CN107330190B - 高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高墩大跨混凝土桥梁技术领域，特别涉及一种高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁，该纵向刚度控制方法包括：a)建立线桥墩一体化计算模型；b)检算在不同工况条件下轨道的强度和稳定性；c)对连续刚构桥施加不同荷载，并检算载荷对无缝线路受力变形的影响情况；d)对梁轨作用力及相互位移进行分析；e)确定桥梁固定墩的纵向刚度限值及轨道处理措施，从而确定了梁形布置及固定墩的刚度。解决了现有技术中难以控制高墩大跨连续刚构桥纵向刚度的问题，填补了高墩大跨混凝土连续刚构桥在纵向刚度控制领域的空白，为桥梁设计和建造提供了参考和依据，从而降低了设计周期和成本。

Description

高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁

技术领域

本发明涉及高墩大跨混凝土桥梁技术领域，特别涉及一种高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁。

背景技术

《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)规定了位于有砟轨道无缝线路固定区的混凝土简支梁的墩台顶部纵向水平线刚度限值，该规范针仅仅对常用跨度简支梁进行了规定。桥墩纵向线刚度主要需要考虑无缝线路轨道稳定及强度的要求，不采取特殊措施的条件下，无缝线路轨道稳定和强度等指标是控制桥墩纵向线刚度的主要因素。

对于桥墩墩台，铁路桥涵基本规范只规定了墩台顺桥方向的弹性水平位移应满足桥梁跨度平方根的5倍的限值要求，并未做其他特殊规定。而高墩大跨桥梁的桥墩刚度、结构形式与基本规范的规定有显著不同，所以，该规定并不适应高墩大跨桥梁。而且，在桥梁实际建造过程中，桥墩线刚度的要求比墩台顺桥方向的弹性水平位移更严格，因此，如何控制桥墩线刚度成为建造桥梁过程中的关键因素。

本发明中所指的高墩大跨混凝土连续刚构桥是指桥墩高度50m以上，跨度100m以上的混凝土连续刚构桥。由于高墩大跨桥梁具有墩高较高、跨度(温度跨度)较大的特点，并且，高墩大跨桥梁结构间构造差异存在较大的悬殊性，桥址地段的自然环境条件也存在复杂、多变的特性，在高墩大跨刚构梁上铺设无缝线路后，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也比较复杂，因此，必须对桥梁桥墩的纵向刚度进行控制，使其满足使用要求。

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，现有技术中，并没有相关方法及规范要求对高墩大跨混凝土桥梁的刚构墩纵向刚度限值进行规定，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不为所知，高墩大跨桥桥上无缝线路的设计存在较大难度，而且，连续刚构桥梁与连续梁体系不同，两个桥墩与梁体固结，形成框架体系，与连续梁墩梁分离的体系显著不同，因此，如何控制纵向刚度成为高墩大跨混凝土连续刚构桥建设过程中的重要因素。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中难以对高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度进行有效控制及确定限值范围，导致在建造高墩大跨混凝土连续刚构桥时，存在桥梁纵向刚度难以满足车桥耦合动力特性的要求，以及桥上无缝线路轨道稳定及强度要求的问题，提供一种高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁，该纵向刚度控制方法通过建立模型，并对桥梁施加模拟载荷，通过对梁轨作用力及无缝线路受力变形规律的分析，得到桥梁固定墩的纵向刚度限值，从而进一步确定梁形布置及固定墩的刚度，解决了现有技术中难以控制高墩大跨连续刚构桥纵向刚度的问题，填补了高墩大跨混凝土连续刚构桥在纵向刚度控制领域的空白。同时，该高墩大跨混凝土连续刚构桥提供了不同跨度下的梁形布置形式、最小线刚度和轨道处理措施，建立了高墩大跨混凝土连续刚构桥纵向线刚度限值的规范标准，为桥梁设计和建造提供了参考和依据，从而降低了设计成本，并使实际建造的桥梁满足其特定的使用环境。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法，包括以下步骤：

a、建立线桥墩一体化计算模型，并将刚构墩简化为固定支座对应独立桥墩的方式；

b、检算在不同工况条件下轨道的强度和稳定性；

c、施加载荷，对连续刚构桥施加不同荷载，并检算各载荷对无缝线路受力变形的的影响情况，所述载荷包括风载荷、温度载荷和基础沉降产生的载荷；

d、确定刚度限值，采用有限单元法分析梁轨相互作用力及相互位移，进行数值求解，确定固定墩纵向刚度限值；

e、确定梁形布置类型及轨道处理措施，根据连续刚构桥的跨度得到其名义温度跨度，并根据该名义温度跨度和轨温变化幅度，确定梁形布置类型，并确定固定墩纵向刚度限值及轨道处理措施。

步骤a中的线桥墩一体化计算模型中的钢轨为多根钢轨，且连续刚构桥为桥梁对称布置。

由于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，而且连续刚构桥的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，同时，连续刚构桥能改善其结构在水平荷载(例如地震荷载)作用下的受力性能。虽然连续刚构桥具有这些良好的使用性能，但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，而刚构墩的纵向刚度值使难以控制和计算的，本方案通过将刚构墩简化为固定支座对应桥墩的方式，使简化后的刚构桥刚度控制和计算比较简单，并且能形成比较通用的计算程序。

目前，由于有限元方法的大力发展和成熟应用，在高墩大跨桥计算模型中根据墩身结构和梁体形式，建立精确的桥梁有限元模型，应用有限元模型进行模拟分析、测试，得到相关计算数据及影响规律，从而为桥梁的纵向刚度控制提供可靠的分析、计算基础。

通过建立线桥墩一体化计算模型，并对桥梁模拟施加多种载荷，通过对梁轨作用力及无缝线路受力变形规律的分析，得到桥梁固定墩的纵向刚度限值，从而进一步确定梁形布置方式及固定墩的刚度，解决了现有技术中难以控制高墩大跨连续刚构桥纵向刚度的问题，填补了高墩大跨混凝土连续刚构桥在纵向刚度控制领域的空白。该方法使高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度得到有效控制，使修建的桥梁在实际运用时，不仅满足高速铁路设计规范对桥梁结构的纵横向控制标准，而且还保证桥梁满足车桥耦合动力特性的要求，以及桥上无缝线路轨道稳定及强度的要求，为桥梁的设计及建造提供依据和参考。

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，因此根据连续刚构桥的跨度得到的温度跨度范围值并非准确的温度跨度值，而是为了计算方便，采用名义温度跨度，该名义温度跨度值为主跨的一半与边跨总长(可以认为是刚构墩刚度接近于零时的数)。

高墩大跨混凝土连续刚构桥包括有砟轨道和无砟轨道两种，分别在有砟轨道、无砟轨道的前提下，基于多种工况条件计算的结果，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及为满足铺设桥上无缝线路需要采取的措施等。

优选的，所述步骤b中，多种工况条件包括伸缩工况、制动工况、扭曲工况和断轨工况。基于伸缩工况、扭曲工况、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，以及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，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。

优选的，所述步骤c中，具体包括以下步骤：

c1、检算在风载荷作用下的轨道不平顺矢度；

c2、检算桥墩的纵向温度梯度载荷对无缝线路纵向受力情况；

c3、检算由基础沉降造成的桥墩纵向偏转对线路平顺性的影响情况。

所述c1～c3各步骤无特定次序要求。

风载荷包括纵向风载荷和横向风载荷，在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，在风荷载比较大时，特别需要单独检算由于风荷载作用下的轨道不平顺矢度。

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，这不仅对钢轨强度产生影响，而且也对线路的稳定性均产生不利的影响，因此必须进行考虑和检算。

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，使得轨向不平顺，易导致线路平顺性超限，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。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。

优选的，所述步骤d后增加步骤d′：改变连续刚构桥的结构，提高其纵向刚度。桥墩的纵向刚度，虽然主要基于无缝线路检算要求，但通过改变改变连续刚构桥的结构形式，能有效增加桥梁自身结构的安全性。

优选的，所述步骤d′中，包括将连续刚构桥的主梁设置为连续梁体和薄壁桥墩固结的方式。

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。

优选的，所述步骤d′中，还包括将连续刚构桥的桥墩设置为双薄壁墩。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，连续刚构桥常采用水平抗推刚度较小的双薄壁墩，能有效减少水平位移在刚构墩中产生的弯矩。

优选的，在所述断轨工况下计算钢轨断缝值，考虑钢轨本身的温度变化产生的基本温度力，以及由于桥梁温度变化产生的钢轨伸缩附加力，所述钢轨本身的温度变化取最低轨温与锁定轨温的差值。

钢轨断缝值的计算关系到行车安全及是否需要采用伸缩调节器，将其作为桥上无缝线路设计的核心内容进行计算，对控制桥梁纵向刚度，从而保证行车安全具有重要作用。在钢轨最大降温幅度及存在伸缩附加力的情况下，若一根轨条折断，相邻轨条会通过限制墩顶纵向位移而阻止钢轨断缝的继续扩大，这种多根钢轨-桥梁-墩台一体化的计算模型，用于计算桥上无缝线路钢轨断缝值与实际情况是吻合，计算的模型就是采用这种多跟钢轨-桥梁-墩台一体化的计算模型，因此模型中应该考虑钢轨本身的温度变化产生的基本温度力以及由于桥梁温度变化产生的钢轨伸缩附加力，断轨位置依据规范设定在伸缩力附加力最大位置处，同样也是制动/启动力起点位置处，在计算中所选取的钢轨降温幅度为最低轨温与锁定轨温的差值。

对应地，本发明还提供了一种高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥为有砟轨道，根据上述所述的纵向刚度控制方法得到的高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥的固定墩纵向刚度限值与不同的温度跨度、轨温变化幅度和适应梁型布置对应，并采取相应的轨道处理措施，具体对应关系满足下表：

对于有砟轨道刚构桥上无缝线路各种工况下的计算结果与墩台刚度的取值相关性较大，高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度采用上述限值进行选值，使不同跨度的刚构桥的桥墩刚度选用更加合理化、科学化，一方面可以保证线路的安全，另一方面也可以节约工程投资。

对应地，本发明还提供了一种高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥为无砟轨道，根据上述所述的纵向刚度控制方法得到的高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥的固定墩纵向刚度限值与不同的温度跨度、轨温变化幅度和适应梁型布置对应，并采取相应的轨道处理措施，具体对应关系满足下表：

对于无砟轨道刚构桥上无缝线路各种工况下的计算结果与墩台刚度的取值相关性较大，高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度采用上述限值进行选值，使不同跨度的刚构桥的桥墩刚度选用更加合理化、科学化，一方面可以保证线路的安全，另一方面也可以节约工程投资。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过建立模型，并对桥梁模拟施加载荷，通过对梁轨作用力及无缝线路受力变形规律的分析，得到刚构桥梁固定墩的纵向刚度限值，从而进一步确定梁形布置方式及固定墩的刚度，解决了现有技术中难以控制高墩大跨连续刚构桥纵向刚度的问题，填补了高墩大跨混凝土连续刚构桥在纵向刚度控制领域的空白；

2、通过分析满足线路稳定性及车桥耦合动力的纵向刚度，使高墩大跨混凝土连续梁桥的纵向刚度得到有效控制，使修建的桥梁在实际运用时，不仅满足高速铁路设计规范对桥梁结构的纵横向控制标准，而且还保证桥梁满足车桥耦合动力特性的要求，以及满足桥上无缝线路轨道稳定及强度的要求，使桥梁在工作中处于安全状态，并保证车辆行驶平稳、安全和舒适，为桥梁的设计及建造提供依据和参考；

3、通过限定了高墩大跨混凝土连续刚构桥在不同的温度跨度情况下的固定墩纵向刚度限值和轨道处理措施，为设计和建造高墩大跨混凝土连续梁桥提供设计依据和参考数据，从而节省了大量的设计工作，缩短了工期，节约了成本，并且保证桥梁建成后满足安全性、稳定性和舒适性要求。

附图说明：

图1为刚构桥布置示意图。

图2为连续刚构与连续梁桥的钢轨伸缩力的比较曲线图。

图3为连续刚构与连续梁桥的钢轨挠曲力的比较曲线图。

图4为连续刚构与连续梁桥的钢轨制动力的比较曲线图。

图5为连续刚构与连续梁桥的钢轨断轨时钢轨位移的比较曲线图。

图6为连续刚构桥断轨位置的钢轨纵向位移曲线图。

图7为桥墩刚度与断缝关系曲线图。

图8为桥梁总长与断缝关系曲线图。

图9为实施例2中刚构桥梁布置的结构示意图。

图10为刚构桥名义温度跨度与钢轨伸缩附加力之间的关系曲线图。

图11为梁轨快速相对位移与桥墩刚度关系曲线图。

图12为刚构桥墩刚度为500kN/cm.双线的桥梁总长与梁轨快速相对位移关系曲线图。

图13为刚构桥墩刚度为2000kN/cm.双线的桥梁总长与梁轨快速相对位移关系曲线图。

图14为有砟轨道桥墩轨温变化50℃时铺设常阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图15为有砟轨道桥墩轨温变化40℃时铺设常阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图16为有砟轨道桥墩轨温变化30℃时铺设常阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图17为有砟轨道桥墩轨温变化50℃时铺设小阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图18为有砟轨道桥墩轨温变化40℃时铺设小阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图19为有砟轨道桥墩轨温变化30℃时铺设小阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图20为无砟轨道桥墩轨温变化50℃时主桥铺设常阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图21为无砟轨道桥墩轨温变化40℃时主桥铺设常阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图22为无砟轨道桥墩轨温变化30℃时主桥铺设常阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图23为无砟轨道桥墩轨温变化50℃时主桥铺设小阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图24为无砟轨道桥墩轨温变化40℃时主桥铺设小阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图25为无砟轨道桥墩轨温变化30℃时主桥铺设小阻力时最小刚度值的变化曲线图。

图26为高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

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

如图26所示，高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法，包括以下步骤：

a、建立线桥墩一体化计算模型，并将刚构墩简化为固定支座对应独立桥墩的方式；

b、检算在不同工况条件下轨道的强度和稳定性；

c、施加载荷，对连续刚构桥施加不同荷载，并检算各载荷对无缝线路受力变形的的影响情况，所述载荷包括风载荷、温度载荷和基础沉降产生的载荷；

d、确定刚度限值，采用有限单元法分析梁轨相互作用力及相互位移，进行数值求解，确定固定墩纵向刚度限值；

e、确定梁形布置类型及轨道处理措施，根据连续刚构桥的跨度得到其名义温度跨度，并根据该名义温度跨度和轨温变化幅度，确定梁形布置类型，并确定固定墩纵向刚度限值及轨道处理措施。

首先建立线桥墩一体化计算模型，考虑到高墩结构的复杂性和非线性，拟采用有限元方法在通用有限元软件ANSYS中建模分析，采用beam188单元模拟梁体、桥墩及钢轨，combin39模拟线路纵向阻力，建模过程中的钢轨采用60kg/m钢轨的截面，同时，为更真实的模拟现实状态，保证桥上无缝线路处于固定区，在左右桥台外侧各建100米的路基。

有限元模型的各部分的参数选取：钢轨，采用中国的标准60kg/m的钢轨，截面面积为77.452cm2，弹性模量取值为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，线膨胀系数为1.18×10-5/℃，密度为7800kg/m3；梁体混凝土，弹性模量取值为3.55×1010Pa，泊松比为0.167，线膨胀系数为1.0×10-5/℃，密度为2650kg/m3；轨枕，采用新III型混凝土轨枕，采用1667根/km铺设，每根轨枕的质量为365kg。

检算在多种工况条件下轨道的强度和稳定性，包括伸缩工况、制动工况、扭曲工况和断轨工况。连续刚构桥综合了连续梁和T型刚构桥的受力特点，通过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，通过将连续刚构桥的桥墩采用水平抗推刚度较小的双薄壁墩，能有效减少水平位移在墩中产生的弯矩。

通过调整连续刚构的结构，使连续刚构桥保持了连续梁的优点，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，同时，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。使混凝土连续刚构桥作为大跨度桥型得到越来越多的应用，能应用到主跨100～300m范围的公路桥、铁路桥的建设上。

连续刚构桥因其桥墩与梁部固结在一起，在钢轨纵向力的作用下，为超静定结构体系，因此桥上无缝线路梁轨相互作用规律与连续梁桥有些差别。现以跨度均为2×32m简支梁+(32+48+32)m连续梁/刚构桥+2×32m简支梁为例分析，分析在不同工况下刚构桥梁的梁轨相互作用规律以及其与连续梁的受力差别。连续梁桥/刚构桥桥跨布置形式如图1所示，主桥墩纵向水平刚度为1000kN/cm.双线，左、右侧简支梁固定支座位于右侧，其桥墩纵向水平刚度为400kN/cm.双线。

连续刚构与连续梁桥的伸缩力、挠曲力、制动力及断轨时钢轨位移的分布规律比较如图2～5所示：从图2中可见，由于连续刚构桥的伸缩位移是对称于跨中分布的，连续刚构桥上钢轨伸缩力也呈对称分布，最大伸缩位移与连续梁固定支座位于跨中时相当，其等效温度跨度可近似为连续刚构跨中至左右侧简支梁固定支座的距离56m，这小于同样梁跨布置情况下连续梁桥的80m温度跨度，因而连续刚构桥上钢轨最大伸缩压力约为166.2kN，也小于连续梁桥的最大伸缩压力209.2kN；从图3中可见，钢轨挠曲力的分布规律与连续梁相同，但其数值要小得多，最大挠曲压力约为20.9kN，远小于连续梁桥的43.1kN。这主要是由于连续刚构的桥墩与梁体是固结在一起的，在列车垂直荷载作用下，桥墩也会发生沿桥梁纵向的弯曲变形，承担了部分列车荷载的作用力，导致梁体的挠曲变形要小于连续梁桥。这种结构形式对铺设无缝线路是有利的，但正因为桥墩与梁体的固结作用，在温度荷载作用下，因桥墩的弯曲作用也会导致梁体产生一定的竖向变形，从而影响轨道平顺性；从图4中可见，钢轨制动力的分布规律与连续梁桥相似，但因连续刚构桥有两个固结桥墩参与承受列车纵向荷载，因而钢轨最大制动压力约为403.9kN，也要小于连续梁桥的453.1kN；从图5中可见，钢轨折断后其左侧轨条的纵向位移略小于连续梁桥，也是由于双固结桥墩的作用所致，右侧轨条的纵向位移无变化，钢轨断缝最大值约为64.3mm，小于连续梁桥70.2mm的断缝值。

总之，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，因此能普遍应用在高速铁路建设中。

钢轨断缝值的计算关系到行车安全及是否需要采用伸缩调节器，是桥上无缝线路设计的核心内容之一。在钢轨最大降温幅度及存在伸缩附加力的情况下，若一根轨条折断，相邻轨条会通过限制墩顶纵向位移而阻止钢轨断缝的继续扩大，这种多根钢轨-桥梁-墩台一体化的计算模型，用于计算桥上无缝线路钢轨断缝值与实际情况是吻合的。由于本文计算的模型就是采用这种多跟钢轨-桥梁-墩台一体化的计算模型，因此模型中应该考虑钢轨本身的温度变化产生的基本温度力以及由于桥梁温度变化产生的钢轨伸缩附加力。

断轨位置依据规范设定在伸缩力附加力最大位置处，同样也是制动/启动力起点位置处，在此处由于模型中是建立的双线四根钢轨，因此在计算过程中只是将其中一根钢轨在所选择的位置处断开，其它几根钢轨保持不变。同样在计算中所选取的钢轨降温幅度为最低轨温与锁定轨温的差值，由于设计锁定轨温为29±5℃，最低轨温为-7.7℃，因此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℃，计算结果绘制如图6所示。从图6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。

由于断轨力与轨温变化幅度相关，因此随着轨温变化幅度的增加，断缝值就会增加，当轨温变化幅度一定时，断缝随着刚构桥的刚构墩的刚度的增加而有小幅降低并趋于稳定值，见图7所示(以钢轨降温50℃，跨度为32+48+32m为例)；断缝也随着桥梁总长的增加而有小幅的增加，见8所示(以钢轨降温50℃为例)。

对连续刚构桥施加多种荷载，并检算各载荷对无缝线路受力变形的的影响情况，多种所述载荷包括风载荷、温度载荷和基础沉降产生的载荷。高墩桥梁由于其墩的高度比普通的桥梁的墩要高的多，这使得其刚度的降低值较大，在相同风载影响下的，墩顶的位移较普通桥墩要大很多，进而带动桥梁梁体的移动，使无缝线路产生附加力，从而影响桥上无缝线路的受力状态。高墩、大跨结构与空气直接接触面积会大幅度增加，使桥墩与梁体受到的风荷载增大，进一步加大梁体与墩顶的位移，使桥上无缝线路偏离原来的设计位置，不仅会降低线路的稳定性，同时造成线路的不平顺，影响行车安全，因此针对于高墩大跨桥梁，有必要研究风荷载对其强度及稳定性的影响。

风载随着风向的不同而有所区别，包括两种工况：其中一种为沿线路方向的风载，这种风载对于桥梁梁体所起的作用比较小，因此计算中风载主要施加在桥墩迎风面上，另一种为垂直线路方向的风载，这种风载不仅对于桥墩有影响，对于桥梁梁体本身也要受到影响，这时风载施加在迎风面的桥墩及梁体上。分别通过对静风压的计算和施加、沿线路方向风载的计算和垂直线路方向风载计算，得到风载荷对高墩大跨桥上无缝线路的受力及变形情况。

温度荷载包括桥墩整体温度变化以及桥墩纵横向温度梯度的作用，在太阳辐射条件下，混凝土结构的温度场变化与桥梁所处的地理位置、方位、太阳辐射强度、大气温度和风速以及结构物所处的环境有关。在背阴侧由于没有阳光的照射，混凝土表面的温度比较低，相反，在向阳侧，由于直接受到太阳的辐射，温度较高；由于在高墩大跨桥梁中桥墩比较高，桥墩整体升温时，会引起桥墩顶部比较大竖向位移，这种位移将传递到梁体上，进而引起轨道结构的高低不平顺。普通桥上无缝线路，由于桥墩高度比较低，太阳辐射作用引起的桥墩纵横向温度梯度不会使桥墩顶部产生较大的位移，然而在高墩大跨结构中，桥墩高度大大增加，纵横向温度梯度作用下，墩顶会产生较大的纵横向位移，这种位移作用在梁体之上，容易引起梁体整体移动，横向移动势必会导致轨道出现横向不平顺，从而引起轨道结构的稳定性下降；纵向位移则会带动梁体发生整体纵向位移，这种位移作用在轨道结构上必然会引起轨道结构附加力与位移。通过对桥墩整体升温、桥墩纵向温度梯度和桥墩横向温度梯度三个工况的计算和缝隙，得到温度载荷对无缝线路受力的影响情况和规律。

桥墩的工后沉降是不可避免的，因此研究桥墩沉降对高墩大跨桥上无缝线路的受力具有一定意义。由于桥墩本身及其基础的不同，因此就可能出现均匀沉降或者不均匀沉降，也可能出现同一个桥墩不同侧的沉降量不同而出现偏转，目前规范中已经给出了相应的规定，例如《高速铁路设计规范》的规定，对于桥上有砟轨道，墩台均匀沉降不得超过30mm，不均匀沉降不得超过15mm。本节主要讨论桥墩的不均匀沉降、均匀沉降以及桥墩的偏转对高墩大跨桥上无缝线路的受力及稳定性的影响，通过分析桥墩均匀沉降和桥墩不均匀沉降两种工况下对高墩大跨桥上无缝线路平顺性的影响规律，进而通过控制桥墩刚度有效避免沉降发生。

进行钢轨强度检算：检算钢轨强度是为了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，是无缝线路设计检算的重要工作内容，钢轨强度检算公式为：

式中σs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，σt为钢轨最大温度应力，σf为钢轨最大伸缩附加应力，σ制为钢轨最大制动附加应力。目前我国铁路采用的钢轨钢种主要包括U71Mn(k)、U75V、U71Mn和U76NbRE。铁科院分别对U75V和U71Mn钢轨母材、焊缝处(含闪光焊、铝热焊、气压焊)的强度进行了测试分析，铁四院对U71Mn(k)钢轨进行了抗拉强度试验，其抗拉强度分别为883MPa、980MPa、883MPa、980MPa。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]＝352MPa。

对于梁轨的相互位移，在制动力作用下，有砟轨道桥上无缝线路从保持道床稳定性的角度考虑，将梁轨快速相对位移设置为不超过4mm，有钢轨伸缩调节器时不超过30mm。对于无砟轨道由于不存在道床稳定性的问题，因此不考虑无砟轨道的梁轨相对位移。

实施例2

高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥为有砟轨道，根据实施例1中所述的纵向刚度控制方法得到的高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥在不同的名义温度跨度情况下，其固定墩纵向刚度限值和轨道处理措施满足下表1。

表1有砟轨道连续刚构梁固定墩纵向线刚度限值表

对于有砟轨道刚构桥上无缝线路各种工况下的计算结果与墩台刚度的取值相关性较大，高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度采用上述限值进行选值，使不同跨度的刚构桥的桥墩刚度选用更加合理化、科学化，一方面可以保证线路的安全，另一方面也可以节约工程投资。

当桥梁跨度比较大时，通过铺设钢轨伸缩调节器来减小钢轨的受力以及桥梁墩台的受力，这样就允许采用比较小的墩台刚度，但是钢轨伸缩调节器存在永久的不平顺，因此尽量不铺设钢轨伸缩调节器，在本实施例中主要针对不铺设钢轨伸缩调节器时确定合理的桥梁墩台刚度值。在计算过程中，将连续刚构桥左右两端的简支梁增加为5跨，其简支梁跨度仍然取为32m，并且为了保证计算结果的对称性，将桥梁及支座形式布置如图9所示，以刚构桥跨度为32+48+32m为例，两端布置5×32m简支梁。

在伸缩附加力计算中，桥梁升温幅度按照混凝土桥梁为15℃。在制动力计算中采用中一活载进行加载，并且对任意跨度的刚构桥将车头放在由伸缩工况计算得到的最大伸缩附加力的位置，荷载的加载长度依据桥梁长度确定，但加载长度不超过400m。在断轨工况计算中，分别计算出轨温变化幅度为30℃、40℃及50℃条件下的断缝值。综合考虑这三种工况下的各种参量的允许幅值，从而得到不同轨温变化幅度下合理的桥墩刚度值。

由于主要针对连续刚构桥的桥墩的纵向水平刚度，因此对于刚构桥两侧的简支梁桥的桥墩台刚度取为规范规定的最小值400kN/cm.双线。

依据计算参数取值，对不同名义温度跨度的连续刚构桥梁，进行不同工况的计算。

选取不同跨度的刚构桥梁，并根据刚构墩两侧的桥梁跨度将其分为两大类，一类为跨度对称的连续刚构桥，另一类为桥梁跨度非对称布置，例如64+4×116+64m，75+4×135+75m等。对于对称布置的刚构桥，由于刚构桥刚度的增加使得刚构桥的实际温度跨度减小，从而减低了伸缩附加力，其伸缩附加力的变化趋势为随着桥墩刚度的增加而降低并且近似成线性关系，但由于温度跨度值的改变量比较小，所引起的伸缩附加力改变量也比较小，经检算：桥墩刚度从5000kN/cm.双线降低到50kN/cm.双线时，降低了99％，而伸缩附加力仅增加了1.2％，刚构桥桥上无缝线路的伸缩附加力对桥墩刚度的敏感性较弱。

对于非对称布置的刚构桥，其伸缩附加力的变化趋势为随着桥墩刚度的增加而增加，由于桥梁跨度不对称性的影响，当桥墩刚度增加到某一值之后伸缩附加力几乎不发生变化，跨度为(64+4×116+64)m的桥梁的伸缩附加力改变量为76.364kN，而跨度为(75+4×135+75)m的桥梁的伸缩附加力改变量为82.781kN。因此在设计刚构桥时应该尽可能的设计成对称布置梁跨，这样可以降低桥墩刚度对钢轨的纵向附加力的影响。

当刚构桥桥墩刚度一定时，钢轨的伸缩附加力随着刚构桥的名义温度跨度的增加而近似成线性增加，见下图10所示，图中的结果为桥墩刚度为2000kN/cm.双线时对应的结果。

因此对于刚构桥，当其跨度增大到某一特定值时，也需要考虑采用小阻力扣件或者伸缩调节器的方法减小梁轨相互作用，从而降低钢轨的伸缩附加力。

对于制动工况，以桥跨为60+100+60m与64+4×116+64m为例，无论是桥梁跨度对称布置还是非对称布置，列车制动条件下的梁轨快速相对位移最大值均随着刚构桥的刚构墩的刚度的增加而降低，但是桥墩刚度增加的某一值时，梁轨快速相对位移基本保持不变，见图11所示。

在刚构墩的纵向水平刚度较小时，梁轨快速相对位移也随着刚构桥梁的长度的增加而增大，但当桥梁长度大于400m时，其梁轨相对位移变化不大，见图12所示(以刚构桥墩刚度为500kN/cm.双线为例)，当刚构桥墩的刚度比较大时，就会出现桥梁总长虽然增加但是梁轨快速相对位移降低的现象，见图13所示(以刚构桥墩刚度为2000kN/cm.双线为例)，这主要是由于与刚构桥的刚构墩的纵向水平刚度与其毗邻的简支梁的固定支座对应的刚度差相关，同时还与桥梁长度有一定的关系。

因此，对于刚构桥梁不仅可以通过增加刚构桥的刚构桥墩的纵向水平刚度减小在列车制动时的梁轨快速相对位移，也可以通过调整刚构桥毗邻的简支梁的固定支座对应的桥墩的刚度来降低梁轨快速相对位移。

从断缝计算结果中，无论是钢轨降温30℃、40℃还是50℃，也无论刚构桥的桥墩刚度取值，计算结果显示均未超出规范规定的断缝限值70mm，因此在刚构桥桥墩纵向水平刚度确定中将不考虑断缝对桥墩刚度的要求，仅在桥上铺设小阻力扣件时考虑断缝值。

由上得到多种跨度对称布置的钢构桥的纵向水平刚度确定值，在确定桥墩纵向水平刚度时只需要考虑伸缩附加力满足不同轨温变化幅度下的允许值以及梁轨快速相对位移4mm限值。由实施例1的计算结果并结合计算的伸缩附加力、(伸缩+制动)附加力允许值等得到下表2的结果。

表2全桥常阻力时桥墩刚度允许值(单位kN/cm.双线)

注：表2中“措施”表示需要采取铺设小阻力扣件或伸缩调节器等方法解决桥上铺设无缝线路的问题。

无论轨温变化幅度是30℃、40℃或者是50℃，在刚构桥名义温度跨度较小时其刚构墩的纵向水平刚度主要受到制动工况梁轨相对位移的控制，对于名义温度跨度较大时还会受到桥梁跨度的控制，这时需要解决无缝线路铺设的方法为采用铺设小阻力扣件或者钢轨伸缩调节器。

对于跨度为72+3×116+72m、80+3×145+80m、106+3×200+106m及137+3×250+137m的四座桥梁需要采用小阻力扣件以减小梁轨相互作用，从而降低钢轨伸缩附加力。采用铺设小阻力扣件时还需要解决一下两方面的内容：一为确定小阻力扣件的铺设范围，另二为判断铺设小阻力扣件之后的钢轨伸缩附加力是否超限。本报告中为了便于讨论，首先按照主桥全桥铺设小阻力扣件，其两端的简支梁桥铺设常阻力扣件，倘若钢轨伸缩附加力仍不能满足要求则将小阻力扣件铺设范围增加到简支梁桥上，由于不能将小阻力扣件铺设范围的各种可能性考虑完整，仅选择主桥与全桥铺设小阻力扣件两种情况，当桥上采用小阻力扣件时，没有要求在列车制动荷载下的梁轨快速相对位移的限值，因此不对其进行计算，对无缝线路进行计算，断缝计算中依据伸缩附加力满足的轨温变化幅度及小阻力扣件铺设范围进行计算。

将无缝线路的计算结果与前述不同轨温变化幅度下的允许钢轨伸缩附加力比较得到：对于跨度为72+3×116+72m的刚构桥梁，采用主桥铺设小阻力扣件即可以满足轨温变化幅度为50℃的允许钢轨伸缩附加力及断缝值的要求；对于跨度为80+3×145+80m的刚构桥主桥铺设小阻力扣件不能够满足轨温变化幅度为50℃时的稳定性的要求，因此需要使用钢轨伸缩调节器；对于跨度为106+3×200+106m的刚构桥梁，采用主桥小阻力仅能满足轨温变化幅度为40与30℃时钢轨强度、稳定性限值及断缝限制，而不能满足轨温变化幅度为50℃的要求，因此对于该跨度刚构桥在轨温变化幅度为40℃时可以采用主桥铺设小阻力的方法满足铺设无缝线路的要求，轨温变化幅度为50℃时考虑选择钢轨伸缩调节器；对于跨度为137+3×250+137m的刚构桥梁，主桥铺设小阻力扣件时仅能满足轨温变化幅度为30℃时铺设无缝线路的要求，当轨温变化幅度为40或者50℃时需要采用钢轨伸缩调节器。

综合表2及无缝线路的计算结果，通过分析，可以得到下表3的结论。

表3主桥铺设小阻力时刚构桥刚构墩的最小刚度(单位：kN/cm.双线)

注：“—”表示对刚度无要求，上面中的刚度数值均适当的取整。

将表2和表3给出的常用跨度有砟轨道连续梁铺设常阻力扣件及铺设小阻力扣件情况下固定墩纵向刚度限值，归纳如表1所示。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14-19所示。

实施例3

高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥为无砟轨道，根据上述所述的纵向刚度控制方法得到的高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥在不同的名义温度跨度情况下，其固定墩的纵向刚度限值和轨道处理措施满足下表4。

表4无砟轨道连续刚构梁固定墩纵向线刚度限值表

对于无砟轨道刚构桥上无缝线路各种工况下的计算结果与墩台刚度的取值相关性较大，高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度采用上述限值进行选值，使不同跨度的刚构桥的桥墩刚度选用更加合理化、科学化，一方面可以保证线路的安全，另一方面也可以节约工程投资。

对于断轨工况的计算只需要保证断缝值在规定的限值以内即可，对于有砟轨道断缝值随桥墩纵向水平刚度的变化规律已经得到，并且其不是控制桥墩刚度的因素，对于无砟轨道，其相对于有砟轨道而言仅仅是线路纵向阻力增加，线路纵向阻力增加会导致断缝值降低。

由于无砟轨道的线路纵向阻力大于有砟轨道的线路纵向阻力，因此在轨温变化幅度分别为30、40及50℃的时候，有砟轨道对应的断缝值均大于无砟轨道对应的断缝值，得到有砟轨道断缝值均小于规范规定的限值，因此结合该部分规律可以得到无砟轨道无缝线路在铺设常阻力扣件的断缝值也不会超出规范规定的限值，因此在下面的计算中将不计算无砟轨道断缝的大小。

无砟轨道无缝线路各种工况计算与有砟轨道无缝线路计算的区别主要是线路纵向阻力的取值，计算伸缩附加力时桥梁温度变化幅度以及列车制动时的列车荷载等。

桥上无砟轨道无缝线路的在桥梁伸缩工况下的最大伸缩附加力及列车制动工况下的最大制动附加力、最大梁轨快速相对位移的规律同有砟轨道，因此在此不再详细介绍。

在相同条件下无砟轨道桥上无缝线路的断缝值相对于有砟轨道的要小，并且有砟轨道的断缝值经过计算并未超限，因此在考虑无砟轨道刚构桥桥墩刚度时不需要考虑断缝的限值要求。

上面已将断缝限值的因素排除，因此在确定桥墩纵向水平刚度时只需要考虑伸缩附加力与制动附加力之和满足不同轨温变化幅度下的允许值。

将计算得到的结果与计算的(伸缩+制动)附加力允许值结合得到下表5。

表5全桥常阻力时桥墩刚度允许值(单位：kN/cm.双线)

注：表5中“—”表示对刚度无要求；“措施”表示需要采取铺设小阻力扣件或伸缩调节器等方法解决桥上铺设无缝线路的问题。

从表5在名义温度跨度为110m时，轨温变化幅度为50℃时伸缩附加力就会超限，这主要是由于无砟轨道的线路纵向阻力比有砟轨道的大，梁轨相互作用较强，同时对于无砟轨道而言，因扣件阻力较大，并不能像有砟轨道一样在列车通过时可以释放梁轨作用力，出于安全考虑并参考国外应用情况，梁温度差采用年温差，根据郑西、京津城际铁路桥梁温差测试资料，《铁路无缝线路设计规范》中对铺设无砟轨道的混凝土桥梁温度差取为30℃比有砟轨道的桥梁轨温变化幅度15℃要大。

对于伸缩附加力超限的刚构桥可以采用铺设小阻力扣件的方法等减弱梁轨相互作用从而降低钢轨的伸缩附加力，同时在采用小阻力扣件时必须保证无砟轨道无缝线路断缝检算不超限，否则应该采用其他措施，得到不同跨度刚构桥梁铺设小阻力扣件计算结果。

结合铺设小组力扣件计算的结果与表5的结果，采用与有砟轨道确定刚构桥桥墩总线水平刚度相同的方法，可以得到表6。

表6主桥小阻力时刚构桥刚构墩的最小刚度(单位：kN/cm.双线)

注：表6中“—”表示对刚度无要求。

从上面的计算结果可以看出，无砟轨道相对于有砟轨道线路纵向阻力及桥梁温度变化增加，从而增加了梁轨相互作用，使得控制刚构桥桥墩的纵向水平刚度从无砟轨道的梁轨快速相对位移变为钢轨附加力。

将表5和表6给出的常用跨度有砟轨道连续梁铺设常阻力扣件及铺设小阻力扣件情况下固定墩纵向刚度限值，归纳如下表4所示。

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20-25所示。

Claims (9)

1.一种高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法，其特征在于，该连续刚构桥的桥墩高度50m以上，跨度100m以上，在控制其纵向刚度时包括以下步骤：

a、建立线桥墩一体化计算模型，并将刚构墩简化为固定支座对应独立桥墩的方式；

b、检算在不同工况条件下轨道的强度和稳定性，所述工况条件包括伸缩工况、制动工况、扭曲工况和断轨工况；

c、施加载荷，对连续刚构桥施加不同荷载，并检算各载荷对无缝线路受力变形的影响情况，所述载荷包括风载荷、温度载荷和基础沉降产生的载荷；

d、确定刚度限值，采用有限单元法分析梁轨相互作用力及相互位移，进行数值求解，确定固定墩纵向刚度限值；

e、确定梁形布置类型及轨道处理措施，根据连续刚构桥的跨度得到其名义温度跨度，并根据该名义温度跨度和轨温变化幅度，确定梁形布置类型，并确定固定墩纵向刚度限值及轨道处理措施；

其中，所述步骤c中，具体包括以下步骤：

c1、检算在风载荷作用下的轨道不平顺矢度；

c2、检算桥墩的纵向温度梯度载荷对无缝线路纵向受力情况；

c3、检算由基础沉降造成的桥墩纵向偏转对线路平顺性的影响情况。

2.根据权利要求1所述的高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法，其特征在于，所述步骤d后增加步骤d′：改变连续刚构桥的结构，提高其纵向刚度。

3.根据权利要求2所述的高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法，其特征在于，所述步骤d′中，包括将连续刚构桥的主梁设置为连续梁体和薄壁桥墩固结的方式。

4.根据权利要求3所述的高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法，其特征在于，所述步骤d′中，还包括将连续刚构桥的桥墩设置为双薄壁墩。

5.根据权利要求1-4之一所述的高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法，其特征在于，在所述断轨工况下计算钢轨断缝值，考虑钢轨本身的温度变化产生的基本温度力，以及由于桥梁温度变化产生的钢轨伸缩附加力，所述钢轨本身的温度变化取最低轨温与锁定轨温的差值。

6.一种高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥为有砟轨道，其特征在于，根据权利要求1-5之一所述的纵向刚度控制方法得到的高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥的固定墩纵向刚度限值与不同的温度跨度、轨温变化幅度和适应梁型布置对应，并采取相应的轨道处理措施。

7.根据权利要求6所述的高墩大跨混凝土连续刚构桥，其特征在于，连续刚构桥的温度跨度、轨温变化幅度、适应梁型布置、固定墩纵向刚度限值和轨道处理措施对应关系满足下表，

8.一种高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥为无砟轨道，其特征在于，根据权利要求1-5之一所述的纵向刚度控制方法得到的高墩大跨混凝土连续刚构桥，该连续刚构桥的固定墩纵向刚度限值与不同的温度跨度、轨温变化幅度和适应梁型布置对应，并采取相应的轨道处理措施。

9.根据权利要求8所述的高墩大跨混凝土连续刚构桥，其特征在于，连续刚构桥的温度跨度、轨温变化幅度、适应梁型布置、固定墩纵向刚度限值和轨道处理措施对应关系满足下表：