高速铁路大跨度无碴轨道桥梁支座斜置研究与应用

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摘要：本文采用数据计算和对比，研究分析了高速铁路大跨度无喳轨道桥梁的支座设置方法，通过工程实例应用表明采用梁端活动支座斜置既能减少梁端竖向相对位移又能确保桥梁结构受力安全。

关键词：无砟轨道；支座；斜置；相对位移

大跨度连续梁、连续刚构桥梁已经成为新建高速铁路无碴轨道桥梁中的常见桥型。然而山区高速铁路大跨度桥梁往往纵坡较大，无碴轨道桥梁梁缝两侧钢轨支承点间的竖向相对位移很难满足现行规范容许的最大限值。这也是我国早期运营的无碴轨道桥上轨道板容易出现病害的主要原因之一。因此探讨在设计过程中如何有效控制梁缝两侧钢轨支承点间的竖向相对位移迫在眉睫。

1.坡道上桥梁支座常规设置方式

目前支座常用的种类公路桥梁上主要有：板式橡胶支座、盆式橡胶支座，铁路桥梁上主要有：盆式橡胶支座、圆柱面钢支座、球形钢支座等。【1】

板式橡胶支座一般适用于跨径较小的公路板梁，支座容许承载力低，盆式橡胶支座和钢支座一般适用于支座容许承载力较大的T梁或者箱梁。综合我国公路桥涵设计规范和公路桥梁、铁路桥梁设计理念表明：只有对于某些跨径较小采用板梁结构的公路桥梁板式橡胶支座，当桥梁纵向坡度不超过1%且桥梁横向坡度不超过2%时才容许直接将板式橡胶支座斜置于墩帽上了【2】。对于桥梁坡度较大的板式橡胶支座和承受竖向荷载较大的盆式橡胶支座、圆柱面钢支座、球形钢支座无论桥梁坡度是否小于1%都应在梁底面设置调平钢板或者设置混凝土契形块来保证支座水平放置。

2.高速铁路大跨度无碴轨道桥梁支座斜置的必要性

高速铁路为了满足铁路选线的需要和节省工程投资，桥梁位于大坡度上是不可避免的，尤其对于山区高速铁路最大坡度可以达到30‰。而这些地段为了跨越河流、峡谷、高等级道路等，也不乏大跨度的连续梁、连续刚构桥。

对于设有纵向坡度的无碴轨道桥梁，应考梁体纵向伸缩引起的梁缝两侧钢轨支承点竖向相对位移对轨道结构的影响【3】。理论研究和实践表明：梁缝两侧钢轨支承点的竖向相对位移（以下简称为竖向相对位移）会分别产生对钢轨的“上拔”和“下压”作用，当竖向相对位移大于1mm时会导致钢轨与下垫板脱开或者下垫板承受压力过大而被压坏，最终导致桥上无碴轨道的局部隆起。因此我国铁路规范规定：无碴轨道桥梁梁缝两侧钢轨支承点间的竖向相对位移不应大于1mm。

按照传统的支座设置方式，当支座水平放置时梁缝两侧钢轨支承点间的竖向相对位移在忽略支座弹性压缩变形的情况下，本质上是由于坡道上的桥梁活动支座水平位移S引起的垂直于梁面的竖向分量Sy（见图1）与桥梁梁端转角引起的竖向位移之和。按照最不利情况考虑，当某桥墩上相邻一孔梁体端部设置固定支座且没有列车荷载时，竖向相对位移的计算方法可以用直接用被研究梁体梁端的竖向绝对位移值来代替。（见图2）

因此无碴轨道桥梁梁端竖向相对位移的最不利值的计算方法为：S总=S1+（S2+S3+S4）×i

公式中：S总―被研究桥跨梁端竖向位移；S1―列车活载作用下梁端转角引起的梁端竖向位移；S2―整体升温或者降温引起的梁端纵向位移；S3―桥面铺轨后由于收缩徐变引起的梁端残余纵向位移；S4―列车活载作用引起的梁端纵向位移；

i― 桥梁坡度。

公式中（S2+S3+S4）×i就是计算梁端水平位移引起的垂直于梁面的竖向分量Sy。

从以上公式可知当桥梁纵向坡度i越大，被研究桥跨梁端竖向位移 S总就会越大。如果将梁端活动支座斜置梁体纵向位移（S2+S3+S4）在垂直于梁面上就没有竖向分量（见图3），相当于梁于平坡上，这样可以大大减少梁端竖向位移值S总。

3.工程应用实例

3.1概述

我公司2006年完成施工图设计的郑西高铁陕县特大桥全长11318.43m，主桥18号～21号墩之间采用（56+96+56）m连续梁跨越G30连霍高速公路，主桥位于-20‰的下坡上，全桥采用矩形实体桥墩，桩基础，梁体采用悬臂法施工，桥梁设计立面布置如下图4

3.2 梁体设计基本情况

（1）本连续梁采用单箱单室变高度变截面箱梁，梁体全长212.2m，支座距离梁端为0.7m，主跨跨中10m梁段和边跨端部15.1m梁段为等高梁段，梁高为4.7m；中支点附近6m处梁高为7.7m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线Y=4.7+X2/533.33m变化，梁体采用C55混凝土。（2）箱梁顶板宽13.4m，箱宽6.7m；全桥顶板厚45cm；底板厚度：一般截面底板厚度为45cm，在梁端采用90cm等厚，0号块底板加厚至180cm，底板厚度渐变段采用抛物线形式过渡；腹板厚度：除在梁端及0号块内采用75cm，一般截面采用40cm，渐变段采用直线过渡。（3） 顶板及腹板钢束采用12-7φ5，底板采用16-7φ5 ，张拉应力除少部分钢束采用1280MPa外，其余均采用1320MPa。（4）采用midas civil 6.71建立全桥三维受力模型进行计算。列车荷载采用“ZK荷载”，二期恒载采用150kN/m，支座沉降差按照10mm考虑。计算模型中假设梁体合拢后60天铺设无碴轨道，荷载组合考虑恒载、主力、主力+附加力三种常见工况组合，相关计算参数的取值和荷载组合方式按照铁路桥梁相关设计规范办理。

3.3支座布置方式研究

（1）支座布置方式

本桥在下坡端主墩20号墩上设置固定支座，18、19、21号墩上设置活动支座，有关支座采取水平放置还是倾斜放置在设计过程中研究了以下三种方案（如表1），

（3）不同支座布置方式对支座受力影响的分析

根据mida计算程序在恒载，主力、主力+附加力三种主要控制工况下输出的支座竖向反力，整理输出结果如下表3。表中Nmax、Nmin分别表示桥梁支座竖向最大最小反力。

根据力的平衡原理，当支座倾斜放置时斜支座的轴向反力会引起梁体固定支座产生水平力，以19号、20号两主墩水平放置，18号、21号边墩支座倾斜放置为例，梁体受力示意图如下图5所示。（图中G表示梁体自重，F18～F21表示梁体承受的支座反力，F18x～F21x、 F18y～ F21y分别表示梁体承受 支座反力的水平和竖向分力。

在不考虑列车制动力等外部水平荷载的情况下，以上这些支座轴向反力所产生的水平分量引起20号墩固定支座承受的水平力计算汇总如下表4：

（4）设计推荐采用支座布置方式

本桥20号主墩固定支座设计容许承载力为40000KN，方案二固定支座承受的水平力占容许承载力的4.7%，方案三固定支座承受的水平力占容许承载的1.3%，固定支座能承受的水平力一般为竖向容许承载的15～30%。而方案三只有1.3%，因此方案三对于主墩固定支座来说是具有足够安全系数的。

设计过程中既要考虑梁端竖向位移不能超过规范值，又要兼顾尽量让固定支座在常规受力状态小承受较小的水平力，方案一水平位移为0，但是梁端竖向位移超限，方案二和方案三梁端竖向位移相同，数值都很小，但是方案二较方案三承受的支座水平力大得多，因此推荐采用方案三的支座布置形式。

（5）本桥的施工和运营情况

本桥梁体施工过程和支座安装顺利，该高铁已于2010年已正式投入运营，本桥使用状况良好，未见任何病害。

（6）本桥的建设所取得的成果

本桥采用梁端活动支座斜置为当时在国内高速铁路无碴轨道桥梁设计中首次尝试采用，通过本桥支座斜置的成功经验和技术总结，在最新版的《高速铁路设计规范》TB 10621―2009第7.3.2条和条文解释中已经明确提出：大坡度上的无碴轨道桥梁必要时活动支座可以按照坡道上梁的坡度设置。这种创新―总结―形成规范―再指导应用的高速铁路技术发展模式值得在业内继续推广。

4.类似工程设计过程中应注意的问题

本桥的设计经过理论研究和实践证明采用支座斜置能有效的减少梁端竖向位移值，但是设计过程还得注意采用主墩支座水平放置边墩支座倾斜放置时，在梁体伸长和收缩过程中，会间接造成主墩活动支座有向上和向下移动的趋势，对于本案例中第19号墩，当梁体伸长时梁对支座有向上拔的趋势这时候要防止支座脱空，当梁体缩短时梁对支座有向下压的趋势，这时候会加剧梁体对主墩活动支座向下的竖向压力，对于结构受力等效支座沉降变形的效果。本案例中由于预应力混凝土梁体自重和二期恒载之和相对于梁体竖向刚度来说较大，梁体19号墩支座反力大，支座不会出现脱空现象，当梁体收缩时按照几何关系计算得出等效的支座沉降值为1.3mm远小于设计计算考虑的支座不均匀沉降值10mm，因此结构受力也是安全的。但是对于某些自重和二期恒载之和相对于梁体竖向刚度较小的桥梁在采用边墩活动支座斜置时应进一步分析验算确保主墩活动支座不脱空和考虑等效支座沉降后结构的受力安全。

5.结论

通过以上分析表明在设计过程中无论公路桥还是铁路桥梁都应尽量采用支座水平放置来改善支座的受力状态，使支座以承受竖向压力为主，减少支座的磨损，延长支座使用寿命。

当大跨度无碴轨道桥梁梁体纵向坡较大时，梁端竖向相对位移很容易超过规范容许的最大限值，此时应采用将边墩活动支座倾斜放置，主墩固定和活动支座都水平放置的特殊支座布置形式，这样既能减少无碴轨道病害又能确保桥梁体结构和支座安全，

参考文献

1.周剑光，丁汗山。桥梁支座类型及其应用[M]，四川建筑，2006年4月，第26卷2期

2.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62―2004

3.《高速铁路设计规范》TB 10621―2009及其条文说明。