(5)对于高墩大跨桥上无缝线路在横风荷载及桥墩横向温差荷载下的耦合计算结果表明，耦合作用下的钢轨横向变形及产生的轨向不平顺大于任何一种荷载单独计算的结果，但是在满足制动工况检算要求时，不需要对其进行检算。

5、桥墩沉降作用

(1)桥墩均匀沉降相对于桥墩非均匀沉降对高墩大跨桥上无缝线路的影响更为不利，因此高墩大跨桥上无缝线路设计及检算时以桥墩均匀沉降为主，可以不需要考虑非均匀沉降的问题。

(2)高墩大跨桥梁桥墩的均匀沉降主要是对高墩大跨桥上无缝线路的高低不平顺产生影响，尤其是在桥墩均匀沉降接近15mm时就会导致高低不平顺(中波及长波)超限，但是考虑到桥墩沉降的特性，建议在高墩大跨桥上无缝线路设计中对桥墩的沉降对线路不平顺的进行检算，但不作为控制条件，需要在运行中加强桥墩沉降及线路不平顺的监测及检测，从而保证线路正常运营。

(3)计算结果表明桥墩纵向偏转可对高墩大跨桥上无缝线路纵向受力有较大影响但是考虑到桥墩的偏转是一个随时间的长时间的变化，在运营过程中，桥墩偏转所产生的钢轨纵向力同伸缩附加力一样会随着列车的通过而逐渐放散，因此实际中钢轨因桥墩偏转所产生的纵向力不可能达到理论所计算最大值。考虑到在与梁体温度变化耦合计算中，桥墩偏转所引起的纵向力较小，因此建议

在高墩大跨桥上无缝线路设计中将桥墩纵向偏转作为特殊荷载进行桥墩及钢轨纵向力检算，检算中应该将其与梁体温度荷载进行耦合计算。

(4)对于高墩大跨桥梁，桥墩横向偏转对桥上无缝线路造成的影响主要是对线路轨向不平顺的影响，在各波长的不平顺中，长波不平顺又最易超限，但是考虑到桥墩基础变形产生的桥墩横向偏转的缓慢性及长期性，以及线路常维修的特点，建议高墩大跨桥上无缝线路设计中对桥墩的横向偏转对线路不平顺的进行检算，但不作为控制条件，需要在运行中加强桥墩偏转及线路不平顺的监测及检测，并及时维修养护，从而保证线路正常运营。

(5)对于桥墩横向偏转，理论与计算均证明了相邻桥墩横向偏转方向不同时引起的变形对高墩大跨桥上无缝线路的较同向偏转的计算结果要大。从对无缝线路稳定性影响的角度考虑，虽然随着桥墩横向偏转角度的增加引起无缝线路的失稳的轨温降低，但是其引起的降温幅非常小，建议在高墩大跨桥上无缝线路稳定性检算时对由于桥墩横向偏转引起的横向变形可以不需要特殊考虑，或者适当放大无缝线路稳定性的安全系数即可。

6、计算结论

通过对岔河特大桥上无缝线路的计算分析，可以得到以下结论：

(1)对于高墩大跨桥上无缝线路不仅需要考虑伸缩、挠曲、制动及断轨工况，还应该考虑由于风载、桥墩的升温、桥墩的纵横向温度梯度荷载及基础的沉降等特殊荷载对桥上无缝线路的影响。

(2)纵向及横向风荷载作用下，虽然线路的强度及稳定受到的影响比较小，但是其对线路的不平顺有影响，尤其是在风荷载比较大时，需要单独检算由于风荷载作用下的轨道不平顺矢度。

(3)温度荷载中，桥墩的纵向温度梯度荷载较大时会大幅度增加无缝线路纵向受力，这不仅对钢轨强度也对线路的稳定性均产生不利的影响，因此必须要在设计中进行考虑。

(4)基础的沉降造成的桥墩纵向偏转会对无缝线路造成较大的影响，但是由沉降造成的横向偏转对钢轨的受力及线路稳定性不会造成过大的影响，但是造成较大轨向不平顺，易导致其超限，设计中应该注意。基础的均匀沉降及不均匀沉降在规范规定的限值内会造成钢轨附加力的增加及线路稳定性的小幅度降低，但是容易造成轨道不平顺超限。

实施例2

幸福源特大桥有砟轨道无缝线路计算。

大桥概况：幸福源双线特大桥梁跨布置为8×32m简支梁+(48+5×80+48)m连续刚构+5×32m简支梁，全桥共20跨19墩2台。从贵阳端至广州端墩台编号依次为1#，2#......21#。全桥位于R9000m的圆曲线上。最高轨温59.5℃，最低轨温-4.2℃，设计锁定轨温为32±5℃，升温时最大温差可达59.5-(32-5)＝32.5℃，降温时最大温差可达32+5-(-4.2)＝42.2℃。墩台高度如表8所示，主桥桥跨布置图如图8所示。

表8墩台高度表

2、风荷载作用

高墩大跨桥梁由于桥墩高，接触面积大，在纵向风荷载作用下墩顶会产生比较大的纵向位移，由于12#与13#桥墩为刚构墩，墩顶位移会直接传递到梁体之上，梁体位移进一步作用在轨道结构上面，钢轨两端由于受到线路纵向的限制，将不能沿着纵向自由移动，从而产生了附加力，这种附加力再反作用于梁体，梁体再将其作用传递到桥墩顶部，引起墩顶受力。

横向风荷载主要引起的是线路稳定性的降低，但是降低值有限，不会成为线路横向失稳的关键因素；纵向风荷载主要引起钢轨附加力的增加，但增加值有限，不会成为线路检算的限制因素；纵横向风荷载会引起墩顶位移较大的增加，在桥梁设计中应该考虑纵横向风荷载的作用。

3、温度荷载作用

(1)桥墩升温对轨道结构的影响比较小，基本不会成为限制轨道设计的影响因素。

(2)在桥梁设计时，应该考虑横向温度梯度对墩顶的位移影响。

(3)在高墩大跨结构中，纵向温度梯度对轨道结构的影响不大，在做轨道结构检算时，纵向温度梯度的作用可以不予考虑。

4、桥墩沉降作用

(1)桥墩的不均匀沉降会一定程度上加剧粱轨相互作用，但是作用值有限，相比于伸缩附加力的作用可以忽略不计；因桥墩沉降引起的轨道竖向不平顺导致钢轨的向下弯曲，向下弯曲程度比较大，但是向下弯曲不会造成轨道竖向失稳，向上鼓曲的位移由于比较小，在正常的温度范围内不会引起轨道的竖向失稳。

(2)当墩底发生横向偏转时，对桥墩墩顶位移的影响比较大，在进行桥梁设计时要严格控制墩底的横向偏转；对桥上无缝线路，由于无缝线路的横向失稳一般是在波长较短的范围内，墩底沉降主要引起的是钢轨横向的长波不平顺，所以对轨道的影响不大。

(3)墩底的纵向偏转会引起较大的钢轨附加力与粱轨相对位移，对轨道的受力与稳定性不利，因严格控制墩底发生的纵向偏转。

5、计算结论

(1)在高墩大跨桥上铺设有砟轨道时，风荷载对轨道的影响不大，横向风荷载基本不会引起钢轨的附加作用力，但是会造成轨道稳定性下降5％；纵向风荷载主要会引起钢轨的额外附加力，但是影响值也不大，相当于伸缩附加力的0.9％，不会成为轨道设计的限制因素。

(2)温度对轨道结构的影响比较大。桥墩整体升温将造成线路竖向的不平顺，加大轮轨相互作用，但是不会明显地影响线路的竖向稳定性，也不会产生较大的钢轨附加力与粱轨相对位移；横向温度梯度不会造成钢轨较大的附加力，但是对线路横向稳定性影响比较大，当桥梁发生15℃横向温度梯度时，轨道的稳定性将降低11.3％；纵向温度梯度较大时会造成钢轨较大的附加力，相当于伸缩附加力的10.6％，线路检算时应该根据桥梁所处地区桥墩温度变形曲线，考虑纵向温度梯度的作用。

(3)当墩底发生沉降时会使钢轨产生一定的附加力，但是附加力值有限，相比于伸缩力的作用，可以忽略不计，墩底下沉不会对线路的竖向稳定性造成明显的影响；墩底的横向偏转会使线路产生长波不平顺，由于线路的失稳主要是在短波范围内，因此，对轨道横向稳定性的影响比较小；墩底纵向偏角会造成钢轨较大的附加作用力，在桥梁设计中要控制墩底的不均匀沉降，尤其要防止墩底发生快速的纵向偏转。

实施例3

5.5连续梁桥墩刚度的研究

5.5.1桥上无缝线路计算轨道计算控制标准

桥上无缝线路的主要计算内容包括钢轨强度、线路稳定性、列车制动工况下的梁轨快速相对位移以及断缝值。

5.5.5.1钢轨强度

钢轨强度检算是无缝线路设计检算的重要工作内容，其目的是确保钢轨截面的最大工作应力必须在钢轨容许应力范围之内。钢轨强度检算公式为：

式中σ_s为考虑了焊接接头质量的钢轨屈服强度；K为安全系数，一般取为1.0或1.3，考虑了钢轨疲劳应力、残余应力、焊接接头缺陷等因素的影响；σ^底d为轨底边缘动弯应力；σ_t为钢轨最大温度应力；σ^f为钢轨最大附加应力；σz为钢轨牵引(制动)应力。

目前我国铁路采用的钢轨钢种主要包括U71Mn(k)、U75V、U71Mn和U76NbRE。经过对相关测试数据进行统计分析，U75V钢轨屈服强度取472MPa，U71Mn(K)和U71Mn钢轨屈服强度取457MPa。随着我国钢轨冶炼及轧制技术的进步，钢轨质量明显提高，根据对钢轨抗拉强度的试验，目前规范规定的钢轨屈服强度均具有较高的安全储备量，而且目前我国钢轨焊接普遍采用闪光焊，焊接接头的质量也有明显提高，采用1.3的安全系数是合适的，计算取[σ]＝352Mp。

5.5.5.2无缝线路稳定性

对于有砟轨道无缝线路稳定性采用规范规定的统一公式进行计算，通过规范规定的统一公式计算的结果为：单根钢轨的允许压力值为1505.1kN。

目前规范规定对于有砟轨道，无缝线路检算其稳定性及强度，因此可以得到表9中有砟轨道钢轨伸缩附加力限值及(伸缩+制动)附加力限值。

表9有砟轨道附加力计算限值

目前规范规定对于无砟轨道，无缝线路不检算其稳定性，因此钢轨的纵向力限值完全由钢轨强度决定，因此可以得到表10中无砟轨道钢轨(伸缩+制动)附加力限值。

表10无砟轨道附加力计算限值

5.5.5.3梁轨快速相对位移

德国和UIC规范明确规定桥上无缝线路设计除了进行钢轨应力计算，还特别强调牵引/制动力作用下粱轨相对位移检算，主要是为了保证道床稳定性避免无缝线路胀轨跑道。粱轨相对位移限值为4mm，主要根据试验确定的，1980年德国的Seraphinm试验中发现，当线路相对于下部结构的位移超过4mm时，在轨排中的道砟床发生松动，横向位移阻力下降。德国规范不进行无缝线路稳定性检算，但是通过控制粱轨相对位移，同时也起到控制桥墩纵向水平线刚度的作用。对于大跨连续桥尤为必要，目前我国规范对于大跨度连续桥梁墩的纵向水平线刚度没有规定，设计中需要粱轨相对位移控制来确定最小水平线刚度。德国规范对于桥上无缝线路的检算不仅考虑钢轨应力是否满足要求，同时强调桥梁以及相对位移和变形的控制，这对于保证有砟轨道无缝线路稳定性和轨道平顺性都是至关重要的，这一设计理念值得学习和借鉴。至于无砟轨道是否需要控制粱轨相对位移，以及相对位移的限值的合理限值都有待进一步研究。

5.5.5.4钢轨断缝

低温下，若钢轨折断断缝值太大，会影响行车安全，应合理确定断缝允许值，确保钢轨折断时，断缝不超过允许值。我国1973年在环形试验基地进行了列车通过断缝的安全试验，断缝最大设置值138mm，列车运行速度最高为185km/h，断缝处顺车轨端的最大弹性挤开量4.6mm，同时根据我国目前桥上无缝线路的设计实践，确定一般铁路允许断缝：一般情况下为70mm，困难条件下取90mm。

5.5.2连续梁桥墩刚度的研究内容

根据温度跨长范围，我国铁路长大混凝土连续桥梁总体分为三类。其中温度跨度在150m以下的桥梁主要包括三跨一联连续梁桥；温度跨度150m～300m，的桥梁主要包括三联一跨和多跨一联连续梁；温度跨度300m以上的桥梁主要为多跨一联连续梁。根据我国主要连续梁桥的使用情况，考虑温度跨度的变化与支座的布置位置，挑选了其中8种桥型作为研究对象。连续梁布置如表11所示：

表11铁路长大连续梁桥分类表

考虑到边界条件对轨道结构的影响，在连续梁两端各设置5跨32m长的简支梁。桥梁支座布置以梁跨为(32+48+32)m为例，如图9所示：

1、有砟轨道桥墩刚度的研究

影响轨道结构形式选型的因素除了强度、稳定性，还有梁轨快速相对位移。通过数据将计算结果汇总于表格中，如表12所示：

表12全桥常阻力时桥墩的最小刚度 单位：kN/cm.单线

由表中可以看出，后三种桥型由梁轨快速相对位移确定的桥墩最小刚度太大，实际施工过程中很难做到，因此建议铺设小阻力扣件。在主桥铺设小阻力扣件后，桥墩刚度取值分别如13所示。

表13主桥小阻力时桥墩的最小刚度 单位：kN/cm.单线

注：上表中“—”表示计算刚度均能满足要求。

将上述数据绘制成图，如图10-11所示：

2、无砟轨道桥墩刚度的研究

无砟轨道相比于有砟轨道稳定性好，扣件阻力大，制动力作用下不存在轨道稳定性下降的问题。根据最新的《铁路无缝线路设计规范》，无砟轨道在伸缩力计算时考虑的梁体升温为30℃，加之无砟轨道线路纵向阻力本身就比有砟轨道的大，因此在伸缩附加力计算中，对无砟轨道强度提出了更高的要求；制动工况计算时荷载形式采用ZK活载。有砟轨道结构钢轨的最大允许压力一般由稳定性控制，无砟轨道结构由于其稳定性很好，一般由强度控制。

通过数据将计算结果汇总于表格中，如表14所示：

表14全桥常阻力时桥墩的最小刚度 单位：kN/cm.单线

由表中可以看出，后几种桥型由梁轨快速相对位移确定的桥墩最小刚度太大，实际施工过程中很难做到，因此建议铺设小阻力扣件。在主桥铺设小阻力扣件后，桥墩刚度取值分别如15所示。

表15主桥小阻力时桥墩的最小刚度 单位：kN/cm.单线

将上述数据绘制成图，如下图所示：图12-图13所示。

3、小结

通过以上分析，可以得出以下结论：

(1)连续梁桥中钢轨伸缩附加力主要与连续梁温度跨度有关，与桥墩刚度关系不大，当固定支座两边连续梁对称布置时，桥墩刚度基本不会影响伸缩附加力的大小；当固定支座两边的连续梁非对称布置时，随着连续梁固定支座处桥墩刚度的增加，钢轨伸缩附加力随之增大，选取80+128+80m的连续梁为例，桥墩刚度从300kN/cm/线增加到2000kN/cm/线，有砟轨道结构中钢轨的伸缩附加力增加了11.8％，无砟轨道结构中增加了11.5％，可以看出，连续梁非对称布置会一定程度上影响钢轨的伸缩附加力分布，从这个方面讲，桥墩刚度越小越好。

(2)当桥上铺设有砟轨道时，在钢轨最大温升小于等于30℃的环境中，在我国现有的连续梁桥上铺设常阻力扣件均能满足线路强度与稳定性的检算要求；在钢轨最大温升达到40℃的环境中，桥梁温跨超过377m时，要考虑铺设小阻力扣件；当钢轨最大温升达到50℃以后，桥梁温跨超过328m，即需要考虑铺设小阻力扣件或伸缩调节器。

(3)制动力作用下，连续梁固定支座处桥墩刚度对梁轨快速相对位移影响很大，此时通过增加此处的桥墩刚度能够显著减小梁轨快速相对位移，但是当连续梁长度超过400m以后，通过此方法用于减小梁轨快速相对位移并不明显，此时如果满足梁轨快速相对位移不超过4mm的限值，需要将桥墩刚度增大到1300kN/cm/线，从实际施工可行性方面来看，很难实现，因此可以考虑在连续梁长度超过400m以后的桥梁上，不管环境温度为多少，都考虑铺设小阻力扣件。

(4)当桥上铺设无砟轨道时，在钢轨最大温升小于30℃的环境中，当连续梁温度跨度小于336m左右时，全桥铺设常阻力扣件能够满足设计要求，当大于336m以后将无法满足设计要求，此时需要考虑铺设小阻力扣件；在钢轨温升超过40℃的环境中，连续梁温度跨度超过328m以后，需要考虑铺设小阻力扣件；在钢轨最大温升超过50℃的环境中，连续梁温度跨度小于192m时尚可铺设常阻力扣件，当超过192m，小于336m时，仅在主梁上铺设小阻力扣件可以满足轨道检算的要求，但当连续梁温度跨度大于336m以后，主桥小阻力扣件已经无法满足设计要求，需要设置伸缩调节器。

(5)无砟轨道结构中，连续梁长度小于160m时，认为不存在梁轨快速相对位移超限的现象；当连续梁长度达到400m以上时，只需要将连续梁固定支座处的桥墩刚度增加到662kN/cm/线以上，就可以解决梁轨快速相对位移超限的问题。

(6)伸缩力作用下，墩顶位移最大值一般发生在与连续梁相邻的简支梁固定支座处的桥墩。有砟轨道结构中伸缩力的作用一般不会导致墩顶位移的超限；无砟轨道结构中连续梁温度跨度超过232m以后，伸缩力的作用将导致相邻简支梁桥墩刚度超过限值，需要铺设小阻力扣件。制动力作用下墩顶位移最大值一般出现在连续梁固定支座处的桥墩，但是均没有超过规范限值。

(7)制动力作用下的梁轨快速相对位移受桥墩刚度的影响很大，降低与连续梁相邻的简支梁桥墩刚度，对于减小梁轨快速相对位移作用很大，同时增加连续梁固定支座处的桥墩刚度也有利于减小梁轨快速相对位移。

5.6连续刚构桥上无缝线路桥梁墩台纵向水平刚度研究

1、连续刚构桥概述

连续刚构桥综合了连续梁和T型刚构桥的受力特点，将主梁做成连续梁体与薄壁桥墩固结，其梁部结构的受力性能如同连续梁一样；随着墩高的增加，薄壁桥墩对上部梁体的嵌固作用愈来愈小，逐步蜕化为柔性墩的作用。在跨径大而墩高度小的连续刚构桥中，由于体系温度的变化，混凝土收缩等将在墩顶产生较大的水平位移，为减少水平位移在墩中产生的弯矩，连续刚构桥常采用水平抗推刚度较小的双薄壁墩。连续刚构保持了连续梁的多种优点，结构刚度大，变形小，动力性能好，主梁变形挠曲线平缓，有利于高速行车等；墩梁固接节省了大型支座的昂贵费用，减少了墩及基础的工程量；改善了结构在水平荷载(例如地震荷载)作用下的受力性能。

连续刚构桥上铺设桥上无缝线路时，钢轨伸缩力、挠曲力、制动力、钢轨断缝均要小于相同梁跨的连续梁桥，因而在我国高速铁路建设中得到了普遍应用。

在计算刚构桥上无缝线路相关内容时需要用到刚构墩的纵向水平刚度值，该值是将刚构墩简化为固定支座对应桥墩的刚度，实际上这种方法对于桥上无缝线路的计算有一定的误差的，因为该方法在一定程度上忽略了刚构墩与桥梁的联合抗弯作用，但是简化后的刚构计算比较简单，并且可以形成比较通用的计算程序。经计算，可以看出当刚构墩简化为固定支座对应的桥墩时，其刚度约为相同尺寸的连续梁桥墩纵向水平刚度的4倍。

在实际中，刚构桥一般均以对称的方式布置，这样不仅可以降低施工的难度，而且对桥梁、线路受力均有利，本文主要针对桥梁对称布置的连续刚构桥进行计算分析，其桥跨选择如表16所示，为了便于研究规律，某些桥跨布置选择参照公路桥进行。表中最后两种跨度不对称的刚构桥，虽也列在其中，但是仅分析受力规律等，不进行刚度选择计算。

表16主要计算的连续刚构桥梁跨度

连续刚构桥的温度跨度是指刚构桥两端的伸缩量与桥梁温度变化量、桥梁材料的膨胀系数的积之比，由定义可以看出，刚构桥梁的温度跨度不仅随着桥梁温度的变化量有关，还与刚构墩的刚度有关，因此给定一座特定跨度的钢轨桥梁，只有在刚构墩的刚度确定时才能唯一确定刚构桥的温度跨度，因此上表中的温度跨度范围值并非准确的温度跨度值，而是为了方便，采用主跨的一半与边跨总长作为名义的温度跨度值(可以认为是刚构墩刚度接近于零时的数值)。

2、有砟轨道连续刚构桥桥墩墩纵向水平刚度确定

(1)稳定性确定的限值

钢轨伸缩附加力随着桥墩纵向水平刚度的增大而降低，但是改变量不大，因此本节主要考虑不利条件下的伸缩附加力限值可以得到钢轨伸缩附加力随名义温度跨的变化，结果如图14所示。

仅考虑伸缩附加力不超限的条件下，从图14(a)可见：当轨温变化幅度为50℃时，刚构桥的名义温度跨度小于220m时，桥上铺设常阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；当名义温度跨度大于220m小于290m时，需要铺设小阻力扣件才能满足要求；当名义温度跨度大于290m时，就需要考虑铺设钢轨伸缩调节器。

从图14(b)可见：当轨温变化幅度为40℃时，刚构桥的名义温度跨度小于330m时，桥上铺设常阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；刚构桥的名义温度跨度大于330m小于450m时，桥上铺设小阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；当名义温度跨度大于450m时，就需要考虑铺设钢轨伸缩调节器。

从图14(c)可见：当轨温变化幅度为30℃时，刚构桥的名义温度跨度小于450m时，桥上铺设常阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；刚构桥的名义温度跨度大于450m小于610m时，桥上铺设小阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；当名义温度跨度大于610m时，就需要考虑铺设钢轨伸缩调节器。

(2)梁轨相对位移确定的限值

在梁轨快速相对位移控制条件下，桥墩纵向水平刚度的最小取值主要与刚构桥整联长度相关，当整联长度小于列车制动荷载的长度—400m时，随着整联长度的增加桥墩最小水平刚度逐渐增加，当刚构桥整联长度大于列车制动荷载的长度时，桥墩最小纵向水平刚度几乎不变。

当桥上铺设小阻力扣件时，规范未对制动工况做出任何规定的限制，结合上图中的计算结果，可以得到不同轨温变化幅度条件下桥墩纵向水平刚度最小值，如图15所示。

(3)断缝值确定的限值

计算不同温度跨度、不同铺设扣件工况的断缝计算结果，如图16所示。

从图16计算结果看见：仅当轨温变化幅度为50℃并且全桥铺设小阻力扣件条件下时，钢轨断缝值才会超出规范规定的限值，其他条件下钢轨断缝值均未超出规范规定的限值。

(4)刚构桥纵向水平刚度的确定及处理措施

基于伸缩工况、列车制动工况以及断轨工况计算的结果，可以得到不同轨温变化幅度、不同名义温度跨度条件下的桥墩纵向水平刚度最小值或者为满足铺设桥上无缝线路需要采取的措施等，从经济、美观等角度考虑，桥梁的最小纵向水平刚度限值取为2500kN/双线，以此确定出桥梁的临界名义温度跨度，如图17所示。

3、无砟轨道连续刚构桥桥墩纵向水平刚度确定

(1)(伸缩+制动)附加力限值

同有砟轨道考虑的一样，考虑不利条件下的伸缩附加力限值可以得到钢轨伸缩附加力随名义温度跨的变化，结果如图18所示

仅考虑伸缩附加力不超限的条件下，从图18(a)可见：当轨温变化幅度为50℃时，刚构桥的名义温度跨度小于100m时，桥上铺设常阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；当名义温度跨度大于100m小于224m时，需要铺设小阻力扣件才能满足要求；当名义温度跨度大于224m时就需要考虑铺设钢轨伸缩调节器。

从图18(b)可见：当轨温变化幅度为40℃时，刚构桥的名义温度跨度小于150m时，桥上铺设常阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；当名义温度跨度大于150m小于328m时，需要铺设小阻力扣件才能满足要求；当名义温度跨度大于328m时就需要考虑铺设钢轨伸缩调节器。

从图18(c)可见：当轨温变化幅度为30℃时，刚构桥的名义温度跨度小于204m时，桥上铺设常阻力扣件即可满足伸缩附加力的要求；当名义温度跨度大于204m小于440m时，需要铺设小阻力扣件才能满足要求；当名义温度跨度大于440m时就需要考虑铺设钢轨伸缩调节器。

(2)梁轨相对位移限值

虽然我国规范未考虑无砟轨道列车制动工况下梁轨相对位移的限值，但是参考UICg规范：为保证扣件的稳定性，限制梁轨相对位移不能超过4mm。由于无砟轨道的常阻力扣件的纵向阻力大于有砟轨道道床的纵向阻力，因此无砟轨道的梁轨相对位移较小，但是其变化趋势同有砟轨道，并考虑伸缩附加力计算的结果可得图19。

从图19中看出，当无砟轨道刚构桥跨度较小时，其桥墩纵向水平刚度小于50kN/m时仍能满足铺设无缝线路的要求，因此图中该部分名义温度跨度对应的桥墩纵向水平刚度采用“非无缝线路因素控制刚度”的说明表示。

(3)断缝限值

基于附加伸缩工况得到的结果，计算不同温度跨度、不同铺设扣件工况的断缝计算结果，如图20所示。

(4)刚构桥纵向水平刚度的确定及处理措施

基于附加伸缩工况、列车制动工况以及断轨工况计算的结果，可以得到不同轨温变化幅度、不同名义温度跨度条件下的桥墩纵向水平刚度最小值或者为满足铺设桥上无缝线路需要采取的措施等，从经济、美观等角度考虑，桥梁的最小纵向水平刚度限值取为2500kN/双线，以此确定出桥梁的临界名义温度跨度，如图21所示。

4、小结

通过对上面不同跨度的刚构桥进行桥墩刚度确定计算、刚构桥桥墩纵向水平位移限值分析等内容，可以得到如下结果：

1.对于有砟轨道，名义温度跨度不超过180m的刚构桥梁，其桥墩刚度主要由列车制动荷载条件下的梁轨快速相对位移不超限控制；温度跨度超过180m的刚构桥在轨温变化幅度较低时，桥墩刚度仍然是由梁轨快速相对位移控制；对于温度跨度超过180m并且轨温变化幅度较大的刚构桥，需要采用铺设伸缩调节器或者铺设小阻力扣件进行钢轨纵向力的放散。

2.基于伸缩工况、列车制动工况以及断轨工况计算的结果，可以得到不同轨温变化幅度、不同名义温度跨度条件下的桥墩纵向水平刚度最小值或者为满足铺设桥上无缝线路需要采取的措施等，从经济、美观等角度考虑，桥梁的最小纵向水平刚度限值取为2500kN/双线，以此确定出桥梁的临界名义温度跨度及当桥跨较大时为铺设桥上无缝线路采取的措施。

3.对于有砟轨道不同跨度对应的桥墩最小水平刚度以及当桥跨较大时为铺设桥上无缝线路采取的措施见图17所示。

4.对于无砟轨道，名义温度跨度不超过110m的刚构桥梁在轨温变化幅度较大时就需要采用小阻力扣件或者伸缩调节器降低梁轨相互作用；由于无砟轨道断缝允许值较大所以在选择小阻力方案时断缝值也没有超限，因此相对有砟轨道可以减少伸缩调节器的使用。

4.对于无砟轨道不同跨度对应的桥墩最小水平刚度以及当桥跨较大时为铺设桥上无缝线路采取的措施见图21所示。

5.7结论与建议

1、结论

结合典型工点，通过本报告多种工况计算分析，主要得出以下结论：

(1)对于高墩大跨桥上无缝线路的设计及检算不能仅考虑伸缩工况、挠曲工况、制动工况及断轨工况等确定的桥上无缝线路检算原则，同时需要考虑不同与普通桥上无缝线路的却又对高墩大跨桥上无缝线路影响较大的一些特殊荷载，如风荷载、桥墩的温度变化及桥墩基础沉降等特殊荷载的作用；为了完善高墩大跨桥上无缝线路的设计及检算，不能仅仅检算桥上无缝线路的稳定性及强度还需要考虑桥上无线路在特殊荷载作用下造成的不平顺值是否超过规范规定的限值。

(2)沿线路方向的风荷在桥墩纵向水平刚度较大时，对无缝线路受力影响较小，当桥墩纵向水平刚度较小时，对无缝线路受力影响较大；当同时考虑桥梁温度变化以及纵向风荷载时，其造成的影响小于两者单独作用的作用力之和。建议在无缝线路设计及检算时宜将风荷载考虑为主力，并与桥梁温度变化荷载进行线性叠加用于计算无缝线路的强度及稳定性等。对于高墩大跨桥上无砟轨道无缝线路，当桥墩刚度能够满足普通无缝线路检算的要求，则在对其进行检算时无需考虑纵向风荷载的作用。

(3)垂直线路方向的风荷载对高墩大跨桥上无缝线路的受力影响较小，其引起的钢轨纵向力不足桥梁温度变化引起的1％，因此不需要考虑垂直线路方向风荷载对无缝线路纵向受力的影响，但是垂直线路方向风荷载却可以引起线路轨向不平顺问题，尤其是在桥墩横向抗弯刚度较小时，容易造成长波不平顺超限，因此建议高墩大跨桥上无缝线路设计及检算时应该对垂直线路方向的风荷载引起的轨向不平顺进行检算，当计算结果不满足要求时，可以适当增加桥墩的横向抗弯刚度，或者进行动力学仿真分析，确定是否会引起列车的安全性、平稳性等的问题。

(4)桥墩温度变化引起的线路竖向不平顺为长波不平顺，而且在桥墩温度达到20℃时容易出现长波不平顺超限现象，同时其是否超限还与相邻桥墩的高度差有关，当桥墩温度变化为15℃时，对于本文所选择的跨度桥，当邻墩的高度差超过80m时，其对应的长波不平顺超限。建议对于高墩大跨桥梁在进行检算时，不考虑桥墩整体温度变化对线路受力的影响，但需要对桥墩变形引起的轨向竖向不平顺进行检算，以满足规范对桥上无缝线路验收的需要。

(5)高墩大跨桥梁桥墩纵向温度差对桥上无缝线路纵向受力影响较大，由于线路阻力的非线性，桥墩纵向温差荷载与梁体温度荷载耦合计算时，钢轨纵向力增加幅度小于单独桥墩纵向温差作用时的结果。考虑梁体温度变化的同时建议高墩大跨桥上无缝线路设计或检算中考虑桥墩纵向温差的影响，并将其与梁体温差耦合进行计算。目前我国无缝线路设计规范中为考虑纵向温度差，仅德国无缝线路设计规范中规定：无缝线路设计时考虑桥墩纵向温度荷载的影响，并且温度差取为5℃。但是我国地域辽阔，直接采用德国规范的限值不一定适用，因此建议对不同地域的桥墩进行观测，以得到其分布规律从而确定计算中的温度差的合理取值。

(6)当桥墩横向温度差采用德国规范规定的5℃时，在桥墩刚度满足制动工况检算要求时，可以不需要考虑桥墩横向温差高墩大跨桥上无缝线路的影响，但是当桥墩横向温度差大于10℃时，高墩大跨桥上无缝线路会出现长波不平顺超限。因此对于高墩大跨桥梁首先确定其桥墩横向温差，然后确定是否检算其对桥上无缝线路的影响。

(7)对于高墩大跨桥上无缝线路在梁体温度变化、纵向风荷载以及桥墩纵向温差荷载作用下的钢轨受力等计算结果与不考虑纵向风荷载的计算结果相差不大，因此对于高墩大跨桥上无缝线路的设计及检算建议不考虑纵向风荷载引起的轨道结构受力，但是对于桥墩受力则不能忽略。

(8)对于高墩大跨桥上无缝线路在横风荷载及桥墩横向温差荷载下的耦合计算结果表明，耦合作用下的钢轨横向变形及产生的轨向不平顺大于任何一种荷载单独计算的结果，但是在满足制动工况检算要求时，不需要对其进行受力检算。

(9)桥墩均匀沉降相对于桥墩非均匀沉降对高墩大跨桥上无缝线路的影响更为不利，因此高墩大跨桥上无缝线路设计及检算时以桥墩均匀沉降为主，可以不需要考虑非均匀沉降的问题。

(10)高墩大跨桥梁桥墩的均匀沉降主要是对高墩大跨桥上无缝线路的高低不平顺产生影响，尤其是在桥墩均匀沉降接近15mm时就会导致高低不平顺(中波及长波)超限，但是考虑到桥墩沉降的特性，建议在高墩大跨桥上无缝线路设计中对桥墩的沉降对线路不平顺的进行检算，但不作为控制条件，需要在运行中加强桥墩沉降及线路不平顺的监测及检测，从而保证线路正常运营。

(11)桥墩纵向偏转可对高墩大跨桥上无缝线路纵向受力有较大影响但是考虑到桥墩的偏转是一种长期的变化，在运营过程中，桥墩偏转所产生的钢轨纵向力同伸缩附加力一样会随着列车的通过而逐渐放散，因此实际中钢轨因桥墩偏转所产生的纵向力不可能达到理论所计算最大值。考虑到在与梁体温度变化耦合计算中，桥墩偏转所引起的纵向力较小，因此建议在高墩大跨桥上无缝线路设计中将桥墩纵向偏转作为特殊荷载进行桥墩及钢轨纵向力检算，检算中应该将其与梁体温度荷载进行耦合计算。

(12)对于高墩大跨桥梁，桥墩横向偏转对桥上无缝线路造成的影响主要是对线路轨向不平顺的影响，在各波长的不平顺中，长波不平顺又最易超限，但是考虑到桥墩基础变形产生的桥墩横向偏转的缓慢性及长期性，以及线路常维修的特点，建议高墩大跨桥上无缝线路设计中对桥墩的横向偏转对线路不平顺的进行检算，但不作为控制条件，需要在运行中加强桥墩偏转及线路不平顺的监测及检测，并及时维修养护，从而保证线路正常运营。

(13)横向风荷载、桥墩横向温差及桥墩横向偏转造成的钢轨不平顺波长较大且变形曲线的曲率半径较大，对无缝线路的稳定性影响较小，建议在检算时适当放大无缝线路稳定性的安全系数。

(14)对于连续梁桥及刚构桥上铺设有砟轨道无缝线路时，无论是铺设常阻力还是主桥铺设小阻力扣件，在轨温变化幅度一定时，随着温度跨度(刚构桥指名义温度跨度)的增加，桥墩对应的最小刚度的值增加，当跨度较小时，其主要控制作用梁轨快速相对位移，当跨度较大时主要控制因素就为钢轨的强度；对于无砟轨道完全由钢轨强度控制桥墩的最小刚度，但是由于无砟轨道线路阻力较大，因此同等跨度时对应的桥墩刚度较大，其需要主桥铺设小阻力时的跨度相对有砟轨道要低。

(15)对于常用跨度的连续梁桥及刚构桥，采用稳定性(有砟轨道无缝线路)、钢轨强度、梁轨快速相对位移(对于常阻力有砟轨道无缝新路)、断缝等指标，确定出全桥常阻力以及主桥小阻力条件下的最小桥墩纵向水平刚度限值，具体计算结果见报告章节内容。

(16)制动力作用下的梁轨快速相对位移受桥墩刚度的影响很大，降低与连续梁相邻的简支梁桥墩刚度，对于减小梁轨快速相对位移作用很大，同时增加连续梁固定支座处的桥墩也有利于减小梁轨快速相对位移。

(17)刚构桥全桥制动时，刚构桥桥墩纵向水平刚度存在一个范围，在该范围内，梁轨相对位移随着刚构桥两端简支梁桥桥墩纵向水平刚度的增加先降低再增加；小于该范围时，梁轨相对位移随着简支梁桥桥墩刚度的增加而增加；而大于该范围时梁轨相对位移的变化规律与小于该范围时的规律相反；且该刚度范围随着刚构桥总长度的增加而增大；

(18)工程上可以通过增加刚构桥桥墩纵向水平刚度或选择合理的刚构桥与相邻跨简支梁桥桥墩纵向水平刚度匹配关系，达到降低梁轨相对位移的目的。同时，当刚构桥桥墩刚度过大时，如果采用降低简支梁桥桥墩纵向水平刚度的方法，不仅可以降低梁轨相对位移，还可以降低附加伸缩力。

2、建议

(1)在高墩大跨桥梁中，横向风荷载会引起线路横向稳定性一定程度的降低，在有砟轨道线路稳定性检算中，因考虑到横向风荷载的影响，鉴于横向风荷载的影响不大，可以通过增大安全系数，忽略横向风荷载的作用。

(2)桥墩的横向温度梯度对轨道横向稳定性的影响较大，在轨道稳定性检算中应该考虑横向温度梯度对稳定性的降低值。应该结合现场条件合理确定桥墩两侧的温度差，通过确定的温度差计算对线路的影响。

(3)桥墩的纵向温度梯度会使钢轨产生较大的附加力，在轨道结构检算中，应考虑纵向温度梯度的作用。

(4)高墩桥梁中，由于高墩基础变形均是在长时间内缓慢产生，而桥上无缝线路附加力在运营中不断的产生、放散，因此，高墩桥上无缝线路设计可不考虑基础变形影响。

(5)连续梁桥中，固定支座处的桥墩刚度对粱轨快速相对位移的影响较大，桥上铺设有砟轨道时，要考虑粱轨快速相对位移不超限的前提下，合理设计连续梁固定支座处的桥墩刚度。

(6)减小连续梁两端相邻简支梁桥墩刚度，能够降低粱轨快速相对位移，可以通过这种方法解决粱轨快速相对位移超限的问题。

(7)刚构桥梁中，两个刚构墩的刚度差会增大钢轨伸缩附加力，桥墩设计时建议刚构墩的刚度差不宜相差太大。与刚构梁相邻简支梁桥墩刚度减小有利于降低粱轨快速相对位移，可以通过此方法解决粱轨快速相对位移超限的问题。

Claims (8)

1.一种高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，通过有限元法分析高墩大跨桥梁模型，计算风载荷、温度变化、行车工况和/或制动工况下，轨道形变是否符合规范要求。

2.根据权利要求1所述高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，其特征在于，主要是控制，桥梁所在地区温度变化的情况下，桥梁的形变和轨道的形变，根据相应的情况调整桥梁建设参数和/或轨道铺设的方式方法。

3.一种高墩大跨桥梁轨道变形控制方法，根据高墩大跨桥梁的情况进行控制，包括以下项目：

1)断轨工况：检验计算断轨工况下，断轨位置的断缝长度，无缝线路断缝长度≤70mm；

2)强度检算：

钢轨强度检算公式为：

式中σ_s为考虑了焊接接头质量的钢轨屈服强度；K为安全系数，一般取为1.0-1.3，考虑了钢轨疲劳应力、残余应力、焊接接头缺陷因素的影响；σ_底d为轨底边缘动弯应力；σ_t为钢轨最大温度应力；σ_f为钢轨最大附加应力；σz为钢轨牵引/制动应力；钢轨强度检算钢轨应力≤352MPa；

3)风载荷作用：分析风载荷在沿线路方向、处置线路方向和横向风载荷的影响，确保列车的安全性、平稳性；

4)温度载荷作用：获取桥梁所在地区的年温度极差值，计算桥墩温度变化所引起的线路竖向不平顺，控制长波不平顺不得超出规范要求；

将桥墩纵向温差荷载与梁体温差荷载耦合计算，控制线路不平顺不得超出规范要求；

其中，空心桥墩温差曲线根据以下公式计算：T_x＝T₀e^-βx

当桥墩壁厚≥100cm时，T₀＝10；当桥墩壁厚＝30cm时，T₀可取7；壁厚在30-100cm之间时，采用线性插值；指数β在8左右；

5)桥墩沉降：高墩大跨桥梁桥墩均匀沉降≤15mm。

4.如权利要求3所述轨道变形控制方法，其特征在于，还包括：6)对于有砟道轨，在钢轨最大温升达到40℃的环境中，桥梁温跨超过377m时，铺设小阻力扣件；当钢轨最大温升达到50℃以后，桥梁温跨超过328m，铺设伸缩调节器。

5.如权利要求3所述轨道变形控制方法，其特征在于，还包括：(7)当连续梁长度超过400m以后，都铺设小阻力扣件。

6.如权利要求3所述轨道变形控制方法，其特征在于，还包括：(8)对于无砟轨道，当大于336m以后，铺设小阻力扣件；在钢轨温升超过40℃的环境中，连续梁温度跨度超过328m以后，铺设小阻力扣件；在钢轨最大温升超过50℃的环境中，连续梁温度跨度超过192m，小于336m时，仅在主梁上铺设小阻力扣件；但当连续梁温度跨度大于336m以后，设置伸缩调节器。

7.如权利要求3所述轨道变形控制方法，其特征在于，还包括：(9)无砟轨道结构中，当连续梁长度达到400m以上时，将连续梁固定支座处的桥墩刚度增加到662kN/cm/线以上。

8.如权利要求3所述轨道变形控制方法，其特征在于，还包括：(10)无砟轨道结构中连续梁温度跨度超过232m以后，铺设小阻力扣件。