馮 祁,金 令,高靜青,劉 成

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055; 2.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司,成都 611430)

1 工程概況

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋[1]為新建鄭州至濟(jì)南高速鐵路[2]、河南省規(guī)劃的鄭新市域鐵路及鄭新快速路跨越黃河的共用橋梁，橋梁全長(zhǎng)34 322.10 m，公鐵共建段長(zhǎng)12 180.19 m。

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋作為國(guó)家重點(diǎn)工程，對(duì)滿足中原與山東半島間的交通需求，構(gòu)筑我國(guó)東中部地區(qū)西經(jīng)云南、新疆的出境通道，促進(jìn)“一帶一路”經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)具有重要意義[3-4]。

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋公鐵共建段橋梁采用雙層橋面布置，公路在上層，鄭濟(jì)高鐵和市域鐵路在下層。其中，公路采用3(2)×40 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)并置小箱梁，鐵路均采用40 m簡(jiǎn)支梁[5]。公鐵共建段內(nèi)共含有4部分鋼桁梁段，第1部分為1-(112+6×168+112) m下變高連續(xù)鋼桁梁；第2部分為7-112 m簡(jiǎn)支鋼桁梁；第3部分為南岸引橋120 m簡(jiǎn)支鋼桁梁；第4部分為北岸引橋(73+139+73) m連續(xù)鋼桁梁。鋼桁梁均采用華倫式整體桁架結(jié)構(gòu)，橫向布置為3片桁[6]。公鐵共建段標(biāo)準(zhǔn)跨段及鋼桁梁段典型橫斷面如圖1、圖2所示。

圖1 公鐵共建段標(biāo)準(zhǔn)跨段典型橫斷面(單位：cm)

圖2 公鐵共建段鋼桁梁典型橫斷面(單位：cm)

鄭濟(jì)高鐵及市域鐵路均采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道[7-8]。

橋址位置極端氣溫為-10.2～+42.5 ℃。

2 梁端橫向相對(duì)位移影響

無(wú)砟軌道因其構(gòu)造上的特點(diǎn)，梁縫兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)產(chǎn)生橫向相對(duì)位移時(shí)，會(huì)對(duì)鋼軌、扣件等局部受力產(chǎn)生不利影響[9]，所以在《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》及德國(guó)規(guī)范中均對(duì)無(wú)砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)鋼軌支點(diǎn)的橫向相對(duì)位移做出了限制規(guī)定。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.3條及《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》7.3.3條規(guī)定，無(wú)砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對(duì)位移不應(yīng)大于1 mm[10-11]。德國(guó)規(guī)范規(guī)定，橫向相對(duì)位移不超過(guò)1 mm，必要時(shí)在梁端兩支座中部設(shè)置橫向限位裝置[12]。

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋公鐵共建段鋼桁梁與混凝土梁支座布置方式不同，鋼桁梁為3片桁整體結(jié)構(gòu)，橫向固定支座位于中桁位置；混凝土梁鄭濟(jì)高鐵和鄭新市域鐵路為分開(kāi)兩幅梁體，橫向固定支座位于兩梁靠中心側(cè)，兩種梁體斷面示意及支座布置示意如圖3所示。并且因其梁體材質(zhì)不同導(dǎo)致線膨脹系數(shù)及溫度影響亦不同，從而影響無(wú)砟軌道線路在鋼桁梁橋與混凝土箱梁梁縫處的橫向穩(wěn)定，所以需對(duì)其橫向相對(duì)位移進(jìn)行分析研究。

圖3 公鐵共建段交界斷面及支座布置示意(單位：mm)

以1-(112+6×168+112) m下變高連續(xù)鋼桁梁與40 m混凝土簡(jiǎn)支梁交界位置為例，鄭濟(jì)高鐵及鄭新市域鐵路40 m混凝土簡(jiǎn)支梁支座橫向間距為4.4 m，而鋼桁梁橫向設(shè)置3個(gè)支座，固定支座設(shè)置于中間桁架位置，橫橋向3個(gè)支座橫向間距為13.4 m?？紤]鋼與混凝土不同的線膨脹系數(shù)，對(duì)各條線路在鋼桁梁橋與混凝土箱梁梁縫處溫度作用(系統(tǒng)升降溫30 ℃，鋼與混凝土溫差12 ℃)影響下的橫向相對(duì)位移進(jìn)行計(jì)算[13-15]，計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋼梁-混凝土梁過(guò)渡縫位置線路橫向相對(duì)位移

由計(jì)算數(shù)據(jù)可知，在溫度作用影響下鋼梁與混凝土梁過(guò)渡縫位置線路橫向相對(duì)位移均大于1 mm限值，不滿足規(guī)范要求。因此，需在梁縫位置采取橫向相對(duì)位移控制措施來(lái)減小相對(duì)位移對(duì)無(wú)砟軌道的不利影響。

3 橫向相對(duì)位移控制措施研究

3.1 功能目標(biāo)

首先，應(yīng)對(duì)橫向相對(duì)位移控制措施功能目標(biāo)進(jìn)行探討，以確定研究方向。根據(jù)使用狀態(tài)的不同，其功能目標(biāo)應(yīng)分為兩大部分。

(1)正常運(yùn)營(yíng)情況下：協(xié)同臨跨混凝土梁與鋼梁過(guò)渡縫的橫橋向變形，從而消除或控制兩種梁體間線路橫向的相對(duì)位移，保證列車高速運(yùn)行平穩(wěn)舒適。

(2)地震工況下：不影響鋼梁抗震/減隔震體系[16]的正常工作，從而保證地震時(shí)的結(jié)構(gòu)安全。

3.2 方案研究設(shè)計(jì)

根據(jù)功能目標(biāo)的需求及以往橫向變形控制案例，提出3種橫向相對(duì)位移控制措施方案。

3.2.1 措施方案1

措施方案1采用在鄰近跨的兩幅混凝土簡(jiǎn)支箱梁間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)橫梁，使兩幅箱梁連為一體，并在鋼橫梁中心設(shè)置橫向固定支座，交界墩位置混凝土梁上原橫向固定支座均調(diào)整為橫向活動(dòng)支座。通過(guò)以上措施，混凝土梁側(cè)結(jié)構(gòu)連為一體，調(diào)整支座布置后，混凝土梁的結(jié)構(gòu)及支撐布置體系趨近于鋼桁梁側(cè)。方案示意如圖4所示。

圖4 公鐵共建段交界斷面及支座布置示意(方案1)

方案1僅對(duì)混凝土梁體進(jìn)行了連接和固定支撐位置調(diào)整，所以并不影響地震工況下鋼梁的抗震性能，可有效地實(shí)現(xiàn)地震工況下的功能目標(biāo)。對(duì)方案1僅需考察其在正常運(yùn)營(yíng)情況下協(xié)同臨跨橫向相對(duì)位移的能力即可。

方案1中梁體過(guò)渡縫的線路橫向相對(duì)位移最大值Δ相對(duì)與系統(tǒng)極端溫度T、鋼軌鎖定溫度t、鋼與混凝土溫差Δt、材質(zhì)線膨脹系數(shù)α及梁體伸縮長(zhǎng)度L有關(guān)，橫向相對(duì)位移最大值計(jì)算公式如下

Δ相對(duì)=Δ鋼梁-Δ混凝土梁

Δ鋼梁=α鋼·(T-t)·L鋼梁

Δ混凝土梁=α鋼·(T-t)·L鋼橫梁+α混凝土·

(T-Δt-t)·L混凝土

(1)

其中，系統(tǒng)極端溫度、鋼與混凝土溫差、材質(zhì)線膨脹系數(shù)及梁體伸縮長(zhǎng)度均為常量，鋼軌鎖定溫度作為變量直接影響梁體的升溫和降溫區(qū)間，所以方案1中影響線路橫向相對(duì)位移最大值的變量?jī)H為鋼軌鎖定溫度。

參考既往鋼軌鎖定溫度數(shù)據(jù)，鎖定溫度一般在10～30 ℃[17-18]?？紤]到擴(kuò)大參考數(shù)據(jù)區(qū)間以利于確定數(shù)據(jù)趨勢(shì)，模擬鋼軌鎖定溫度取0 ～+40 ℃，線路橫向相對(duì)位移最大值計(jì)算數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 方案1線路橫向相對(duì)位移趨勢(shì)

根據(jù)圖5可知，采用措施方案1后，靠近中線固定端的線路其兩種梁體的橫向相對(duì)位移得到較好的控制且比較穩(wěn)定，均小于0.5 mm；而遠(yuǎn)離固定端的線路其兩種梁體的橫向相對(duì)位移隨鋼軌鎖定溫度的增大而逐步減小，并且在出現(xiàn)極端降溫情況時(shí)位移限值超過(guò)規(guī)范限值。

分析結(jié)構(gòu)構(gòu)造可知，出現(xiàn)靠近固定端的線路橫向相對(duì)位移小，而遠(yuǎn)離固定端的線路橫向相對(duì)位移大，這種現(xiàn)象的主要原因在于協(xié)調(diào)用鋼橫梁與混凝土梁連接位置趨近于靠近固定端的線路中線，從而有效地保障了此位置處線路的橫向相對(duì)位移值，而遠(yuǎn)離固定端的線路仍受到材質(zhì)不同的線膨脹系數(shù)和材質(zhì)溫差的影響，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形的功能目標(biāo)。

所以，方案1雖然可很好地滿足地震工況下的功能目標(biāo)，但仍存在缺陷，無(wú)法滿足正常運(yùn)營(yíng)情況下的功能目標(biāo)。

3.2.2 措施方案2

措施方案1中，中間鋼橫梁為固定長(zhǎng)度，無(wú)法進(jìn)一步調(diào)節(jié)遠(yuǎn)離固定端線路的橫向相對(duì)位移值，考慮對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而得到措施方案2。措施方案2采用在鄰近跨的兩幅混凝土箱梁各設(shè)置單獨(dú)的變形協(xié)調(diào)鋼橫梁，并且鋼橫梁端頭設(shè)置固定支座，再將交界墩位置混凝土梁橫向固定支座調(diào)整為橫向活動(dòng)支座，從而得到了兩個(gè)單獨(dú)的調(diào)整體系[19]。方案示意如圖6所示。

圖6 公鐵共建段交界斷面及支座布置示意(方案2)

方案2相較于方案1，梁體過(guò)渡縫的線路橫向相對(duì)位移值影響因素中增加了鋼橫梁長(zhǎng)度L這一變量。由于存在鋼軌鎖定溫度和鋼橫梁長(zhǎng)度兩項(xiàng)變量，難以確定在兩項(xiàng)變量下線路橫向相對(duì)位移最大值的發(fā)展趨勢(shì)。為了便于研究，本文將鋼軌鎖定溫度取為常量值，重點(diǎn)研究在不同鋼橫梁長(zhǎng)度下橫向相對(duì)位移最大值的趨勢(shì)。假定將模擬鋼軌鎖定溫度取為25 ℃，鋼橫梁長(zhǎng)度取5～7 m區(qū)間(箱梁邊緣到中心距離4.8 m)，對(duì)線路橫向相對(duì)位移最大值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 方案2線路橫向相對(duì)位移趨勢(shì)

根據(jù)圖7可知，隨著鋼橫梁長(zhǎng)度的增加，極端升溫工況下橫向相對(duì)位移最大值呈下降趨勢(shì)，而極端降溫工況下橫向相對(duì)位移最大值呈上升趨勢(shì)。鋼橫梁長(zhǎng)度在5.5～6.6 m范圍內(nèi)時(shí)，線路位置的橫向相對(duì)位移最大值可控制在±1 mm范圍內(nèi)。所以，在選擇適當(dāng)?shù)匿摍M梁長(zhǎng)度下，方案2在理論上可以滿足橫向相對(duì)位移控制措施的功能目標(biāo)。

下面對(duì)其構(gòu)造上可否實(shí)施進(jìn)行分析，對(duì)于鄭濟(jì)黃河特大橋的交界墩來(lái)說(shuō)，交界墩混凝土箱梁側(cè)兩幅箱梁中間位置設(shè)有支撐公路梁的墩柱，墩柱距交界墩邊緣僅有1.22 m寬空間，難以設(shè)置交替兩根協(xié)調(diào)用鋼橫梁，因此，在空間構(gòu)造上，本工程的交界墩無(wú)法滿足方案2鋼橫梁的設(shè)置空間，沒(méi)有實(shí)施的可行性。

故而，措施方案2雖然可有效地滿足橫向相對(duì)位移控制功能目標(biāo)，但需要在交界墩上預(yù)留足夠的設(shè)置空間，雖在本工程中無(wú)實(shí)施的可行性，但對(duì)其他類似項(xiàng)目工程存在參考借鑒意義。

3.2.3 措施方案3

方案1和方案2的橫向相對(duì)位移控制思路是通過(guò)在混凝土梁上設(shè)置與鋼梁材質(zhì)相同的鋼桿件，來(lái)增加混凝土梁線路位置的溫度位移，從而減小兩種梁體的橫向相對(duì)位移差，滿足功能要求。

措施方案3有別于前兩種方案的控制思路，采用在鋼桁梁與混凝土梁交界位置設(shè)置位移協(xié)調(diào)裝置，再調(diào)整交界墩混凝土梁橫向固定支座為橫向活動(dòng)支座，從而保證在溫度作用下混凝土梁隨鋼桁梁同步形變，減小梁體間的橫向相對(duì)位移。由于梁體分為鄭濟(jì)高鐵側(cè)和市域側(cè)，所以在每側(cè)混凝土梁需各設(shè)置1處位移協(xié)調(diào)裝置，方案示意如圖8所示。

圖8 措施方案3平面示意

在方案3中，橫向相對(duì)位移值不僅受系統(tǒng)極端溫度、鋼與混凝土溫差及鋼與混凝土不同的線膨脹系數(shù)影響，還受到位移協(xié)調(diào)裝置本身安裝間隙及自身剛度的影響，所以在考量方案可行性時(shí)，需增加對(duì)位移協(xié)調(diào)裝置安裝間隙及自身剛度的考慮。本研究中考慮0.5 mm的安裝間隙及自身剛度影響，得到方案3各鋼梁-混凝土梁過(guò)渡縫位置線路橫向相對(duì)位移數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 方案3線路橫向相對(duì)位移 mm

根據(jù)表2可知，方案3在不考慮安裝間隙及自身剛度影響時(shí)，橫向相對(duì)位移值為0.435 mm，考慮影響后增加至0.935 mm，所以方案3可滿足正常運(yùn)營(yíng)情況下橫向相對(duì)位移控制措施功能目標(biāo)。

但是，由于采用位移協(xié)調(diào)裝置來(lái)協(xié)調(diào)兩個(gè)梁體的橫向位移，在鋼梁與混凝土梁間增加了橫橋向連接作用，在將混凝土梁支座調(diào)整為橫向活動(dòng)支座后，鋼梁側(cè)固定支座需額外承受混凝土梁側(cè)產(chǎn)生的橫橋向作用力。在運(yùn)營(yíng)階段，混凝土梁側(cè)產(chǎn)生的橫橋向作用力較小，尚在鋼梁和支座承受區(qū)間，但在地震力作用下，較大的地震力會(huì)對(duì)鋼梁側(cè)支座及鋼梁本體產(chǎn)生較大影響乃至破壞，故而，在協(xié)調(diào)裝置中需增加橫向協(xié)調(diào)退出機(jī)制，當(dāng)有較大地震力作用時(shí)，橫向協(xié)調(diào)裝置退出工作，保證鋼梁梁體及支座安全。混凝土梁支座也需增加地震力下的限位措施，防止橫向協(xié)調(diào)裝置退出工作后混凝土梁橫向傾覆[20]。

4 橫向位移協(xié)調(diào)裝置研究

鄭濟(jì)黃河特大橋所采用的位移協(xié)調(diào)裝置主要由位移協(xié)調(diào)榫、位移限制裝置、鋼桁梁端橫梁加勁、配套支座等組成。其中，位移協(xié)調(diào)榫安裝于混凝土梁側(cè)，位移限制裝置安裝于鋼桁梁端橫梁底部。位移協(xié)調(diào)裝置示意如圖9、圖10所示。

圖9 位移協(xié)調(diào)裝置示意

圖10 位移協(xié)調(diào)榫及位移限制裝置示意

位移協(xié)調(diào)榫采用鋼箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置加勁肋。位移限制裝置由限制裝置、剪力銷、摩擦副組成。

在正常運(yùn)營(yíng)情況下，通過(guò)箱形榫柱與位移限制裝置之間的作用，在滿足順橋向伸縮的功能(摩擦副功能)下，協(xié)同臨跨混凝土梁與鋼梁梁端的橫橋向變形。

同時(shí)，為保障地震作用下梁體的結(jié)構(gòu)安全及位移協(xié)調(diào)裝置使用的連續(xù)性，位移限制裝置設(shè)置退出工作機(jī)制。在頻遇地震工況下，位移限制裝置的內(nèi)置剪力銷破壞，滑動(dòng)摩擦副的萬(wàn)向柱頭與滑動(dòng)面間不再形成約束，位移協(xié)調(diào)榫可在兩個(gè)位移限制裝置間有限擺動(dòng)，從而，鋼桁梁與混凝土梁之間不再協(xié)同橫橋向變形。

配套對(duì)混凝土梁的支座布置進(jìn)行局部調(diào)整，將交界墩位置混凝土梁橫向固定支座均調(diào)整為橫向活動(dòng)支座。并且，由于在地震時(shí)橫向位移協(xié)調(diào)裝置退出工作，在配套支座上設(shè)置特殊的限位措施，以保障地震力作用下梁體不至過(guò)擺，保證梁體的安全性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋的梁端橫向相對(duì)位移影響進(jìn)行了分析及研究，并提出3種橫向相對(duì)位移控制方案。根據(jù)3種方案的分析數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論。

(1)通過(guò)在混凝土梁上設(shè)置與鋼梁材質(zhì)相同的鋼桿件來(lái)增加混凝土梁線路位置的溫度位移，從而減小兩種梁體的橫向相對(duì)位移差的方案可滿足橫向相對(duì)位移控制功能要求，但是，此方案易受到設(shè)置空間的制約，需要在設(shè)計(jì)之初預(yù)留足夠的作業(yè)空間。

(2)通過(guò)在鋼桁梁與混凝土梁交界位置設(shè)置位移協(xié)調(diào)裝置來(lái)減小梁體間的橫向相對(duì)位移，并配合調(diào)整混凝土梁支座布置，可有效滿足橫向相對(duì)位移控制兩階段的功能要求，此種方案實(shí)施的獨(dú)立性較高，并且控制性更優(yōu)。

鄭濟(jì)黃河特大橋采取的位移協(xié)調(diào)與配套裝置，有效地保證了無(wú)砟軌道線路在鋼桁梁橋與混凝土箱梁梁縫處的橫向穩(wěn)定，滿足了規(guī)范對(duì)線路橫向相對(duì)位移的要求，對(duì)今后類似工程具有積極的參考借鑒意義。