100m簡支鋼桁梁橋無縫線路伸縮力影響因素分析

陳飛

（中交通力建設股份有限公司蘇南分公司，江蘇常州 213002）

0 引言

簡支鋼桁梁橋鋪設無縫線路，平整穩定，可使交通安全性、行車舒適度得到良好保障，且后續軌道養護檢修工作量較小，現已成為主流趨勢，受到國內外研究人員和施工單位的高度重視，并對此類線路的梁軌相互作用規律、伸縮力影響因素展開大量研究。研究成果表明，無縫線路伸縮力受縱向水平剛度、橋梁結構跨數、線路阻力分布、結構支座形式等因素的影響較大，本文結合實際項目特征進行深入探究，以期使簡支鋼桁梁無縫線路設計更加科學高效。

1 100m 簡支鋼桁梁橋施工控制要點

1.1 鋼梁制造與安裝

簡支鋼桁梁橋的主要受力結構為鋼板，因此，應結合項目需求采購優質鋼板，使型鋼、下弦內側節點、輔助結構所用鋼板均滿足施工要求。在板塊劃分階段，主桁弦桿為整體節點結構，與腹桿相連接；橋面板采用梁板組合結構，鋼梁全橋面板縱向劃分為9 段，長寬為10.5m×4.5m，橫向不劃分。橋面板板件經過拼裝后進行焊接，剩余段與段間均利用高強度螺栓連接；在焊接階段，各段構件間的焊縫應控制得當，應在固定胎架上施工，并事先預熱，要求點固焊接不開裂，盡可能減少焊接變形現象，經過探傷檢測合格后才可開展后續施工。待全部焊接完畢后，對接焊縫應順著受力方向進行打磨，角焊縫則順著焊接方向進行打磨，使其表面光滑平整。在鋼梁制造后應按照規定要求在廠內拼裝，經審核合格后才可正式投入使用；箱梁安裝應確保拼裝沖釘的數量、規格符合標準，連接多采用高強度螺栓，橫縱焊縫優先選用單面焊雙面成型技術，鋼梁桿件長度、重量等方面也要滿足相關規定。

1.2 施工組織方案制訂

結合項目所在地周圍環境、工期要求，制訂多種施工組織方案，從中選出最貼合實際、最經濟適用的一種。部分橋梁工程臨近鐵路，現場施工范圍有限，經過研究，推薦使用異位拼裝、頂推橫移法，可有效解決施工難題，其控制要點如下：

一是采用汽車起重機由中間向兩側拼裝鋼桁梁，橋面板焊縫施工需要先焊接下弦桿，然后是橋面板橫向焊縫、縱向焊縫，最后拼接成一體。

二是拆除貝雷梁時，利用千斤頂將鋼桁梁移動到滑道梁上，再頂推鋼桁梁，使其移動到設計橋位，與相同橫梁上的千斤頂并聯，同時頂落。

三是滑道梁拆除，鋼桁梁需要支承在墩頂臨時支垛上，并將其落至標高，修整平面位置；安裝支座后，陸續拆除臨時墩以及其他附屬設施。

1.3 預拱度施工控制

在大跨度鋼桁梁橋施工中，受荷載影響，橋梁結構可能出現一定變形，影響軌道平順性與行駛安全。在設計階段多采用設置預拱度的方式，使橋面線形盡量符合線路設計，設計與施工相統一。在設計基礎上，由橋梁廠家生產拼裝、附屬鋪裝施工后得到預拱度，因涉及環節較多，施工應按照設計計算值控制，根據項目實際情況，把握100m 跨度簡支鋼桁梁橋預拱度施工要點。設計單位在數據計算與圖紙繪制期間，應注意核算各工序的荷載變化，制定合理的現場施工順序；在施工期間，還需要核對圖紙設定的荷載、預拱度等工況條件，如若發現偏差，應立即與橋梁結構設計師聯系，并結合實際修改相關數值，使偏差得到良好糾正。施工過程中，受項目統籌因素影響，應先將工序安排為：首先在支架上拼裝桁架，復核支座高度，平移桁架；其次進行鋼混橋面板施工，鋪設鋼軌；最后施工和檢修道路、欄桿、電纜支架等相關設施。

2 影響簡支鋼桁梁橋無縫線路伸縮力的因素探究

2.1 縱向水平剛度

2.1.1 剛度取值

該項目涉及的工況較多，如伸縮工況、撓曲工況、制動工況等，為了確定縱向水平剛度的數值，應結合各類工況特點，探究不同橋墩剛度對無縫線路受力的影響，以100m 簡支鋼桁梁墩為例，將鋼軌強度、梁軌間的相對位移作為控制指標進行取值。無論在何種工況下，鋼軌應力的計算公式均為：

式（1）中：N表示鋼軌應力；N1表示鋼軌縱向力；St表示鋼軌截面積。在該項目中，梁軌相對位移不受σt的影響，假設控制指標為4mm，當簡支鋼桁梁墩縱向水平剛度為1000kN/cm 時，相對位移為3.99mm，與要求的40mm 限值相符合[1]。

2.1.2 剛度與伸縮力、墩臺力之間的關聯

在相關參數固定的前提下，單純調整鋼桁梁墩的縱向水平剛度，探究不同剛度下，伸縮力、墩臺力之間的變化規律。根據曲線走向可知，水平剛度與伸縮壓力、伸縮拉力具有正比關系，但隨著剛度逐漸增加，提升幅度開始放緩；與墩臺力之間具有反比關系，且隨著剛度的增加，下降幅度開始放緩。究其原因，橋墩處水平剛度的增加使橋梁承受更多的約束，橋墩承擔的墩臺力提升，使橋墩位置獲得的墩臺力降低。在墩臺水平剛度為500kN/cm 的情況下，鋼軌的伸縮壓力為564.14kN，拉力為350.57kN；當剛度提高到1 萬kN/cm 時，伸縮壓力提高3%左右、拉力提升0.5%左右。根據上述變化規律可知，為了降低鋼軌伸縮力、合理控制墩臺受力程度，應嚴格控制橋墩的水平剛度，使其始終處于合理范圍。

2.1.3 剛度優化

常阻力扣件鋪設期間，在軌溫50℃條件下，梁橋水平剛度限值會高于單線橋臺，因此需要優化橋墩位置的水平剛度，可通過增設小阻力扣件的方式來實現。結合項目情況，在橋墩水平剛度為1400kN/cm 的情況下，需要對鋼桁梁布設小阻力扣件，此時在不同軌溫變化中，根據《鐵路無縫線路設計規范》（TB 10015—2012），對鋼軌強度進行檢驗和控制，檢驗公式如下：

式（2）中：σd表示動彎應力；σt表示鋼軌溫度應力；σf表示伸縮應力；[ ]σ表示容許應力；K表示安全系數；σs表示屈服強度。將項目相關數據代入式（2），便可得出軌溫幅度變化與溫度應力、鋼軌強度、伸縮應力之間的關聯。

2.2 橋梁結構跨數

2.2.1 鋼桁梁跨數

根據該項目的支座類型，適當調節鋼桁梁跨數，探尋不同跨數時鋼軌伸縮力的變化規律，如圖1所示。

圖1 跨數與伸縮力的變化規律

當鋼桁梁跨數增加時，鋼軌伸縮力隨之提升，但伸縮拉力逐漸降低；在跨數提高到8 后，各項參數變化幅度明顯縮小。在溫度逐漸升高時，橋梁朝著活動支座方向伸縮，因跨數逐漸增加，支座周圍鋼軌伸縮壓力加大，固定支座周圍的鋼軌伸縮力拉力降低。受扣件阻力限制，伸縮壓力的影響范圍較小，在跨數超過8 時，伸縮力的變化微乎其微，此時鋼軌伸縮壓力達到最高，與跨數為1 時相比增加45.26%?？梢?，在簡支鋼桁梁伸縮力研究中，如若跨數大于8，則只需分析跨數為8 時的相關指標即可；如若跨數小于8，則應對各個力進行綜合分析。

2.2.2 相鄰混凝土箱梁跨數

在支座形式固定的前提下，探究不同跨數下鋼軌伸縮力、墩臺力之間的關聯，如表1 所示。

表1 混凝土箱梁跨數與鋼軌伸縮力、墩臺力之間的關聯

根據表1 中數據可知，當箱梁跨數增加時，鋼軌伸縮壓力、伸縮拉力反而降低，且降低幅度逐漸放緩。對于鋼桁梁而言，與無箱梁相比，在跨數為1 時伸縮壓力降低15%左右，由此說明可采取在鋼桁梁兩側增設混凝土箱梁的方式，使伸縮壓力降低到合理范圍。當跨數由5 提高到8 時，箱梁墩臺力先降低1%左右，再提升1.1%左右。為了便于計算，當箱梁跨數大于5時，可按5 計算，如若小于5，則相鄰箱梁應綜合分析[2]。

2.3 線路阻力分布

該項目采用小阻力扣件，結合項目實際情況，提出以下四種線路阻力分布模式，使鋼軌縱向力得到有效調節。

模式一：將阻力扣件單純設置在鋼桁梁上。

模式二：將阻力扣件設置在鋼桁梁、相鄰1 跨箱梁上。

模式三：將阻力扣件設置在鋼桁梁、相鄰2 跨箱梁上。

模式四：將阻力扣件設置在鋼桁梁、相鄰4 跨箱梁上。

不同方案中鋼軌伸縮力、墩臺力不盡相同，具體如表2 所示。根據表2 中數據可知，阻力扣件設置在鋼桁梁上后，鋼軌的伸縮壓力、伸縮拉力均會降低。與常規布設模式相比，模式一下伸縮壓力下降約50%，伸縮拉力下降約35%；模式四下，伸縮壓力下降約60%，伸縮拉力下降約30%。由此說明在相鄰橋跨中，阻力扣件對鋼軌伸縮性能的干擾較小，且會改變鋼軌縱向力分布，使得在阻力扣件數量增加時，伸縮壓力、伸縮拉力均逐漸降低。

表2 阻力扣件布設與鋼軌伸縮力、墩臺力之間的關聯 單位：kN

2.4 結構支座形式

為了探究相鄰簡支箱梁約束形式對鋼桁梁伸縮力產生的影響，該項目在建設之前先提出以下四種結構支座的布設方案，如圖2 所示。不同方案的支座形式有所區別，與之對應的伸縮壓力、伸縮拉力也不盡相同。在方案1 中，伸縮壓力為572.63kN、伸縮拉力為352.96kN；方案2 的伸縮壓力為596.34kN、伸縮拉力為351.27kN；方案3 的伸縮壓力為578.63kN、伸縮拉力為375.46kN；方案4 的伸縮壓力為596.42kN、伸縮拉力為388.54kN。

圖2 支座布設方案

在四種布設方案中，相鄰支梁支座模式基本不會對鋼軌伸縮力產生較大影響，與方案2、4 相比，方案1、3 的最大伸縮壓力相對較小，且二者相近。究其原因，是因為右側簡支相連的固定支座方向與鋼桁梁支座方向相反。與方案2 相比，方案1 中伸縮壓力的最大值下降3%左右；與方案3 相比，方案1 的墩臺力下降23%左右。主要因為方案1 將相鄰相連的固定支座安裝到另一橋墩上，使墩臺水平力被分走一部分。該項目施工中，鋼桁梁相鄰簡支箱梁支座設置采用方案1 的形式，使其與簡支鋼桁梁支座布設形式相同，由此滿足各項力的要求，充分符合施工標準。

3 結語

綜上所述，鋼桁梁具有承載力強、跨度大、施工方便快捷等優勢，在簡支鋼桁梁無縫線路施工中，應充分考慮縱向水平剛度、橋梁結構跨數、線路阻力分布、結構支座形式對無縫線路伸縮力產生的影響，并牢牢把握施工控制要點，做好鋼梁制造與安裝、施工組織方案制訂、預拱度設定等工作，使橋梁工程更加安全穩定。