高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论及方法研究

高速铁路长大桥梁无砟轨道无缝线路设计理论及方法研究
刘晓博
摘要：近年来国内高速铁路建设高速发展，高速铁路建设技术已经从引进、消化、吸收走向再创新，逐步形成了一套具有自主知识产权的无砟轨道施工技术。

目前国外高速铁路因行车对线路、桥梁等土建工程的刚度要求严格，国外高铁桥梁中多以小跨度为主。

我国应用于高速铁路无砟轨道的大跨度桥梁种类多、结构形式复杂。

主要有混凝土连续梁、混凝土连续刚构、钢梁桥、组合体系桥梁、拱桥、斜拉桥等。

文章就针对这一问题展开重点论述。

关键词：高速铁路桥梁；无砟轨道；无缝线路设计；研究
引言
高速铁路上无缝道岔工况极其复杂，无缝道岔、无砟轨道、桥梁结构设计都存在诸多技术难点，成为当下制约高速铁路轨道工程的技术瓶颈。

而今，国内科研单位对桥上轨枕埋入式无砟轨道无缝道岔进行计算理论和设计方法研究，研究成果已经在武广高速铁路、沪宁城际铁路得到应用。

开展高速铁路桥上板式无砟无缝道岔设计研究不仅是为了解决工程中的技术难题，同时对于我国高速铁路桥上无缝道岔技术发展和进步也具有重大意义。

一、高速铁路长大桥上无砟无缝道岔结构组成和结构特点
1、结构组成
桥上底座纵连式无砟道岔结构自上到下由钢轨、扣件系统、道岔板、砂浆垫层、底座板、滑动层、硬泡沫塑料板、加高层、剪力齿槽、侧向挡块、摩擦板、端刺等组成，岔区轨道结构高度710mm。

2、结构特点
无砟轨道结构受桥面道床板、底座板自身刚度等以及轨道平顺性对挠度变形要求，无砟轨道大跨连续梁结构跨度一般不超过130m，钢箱拱梁跨度不超过140m。

有砟轨道桥面采用道渣铺垫，道床具有自身调节范围较大，适用跨度大。

百米大跨度无砟轨道桥梁受重力荷载、温度荷载影响变形大，线形控制困难。

我国高速铁路暂行规定要求不同工况横向挠度控制值为6mm，竖向挠度控制值10mm，实际工况因环境条件复杂，现场施工与设计存在差别，竖向挠度控制难以严格满足规范要求。

2.1桥梁线形受施工荷载变化。

在无砟轨道施工过程中，随着桥上施工荷载(轨道板、双块式轨枕、混凝土、CA砂浆、其他材料等)、二期恒载(钢轨、附属桥面系、水沟、电缆槽、电力通讯线杆等)、临时荷载(施工设备、风力、施工人员)、活载(列车运行荷载)等荷载的变化均会产生变形，因此在无砟轨道施工过程中应统筹考虑各期荷载对桥梁线形的影响。

2.2桥梁线形受温度荷载变化。

目前国内设计考虑温度荷载均是以梁体整体均匀温度变化计算对轨道工程的影响，计算梁体挠曲变形大部分能满足2mm轨道位移要求。

然而置于自然环境中的大跨度混凝土梁，受地理位置、太阳辐射条件、结构方位、气温、气候等环境条件变化的影响，结构处于复杂的热交换过程中，由此形成了复杂的结构物温度分布。

不均匀温度荷载产生的梁体形变才是现场施工及后期运营需要考虑的重点，特别是大跨度钢结构桥梁受不均衡温度变化产生的挠曲变形更加严重。

2.3轨道控制网布设困难。

无砟轨道施工精度控制的关键是高精度控制网的布设，无砟轨道的铺设必须建立轨道CPⅢ控制网，CPⅢ控制网点间线路方向距离50-60m，因此必须在不稳定的长大桥跨上布设CPⅢ控制点，不同时段、不同荷载下CPⅢ控制点的位置均不相同，因此完成CPⅢ控制网的测设成为制约无砟轨道施工的首要问题；Ⅰ、Ⅱ型板式无砟轨道在CPⅢ控制网建立的基础上还必须建立轨道GＲP基准控制网，GＲP点间距离6.5m，桥上受风振、CPⅢ控制点位不稳定、后期荷载影响，GＲP控制网测设、平差计算难以通过。

2.4轨道精度难以控制。

大跨度下CPⅢ、GＲP控制点点位不稳定，造成
控制点精度低甚至无法使用，只能使用边跨段控制点建站，同时由于梁跨中部受温度、活载等影响产生的桥梁自振，仪器无法在桥跨跨中部位建站，因此不可避免的需要延长单站测距，全站设站精度、测站间搭接误差难以保证。

Ⅰ、Ⅱ型板精调时，仪器必须架设在实时自振动的桥跨上，桥梁上轨道板铺设精度难以满足设计要求。

二、桥上无缝道岔计算模型和计算方法
针对桥上纵连底座板式无砟轨道无缝道岔的结构特点，将道岔、道岔板、底座板、梁体和墩台视为一个系统，建立“岔—板—板—梁—墩”一体化模型。

“岔—板—板—梁—墩”一体化计算模型考虑了道岔各钢轨件、间隔铁、限位器、道
岔板、底座板、桥梁、墩台、摩擦板、端刺、底座板与桥梁间的剪力齿槽的相互作用。

钢轨与道床板、道岔板与底座板、底座板与桥梁、底座板与摩擦板间的纵向相互作用阻力按非线性考虑。

在桥上纵连底座板式无砟轨道无缝道岔计算模型中，底座板与梁面间、台后底座板与摩擦板、扣件纵向阻力等参数具有明显的非线性特征。

根据以上计算模型建立的桥上纵连底座板式无砟轨道无缝道岔纵向力计算非线性有限元力学平衡方程，可采用相应的非线性方程组数值求解方法进行计算。

经计算分析，底座板与桥梁间摩擦系数、底座板刚度折减系数对计算桥上无缝道岔受力和变形影响较大。

三、底座结构设计方法
底座混凝土板是桥上无砟轨道无缝道岔系统的主要受力构件，基于开裂后钢筋混凝土刚度折减理念，按轴向拉压杆件采用极限状态法进行力学计算和结构设计。

底座板主要检算内容和方法包括:
1、不同工况轨道系统检算。

考虑结构自重、预应力、桥墩不均匀沉降、桥墩扭曲变形、温度、混凝土徐变和收缩、列车活载等荷载以及不同荷载组合，进行扣件上拔力检算，底座抗弯、抗剪及疲劳检算，高强度挤塑板检算。

2、轴向受压检算。

考虑温度荷载作用下轨道屈曲稳定性检算。

3、轴向受拉检算。

考虑底座板开裂后，不同的刚度折减及不同的摩擦系数，进行单线底座板作用下拉力计算，降温荷载下底座板和钢轨拉力计算，轨道板与底座板温差及混凝土收缩荷载下底座板拉力计算，以及制动荷载下底座板拉力计算。

4、根据计算得出的底座板可能承受的最大轴向拉力等设计荷载，按轴向拉压杆件采用极限状态法进行配筋设计。

四、无砟轨道无缝线路施工技术措施
无砟轨道对结构的变形要求极为严格，参照相关设计规范，无砟轨道铺设桥梁徐变上拱值不大于10mm，下挠值不大于20mm。

施工过程中大跨度无砟轨道桥梁产生挠曲变形的主要因素有混凝土收缩徐变、温度荷载、施工荷载、恒载等影响。

成桥后产生挠曲变形的主要影响因素有后期活载、温度荷载、长期的冲击荷载等。

因此如何在施工过程中能够确保成桥线形满足照设计要求，在成桥后轨
道平顺性能够满足高速列车运行不产生病害成为施工阶段研究的主要问题。

1、预留拱度
不论采用何种施工方法，桥梁结构在施工过程中总要产生变形，结构的变形受多重因素影响，极易造成成桥线形与设计要求不符。

无砟轨道对轨道平顺性要求极高，为保证高速列车平稳运行和乘坐舒适度，大跨梁体无砟轨道施工时更需设置一定的预拱度，预拱度的设置要综合考虑各种情况，如列车冲击荷载、Ⅱ期恒载、后期徐变等。

预拱度按实际列车、单线、全桥均布荷载进行计算和拟合，得出轨道设计线形。

2、控制网测设措施
大跨度桥梁无砟轨道控制网测设困难主要由于桥梁受多重荷载(重力、温度、徐变等)的影响，点位在不断变化，测量工作难以开展，点位成果无法使用。

从目前多条客专施工经验来看，目前多采取的措施有2类:一是根据不同的工况、不同的环境条件，保证大网不变，实时更新桥梁局部控制网成果；二是将长大桥跨上的轨道控制点作为过渡点，仅作为大网平差的过渡，现场施工不采用其成果。

结束语
未来，随着我国高速铁路建设技术的进一步积累，设计单位如何采用新材料改变大跨桥梁自身刚度，涂装新涂料使梁体温度变化均衡以及超前设计运营后的长期梁体徐变拱度，从而提高长大桥梁无砟轨道耐久性，确保轨道平顺性成为未来长大桥梁无砟轨道设计发展的方向。

参考文献
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