喬晉飛

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

鐵路橋梁的預(yù)拱度由兩部分組成：恒載預(yù)拱度和活載預(yù)拱度。活載預(yù)拱度是將軌道結(jié)構(gòu)隨梁體一同設(shè)置1/2靜活載的預(yù)拱度，列車經(jīng)過時軌面只產(chǎn)生一半的活載下?lián)狭?相對設(shè)計標(biāo)高)，使運營線路更加平順。實際高速鐵路混凝土梁式橋的軌道結(jié)構(gòu)是按照線路設(shè)計縱斷面進(jìn)行施工的，軌面并未平行與梁面設(shè)置活載預(yù)拱度。許多工程師提出高速鐵路混凝土梁式橋不應(yīng)再按照規(guī)范要求設(shè)置活載預(yù)拱度，只需設(shè)置恒載預(yù)拱度即可。原因是混凝土梁式橋的豎向剛度較普通鐵路梁式橋增大較多，混凝土梁式橋的體量相應(yīng)增大，活載產(chǎn)生的位移比恒載產(chǎn)生的位移小?；诖?，本文將列車荷載假設(shè)為靜荷載，不考慮其動效應(yīng)，對高速鐵路混凝土梁式橋的預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行深入的分析和探討，對是否設(shè)置預(yù)拱度提出建議，并對特大跨度橋梁預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行簡要分析。

1 規(guī)范中的預(yù)拱度設(shè)置要求及分析

鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范中關(guān)于預(yù)拱度的設(shè)置，TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]沿用了TB 10002.3—99《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定[2]：“當(dāng)橋跨結(jié)構(gòu)恒載及靜活載引起的豎向撓度大于15 mm或跨度的 1/1 600 時，應(yīng)設(shè)置其值為恒載和1/2靜活載撓度的預(yù)拱度”。目的是保證橋梁建成后梁體跨中(包括橋梁上的軌面)可維持半個活載撓度的上拱度，如圖1所示。列車經(jīng)過時橋梁及軌道只產(chǎn)生1/2靜活載的撓度，線路不會產(chǎn)生過大的下?lián)喜黄巾槨膫?cè)面觀察梁體也不會產(chǎn)生明顯的“塌腰式”下?lián)蟍3-4]，視覺上能給人安全感。

圖1 設(shè)置活載預(yù)拱度

一般梁式橋設(shè)置預(yù)拱度的目的主要是考慮視覺和心理上的感受[3-4]。因為列車上橋后，列車荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形量是客觀存在的，與是否設(shè)置預(yù)拱度無關(guān)，軌道結(jié)構(gòu)豎向變形幅度與橋梁結(jié)構(gòu)相同。TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[5]中對預(yù)拱度設(shè)置沒有專門的規(guī)定，過去的高速鐵路橋梁設(shè)計中均按照TB 10002.3—2005執(zhí)行。但TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]發(fā)布后，對TB 10002.3—2005中的預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行了修訂，具體規(guī)定如下：“有砟軌道的橋跨結(jié)構(gòu)恒載及靜活載引起的豎向撓度大于15 mm或跨度的 1/1 600，無砟軌道的橋跨結(jié)構(gòu)恒載及靜活載引起的豎向撓度大于5 mm時，橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，其曲線與恒載及1/2靜活載所產(chǎn)生的撓度曲線基本相同，但方向相反”。TB 10092—2017中，對有砟軌道橋梁與無砟軌道橋梁預(yù)拱度設(shè)置的前提條件進(jìn)行了區(qū)分，體現(xiàn)了對無砟軌道橋梁線形更為嚴(yán)格的要求。實際在梁式橋上鋪設(shè)線路時是按照線路設(shè)計縱斷面的標(biāo)高進(jìn)行鋪設(shè)的，線路的平順性與梁面的平順性沒有直接的關(guān)系。TB 10092—2017編制時是否有必要改變無砟軌道橋梁預(yù)拱度設(shè)置的前提條件值得商榷。

2 活載預(yù)拱度的作用

活載預(yù)拱度的作用是當(dāng)列車經(jīng)過時使軌面相對于設(shè)計標(biāo)高只產(chǎn)生一半的活載下?lián)狭?，保證運營線路更加平順，同時使梁體不產(chǎn)生明顯的下?lián)希o人以安全感。其實更主要的是出于后者的考慮，因為軌面的平順不是“絕對平順”，而是“動態(tài)平順”。只要列車經(jīng)過時軌面曲率在一定范圍內(nèi)，就能滿足列車運營安全性和旅客乘坐舒適性的要求。假設(shè)橋梁為剛體，軌道結(jié)構(gòu)按照設(shè)計的線路縱斷面鋪設(shè)(本文不考慮線路平面問題)，即軌面達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，列車經(jīng)過時軌面高程不會發(fā)生變化(實際軌面是會發(fā)生彈性變形的)，軌面始終保持在理想的設(shè)計位置，線路處于絕對平順狀態(tài)。實際上由于橋梁不是剛體，列車經(jīng)過時必然發(fā)生豎向撓曲變形，附著在橋面上的軌道結(jié)構(gòu)也會隨同橋面發(fā)生相應(yīng)的撓曲(主要指下?lián)?，如圖2所示。然而，即使設(shè)置了活載預(yù)拱度，也不能保證列車經(jīng)過橋梁時軌面處于絕對平順狀態(tài)。

圖2 不設(shè)置活載預(yù)拱度

3 軌道鋪設(shè)與活載預(yù)拱度設(shè)置的矛盾

由于實際軌道結(jié)構(gòu)施工時是按照線路設(shè)計縱斷面的標(biāo)高進(jìn)行施工的[7](特大跨度橋梁除外)，因此無論橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置了何種預(yù)拱度，軌道結(jié)構(gòu)施工時都通過道砟(有砟軌道)或底座板(無砟軌道)將軌面調(diào)整至設(shè)計標(biāo)高，軌面與梁面并不平行(特大跨度橋梁除外)。橋梁工程師設(shè)置的1/2靜活載預(yù)拱度并沒有真正體現(xiàn)在軌面上，反而減小了橋梁跨中道砟或底座板的厚度。因為軌面高程沒變，鋪軌前梁體已向上拱起，如圖3所示。列車經(jīng)過時軌面隨梁體下?lián)希壝娓叱唐x設(shè)計縱斷面位置，偏離量不是1/2靜活載的下?lián)狭?，而?倍靜活載的下?lián)狭?，說明活載預(yù)拱度對線路平順性沒有產(chǎn)生作用。不過實踐證明，這種線路隨梁體產(chǎn)生的動態(tài)撓曲變形量仍滿足高速鐵路列車運營安全性和旅客乘坐舒適性的要求。

圖3 軌面未設(shè)置預(yù)拱度

若只設(shè)置恒載預(yù)拱度，不設(shè)置1/2靜活載預(yù)拱度，列車經(jīng)過時軌面下?lián)狭颗c圖3中軌面下?lián)狭肯嗤彩?倍靜活載的下?lián)狭?，可以滿足運營要求。同時，此種方法還能避免出現(xiàn)圖3中跨中道砟或底座板太薄的問題，使道砟厚度與底座板厚度均能按照設(shè)計要求進(jìn)行施工，不必根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。 另外，高速鐵路ZK列車荷載圖式靜效應(yīng)與實際動車組靜效應(yīng)差別較大，實際動車組較輕，實車產(chǎn)生的靜活載撓度要比ZK靜活載撓度小得多。若按規(guī)范要求采用“恒載+1/2 ZK靜活載”設(shè)置預(yù)拱度，那么在實際工況中預(yù)拱度設(shè)計偏高。因此，許多高速鐵路梁式橋設(shè)計中均未設(shè)置活載預(yù)拱度，只是設(shè)置了恒載預(yù)拱度。理論分析及運營實踐均證明高速鐵路梁式橋不設(shè)置活載預(yù)拱度是可行的。

4 特大跨度橋梁預(yù)拱度的設(shè)置

對于特大跨度橋梁，如我國已建成的多座跨越長江的高速鐵路橋梁，其靜活載產(chǎn)生的撓度較大。橋梁設(shè)置恒載、活載預(yù)拱度后，橋面高程已高于設(shè)計軌面高程，線路鋪設(shè)時只能平行橋面鋪設(shè)，軌道結(jié)構(gòu)與梁體一同設(shè)置了活載預(yù)拱度。實踐證明，只要線路鋪設(shè)時滿足軌道靜態(tài)驗收標(biāo)準(zhǔn)中的平順性要求，橋梁動力仿真滿足規(guī)范要求，軌道鋪設(shè)時軌面是否隨同梁面一同設(shè)置預(yù)拱度，是否與線路設(shè)計高程完全一致，以及運營時線路高程隨同橋梁發(fā)生何種動態(tài)變形，都不會影響高速列車運營安全性和旅客乘坐舒適性。

5 結(jié)論

1)對于一般高速鐵路混凝土梁式橋，建議不設(shè)置活載預(yù)拱度。

2)是否設(shè)置活載預(yù)拱度，與靜活載產(chǎn)生的絕對位移量及靜活載撓跨比有關(guān)，建議作深化研究，在規(guī)范中明確設(shè)置活載預(yù)拱度的前提條件。

3)橋梁規(guī)范中有預(yù)拱度設(shè)置的規(guī)定，但線路規(guī)范并未與之相協(xié)調(diào)，導(dǎo)致不論橋梁是否設(shè)置活載預(yù)拱度，軌面施工時均未考慮。橋梁活載預(yù)拱度并未起到使運營線路更加平順的作用，建議線路規(guī)范中應(yīng)增加預(yù)拱度設(shè)置的規(guī)定，與橋梁規(guī)范相協(xié)調(diào)。