本發(fā)明涉及高墩大跨混凝土橋梁技術領域，特別涉及一種高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度控制方法及橋梁。

背景技術：

《高速鐵路設計規(guī)范》(tb10621-2014)規(guī)定了位于有砟軌道無縫線路固定區(qū)的混凝土簡支梁的墩臺頂部縱向水平線剛度限值，該規(guī)范針僅僅對常用跨度簡支梁進行了規(guī)定。橋墩縱向線剛度主要需要考慮無縫線路軌道穩(wěn)定及強度的要求，不采取特殊措施的條件下，無縫線路軌道穩(wěn)定和強度等指標是控制橋墩縱向線剛度的主要因素。

對于橋墩墩臺，鐵路橋涵基本規(guī)范只規(guī)定了墩臺順橋方向的彈性水平位移應滿足橋梁跨度平方根的5倍的限值要求，并未做其他特殊規(guī)定。而高墩大跨橋梁的橋墩剛度、結構形式與基本規(guī)范的規(guī)定有顯著不同，所以，該規(guī)定并不適應高墩大跨橋梁。而且，在橋梁實際建造過程中，橋墩線剛度的要求比墩臺順橋方向的彈性水平位移更嚴格，因此，如何控制橋墩線剛度成為建造橋梁過程中的關鍵因素。

本發(fā)明中所指的高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋是指橋墩高度50m以上，跨度100m以上的混凝土連續(xù)剛構橋。由于高墩大跨橋梁具有墩高較高、跨度(溫度跨度)較大的特點，并且，高墩大跨橋梁結構間構造差異存在較大的懸殊性，橋址地段的自然環(huán)境條件也存在復雜、多變的特性，在高墩大跨剛構梁上鋪設無縫線路后，橋上無縫線路的受力變形、橋梁結構的受力變形及線橋之間的相互影響也比較復雜，因此，必須對橋梁橋墩的縱向剛度進行控制，使其滿足使用要求。

在計算剛構橋上無縫線路相關內容時需要用到剛構墩的縱向水平剛度值，現有技術中，并沒有相關方法及規(guī)范要求對高墩大跨混凝土橋梁的剛構墩縱向剛度限值進行規(guī)定，橋梁結構在自然風場、溫度場等多場影響下，橋梁結構及無縫線路受力變形規(guī)律不為所知，高墩大跨橋橋上無縫線路的設計存在較大難度，而且，連續(xù)剛構橋梁與連續(xù)梁體系不同，兩個橋墩與梁體固結，形成框架體系，與連續(xù)梁墩梁分離的體系顯著不同，因此，如何控制縱向剛度成為高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋建設過程中的重要因素。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于：針對現有技術中難以對高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度進行有效控制及確定限值范圍，導致在建造高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋時，存在橋梁縱向剛度難以滿足車橋耦合動力特性的要求，以及橋上無縫線路軌道穩(wěn)定及強度要求的問題，提供一種高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度控制方法及橋梁，該縱向剛度控制方法通過建立模型，并對橋梁施加模擬載荷，通過對梁軌作用力及無縫線路受力變形規(guī)律的分析，得到橋梁固定墩的縱向剛度限值，從而進一步確定梁形布置及固定墩的剛度，解決了現有技術中難以控制高墩大跨連續(xù)剛構橋縱向剛度的問題，填補了高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋在縱向剛度控制領域的空白。同時，該高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋提供了不同跨度下的梁形布置形式、最小線剛度和軌道處理措施，建立了高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋縱向線剛度限值的規(guī)范標準，為橋梁設計和建造提供了參考和依據，從而降低了設計成本，并使實際建造的橋梁滿足其特定的使用環(huán)境。

為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：

一種高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度控制方法，包括以下步驟：

a、建立線橋墩一體化計算模型，并將剛構墩簡化為固定支座對應獨立橋墩的方式；

b、檢算在不同工況條件下軌道的強度和穩(wěn)定性；

c、施加載荷，對連續(xù)剛構橋施加不同荷載，并檢算各載荷對無縫線路受力變形的的影響情況，所述載荷包括風載荷、溫度載荷和基礎沉降產生的載荷；

d、確定剛度限值，采用有限單元法分析梁軌相互作用力及相互位移，進行數值求解，確定固定墩縱向剛度限值；

e、確定梁形布置類型及軌道處理措施，根據連續(xù)剛構橋的跨度得到其名義溫度跨度，并根據該名義溫度跨度和軌溫變化幅度，確定梁形布置類型，并確定固定墩縱向剛度限值及軌道處理措施。

步驟a中的線橋墩一體化計算模型中的鋼軌為多根鋼軌，且連續(xù)剛構橋為橋梁對稱布置。

由于連續(xù)剛構保持了連續(xù)梁的多種優(yōu)點，結構剛度大，變形小，動力性能好，主梁變形撓曲線平緩，有利于高速行車，而且連續(xù)剛構橋的墩梁固接節(jié)省了大型支座的昂貴費用，減少了墩及基礎的工程量，同時，連續(xù)剛構橋能改善其結構在水平荷載(例如地震荷載)作用下的受力性能。雖然連續(xù)剛構橋具有這些良好的使用性能，但在計算剛構橋上無縫線路相關內容時需要用到剛構墩的縱向水平剛度值，而剛構墩的縱向剛度值使難以控制和計算的，本方案通過將剛構墩簡化為固定支座對應橋墩的方式，使簡化后的剛構橋剛度控制和計算比較簡單，并且能形成比較通用的計算程序。

目前，由于有限元方法的大力發(fā)展和成熟應用，在高墩大跨橋計算模型中根據墩身結構和梁體形式，建立精確的橋梁有限元模型，應用有限元模型進行模擬分析、測試，得到相關計算數據及影響規(guī)律，從而為橋梁的縱向剛度控制提供可靠的分析、計算基礎。

通過建立線橋墩一體化計算模型，并對橋梁模擬施加多種載荷，通過對梁軌作用力及無縫線路受力變形規(guī)律的分析，得到橋梁固定墩的縱向剛度限值，從而進一步確定梁形布置方式及固定墩的剛度，解決了現有技術中難以控制高墩大跨連續(xù)剛構橋縱向剛度的問題，填補了高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋在縱向剛度控制領域的空白。該方法使高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度得到有效控制，使修建的橋梁在實際運用時，不僅滿足高速鐵路設計規(guī)范對橋梁結構的縱橫向控制標準，而且還保證橋梁滿足車橋耦合動力特性的要求，以及橋上無縫線路軌道穩(wěn)定及強度的要求，為橋梁的設計及建造提供依據和參考。

連續(xù)剛構橋的溫度跨度是指剛構橋兩端的伸縮量與橋梁溫度變化量、橋梁材料的膨脹系數的積之比，由定義可以看出，剛構橋梁的溫度跨度不僅隨著橋梁溫度的變化量有關，還與剛構墩的剛度有關，因此給定一座特定跨度的鋼軌橋梁，只有在剛構墩的剛度確定時才能唯一確定剛構橋的溫度跨度，因此根據連續(xù)剛構橋的跨度得到的溫度跨度范圍值并非準確的溫度跨度值，而是為了計算方便，采用名義溫度跨度，該名義溫度跨度值為主跨的一半與邊跨總長(可以認為是剛構墩剛度接近于零時的數)。

高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋包括有砟軌道和無砟軌道兩種，分別在有砟軌道、無砟軌道的前提下，基于多種工況條件計算的結果，得到不同軌溫變化幅度、不同名義溫度跨度條件下的橋墩縱向水平剛度最小值及為滿足鋪設橋上無縫線路需要采取的措施等。

優(yōu)選的，所述步驟b中，多種工況條件包括伸縮工況、制動工況、扭曲工況和斷軌工況。基于伸縮工況、扭曲工況、列車制動工況以及斷軌工況計算的結果，可以得到不同軌溫變化幅度、不同名義溫度跨度條件下的橋墩縱向水平剛度最小值，以及為滿足鋪設橋上無縫線路需要采取的措施等，從經濟、美觀等角度考慮，確定出橋梁的臨界名義溫度跨度及當橋跨較大時為鋪設橋上無縫線路采取的措施。

優(yōu)選的，所述步驟c中，具體包括以下步驟：

c1、檢算在風載荷作用下的軌道不平順矢度；

c2、檢算橋墩的縱向溫度梯度載荷對無縫線路縱向受力情況；

c3、檢算由基礎沉降造成的橋墩縱向偏轉對線路平順性的影響情況。

所述c1～c3各步驟無特定次序要求。

風載荷包括縱向風載荷和橫向風載荷，在縱向及橫向風荷載作用下，雖然線路的強度及穩(wěn)定受到的影響比較小，但是其對線路的不平順有影響，在風荷載比較大時，特別需要單獨檢算由于風荷載作用下的軌道不平順矢度。

溫度荷載中，橋墩的縱向溫度梯度荷載較大時會大幅度增加無縫線路縱向受力，這不僅對鋼軌強度產生影響，而且也對線路的穩(wěn)定性均產生不利的影響，因此必須進行考慮和檢算。

基礎的沉降造成的橋墩縱向偏轉會對無縫線路造成較大的影響，使得軌向不平順，易導致線路平順性超限，但是由沉降造成的橫向偏轉對鋼軌的受力及線路穩(wěn)定性不會造成過大的影響?；A的均勻沉降及不均勻沉降在規(guī)范規(guī)定的限值內會造成鋼軌附加力的增加及線路穩(wěn)定性的小幅度降低，但是容易造成軌道不平順超限。

優(yōu)選的，所述步驟d后增加步驟d′：改變連續(xù)剛構橋的結構，提高其縱向剛度。橋墩的縱向剛度，雖然主要基于無縫線路檢算要求，但通過改變改變連續(xù)剛構橋的結構形式，能有效增加橋梁自身結構的安全性。

優(yōu)選的，所述步驟d′中，包括將連續(xù)剛構橋的主梁設置為連續(xù)梁體和薄壁橋墩固結的方式。

連續(xù)剛構橋綜合了連續(xù)梁和t型剛構橋的受力特點，將主梁做成連續(xù)梁體與薄壁橋墩固結，其梁部結構的受力性能如同連續(xù)梁一樣；隨著墩高的增加，薄壁橋墩對上部梁體的嵌固作用愈來愈小，逐步蛻化為柔性墩的作用。

優(yōu)選的，所述步驟d′中，還包括將連續(xù)剛構橋的橋墩設置為雙薄壁墩。在跨徑大而墩高度小的連續(xù)剛構橋中，由于體系溫度的變化，混凝土收縮等將在墩頂產生較大的水平位移，連續(xù)剛構橋常采用水平抗推剛度較小的雙薄壁墩，能有效減少水平位移在剛構墩中產生的彎矩。

優(yōu)選的，在所述斷軌工況下計算鋼軌斷縫值，考慮鋼軌本身的溫度變化產生的基本溫度力，以及由于橋梁溫度變化產生的鋼軌伸縮附加力，所述鋼軌本身的溫度變化取最低軌溫與鎖定軌溫的差值。

鋼軌斷縫值的計算關系到行車安全及是否需要采用伸縮調節(jié)器，將其作為橋上無縫線路設計的核心內容進行計算，對控制橋梁縱向剛度，從而保證行車安全具有重要作用。在鋼軌最大降溫幅度及存在伸縮附加力的情況下，若一根軌條折斷，相鄰軌條會通過限制墩頂縱向位移而阻止鋼軌斷縫的繼續(xù)擴大，這種多根鋼軌-橋梁-墩臺一體化的計算模型，用于計算橋上無縫線路鋼軌斷縫值與實際情況是吻合，計算的模型就是采用這種多跟鋼軌-橋梁-墩臺一體化的計算模型，因此模型中應該考慮鋼軌本身的溫度變化產生的基本溫度力以及由于橋梁溫度變化產生的鋼軌伸縮附加力，斷軌位置依據規(guī)范設定在伸縮力附加力最大位置處，同樣也是制動/啟動力起點位置處，在計算中所選取的鋼軌降溫幅度為最低軌溫與鎖定軌溫的差值。

對應地，本發(fā)明還提供了一種高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋為有砟軌道，根據上述所述的縱向剛度控制方法得到的高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋的固定墩縱向剛度限值與不同的溫度跨度、軌溫變化幅度和適應梁型布置對應，并采取相應的軌道處理措施，具體對應關系滿足下表：

對于有砟軌道剛構橋上無縫線路各種工況下的計算結果與墩臺剛度的取值相關性較大，高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度采用上述限值進行選值，使不同跨度的剛構橋的橋墩剛度選用更加合理化、科學化，一方面可以保證線路的安全，另一方面也可以節(jié)約工程投資。

對應地，本發(fā)明還提供了一種高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋為無砟軌道，根據上述所述的縱向剛度控制方法得到的高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋的固定墩縱向剛度限值與不同的溫度跨度、軌溫變化幅度和適應梁型布置對應，并采取相應的軌道處理措施，具體對應關系滿足下表：

對于無砟軌道剛構橋上無縫線路各種工況下的計算結果與墩臺剛度的取值相關性較大，高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度采用上述限值進行選值，使不同跨度的剛構橋的橋墩剛度選用更加合理化、科學化，一方面可以保證線路的安全，另一方面也可以節(jié)約工程投資。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

1、通過建立模型，并對橋梁模擬施加載荷，通過對梁軌作用力及無縫線路受力變形規(guī)律的分析，得到剛構橋梁固定墩的縱向剛度限值，從而進一步確定梁形布置方式及固定墩的剛度，解決了現有技術中難以控制高墩大跨連續(xù)剛構橋縱向剛度的問題，填補了高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋在縱向剛度控制領域的空白；

2、通過分析滿足線路穩(wěn)定性及車橋耦合動力的縱向剛度，使高墩大跨混凝土連續(xù)梁橋的縱向剛度得到有效控制，使修建的橋梁在實際運用時，不僅滿足高速鐵路設計規(guī)范對橋梁結構的縱橫向控制標準，而且還保證橋梁滿足車橋耦合動力特性的要求，以及滿足橋上無縫線路軌道穩(wěn)定及強度的要求，使橋梁在工作中處于安全狀態(tài)，并保證車輛行駛平穩(wěn)、安全和舒適，為橋梁的設計及建造提供依據和參考；

3、通過限定了高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋在不同的溫度跨度情況下的固定墩縱向剛度限值和軌道處理措施，為設計和建造高墩大跨混凝土連續(xù)梁橋提供設計依據和參考數據，從而節(jié)省了大量的設計工作，縮短了工期，節(jié)約了成本，并且保證橋梁建成后滿足安全性、穩(wěn)定性和舒適性要求。

附圖說明：

圖1為剛構橋布置示意圖。

圖2為連續(xù)剛構與連續(xù)梁橋的鋼軌伸縮力的比較曲線圖。

圖3為連續(xù)剛構與連續(xù)梁橋的鋼軌撓曲力的比較曲線圖。

圖4為連續(xù)剛構與連續(xù)梁橋的鋼軌制動力的比較曲線圖。

圖5為連續(xù)剛構與連續(xù)梁橋的鋼軌斷軌時鋼軌位移的比較曲線圖。

圖6為連續(xù)剛構橋斷軌位置的鋼軌縱向位移曲線圖。

圖7為橋墩剛度與斷縫關系曲線圖。

圖8為橋梁總長與斷縫關系曲線圖。

圖9為實施例2中剛構橋梁布置的結構示意圖。

圖10為剛構橋名義溫度跨度與鋼軌伸縮附加力之間的關系曲線圖。

圖11為梁軌快速相對位移與橋墩剛度關系曲線圖。

圖12為剛構橋墩剛度為500kn/cm.雙線的橋梁總長與梁軌快速相對位移關系曲線圖。

圖13為剛構橋墩剛度為2000kn/cm.雙線的橋梁總長與梁軌快速相對位移關系曲線圖。

圖14為有砟軌道橋墩軌溫變化50℃時鋪設常阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖15為有砟軌道橋墩軌溫變化40℃時鋪設常阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖16為有砟軌道橋墩軌溫變化30℃時鋪設常阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖17為有砟軌道橋墩軌溫變化50℃時鋪設小阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖18為有砟軌道橋墩軌溫變化40℃時鋪設小阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖19為有砟軌道橋墩軌溫變化30℃時鋪設小阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖20為無砟軌道橋墩軌溫變化50℃時主橋鋪設常阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖21為無砟軌道橋墩軌溫變化40℃時主橋鋪設常阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖22為無砟軌道橋墩軌溫變化30℃時主橋鋪設常阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖23為無砟軌道橋墩軌溫變化50℃時主橋鋪設小阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖24為無砟軌道橋墩軌溫變化40℃時主橋鋪設小阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖25為無砟軌道橋墩軌溫變化30℃時主橋鋪設小阻力時最小剛度值的變化曲線圖。

圖26為高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度控制方法的步驟流程圖。

具體實施方式

下面結合試驗例及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內容所實現的技術均屬于本發(fā)明的范圍。

實施例1

如圖26所示，高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度控制方法，包括以下步驟：

a、建立線橋墩一體化計算模型，并將剛構墩簡化為固定支座對應獨立橋墩的方式；

b、檢算在不同工況條件下軌道的強度和穩(wěn)定性；

c、施加載荷，對連續(xù)剛構橋施加不同荷載，并檢算各載荷對無縫線路受力變形的的影響情況，所述載荷包括風載荷、溫度載荷和基礎沉降產生的載荷；

d、確定剛度限值，采用有限單元法分析梁軌相互作用力及相互位移，進行數值求解，確定固定墩縱向剛度限值；

e、確定梁形布置類型及軌道處理措施，根據連續(xù)剛構橋的跨度得到其名義溫度跨度，并根據該名義溫度跨度和軌溫變化幅度，確定梁形布置類型，并確定固定墩縱向剛度限值及軌道處理措施。

首先建立線橋墩一體化計算模型，考慮到高墩結構的復雜性和非線性，擬采用有限元方法在通用有限元軟件ansys中建模分析，采用beam188單元模擬梁體、橋墩及鋼軌，combin39模擬線路縱向阻力，建模過程中的鋼軌采用60kg/m鋼軌的截面，同時，為更真實的模擬現實狀態(tài)，保證橋上無縫線路處于固定區(qū)，在左右橋臺外側各建100米的路基。

有限元模型的各部分的參數選取：鋼軌，采用中國的標準60kg/m的鋼軌，截面面積為77.452cm2，彈性模量取值為2.1×1011pa，泊松比為0.3，線膨脹系數為1.18×10-5/℃，密度為7800kg/m3；梁體混凝土，彈性模量取值為3.55×1010pa，泊松比為0.167，線膨脹系數為1.0×10-5/℃，密度為2650kg/m3；軌枕，采用新iii型混凝土軌枕，采用1667根/km鋪設，每根軌枕的質量為365kg。

檢算在多種工況條件下軌道的強度和穩(wěn)定性，包括伸縮工況、制動工況、扭曲工況和斷軌工況。連續(xù)剛構橋綜合了連續(xù)梁和t型剛構橋的受力特點，通過將主梁做成連續(xù)梁體與薄壁橋墩固結，其梁部結構的受力性能如同連續(xù)梁一樣，隨著墩高的增加，薄壁橋墩對上部梁體的嵌固作用愈來愈小，逐步蛻化為柔性墩的作用。在跨徑大而墩高度小的連續(xù)剛構橋中，由于體系溫度的變化，混凝土收縮等將在墩頂產生較大的水平位移，通過將連續(xù)剛構橋的橋墩采用水平抗推剛度較小的雙薄壁墩，能有效減少水平位移在墩中產生的彎矩。

通過調整連續(xù)剛構的結構，使連續(xù)剛構橋保持了連續(xù)梁的優(yōu)點，結構剛度大，變形小，動力性能好，主梁變形撓曲線平緩，有利于高速行車等，同時，墩梁固接節(jié)省了大型支座的昂貴費用，減少了墩及基礎的工程量，改善了結構在水平荷載(例如地震荷載)作用下的受力性能。使混凝土連續(xù)剛構橋作為大跨度橋型得到越來越多的應用，能應用到主跨100～300m范圍的公路橋、鐵路橋的建設上。

連續(xù)剛構橋因其橋墩與梁部固結在一起，在鋼軌縱向力的作用下，為超靜定結構體系，因此橋上無縫線路梁軌相互作用規(guī)律與連續(xù)梁橋有些差別?，F以跨度均為2×32m簡支梁+(32+48+32)m連續(xù)梁/剛構橋+2×32m簡支梁為例分析，分析在不同工況下剛構橋梁的梁軌相互作用規(guī)律以及其與連續(xù)梁的受力差別。連續(xù)梁橋/剛構橋橋跨布置形式如圖1所示，主橋墩縱向水平剛度為1000kn/cm.雙線，左、右側簡支梁固定支座位于右側，其橋墩縱向水平剛度為400kn/cm.雙線。

連續(xù)剛構與連續(xù)梁橋的伸縮力、撓曲力、制動力及斷軌時鋼軌位移的分布規(guī)律比較如圖2～5所示：從圖2中可見，由于連續(xù)剛構橋的伸縮位移是對稱于跨中分布的，連續(xù)剛構橋上鋼軌伸縮力也呈對稱分布，最大伸縮位移與連續(xù)梁固定支座位于跨中時相當，其等效溫度跨度可近似為連續(xù)剛構跨中至左右側簡支梁固定支座的距離56m，這小于同樣梁跨布置情況下連續(xù)梁橋的80m溫度跨度，因而連續(xù)剛構橋上鋼軌最大伸縮壓力約為166.2kn，也小于連續(xù)梁橋的最大伸縮壓力209.2kn；從圖3中可見，鋼軌撓曲力的分布規(guī)律與連續(xù)梁相同，但其數值要小得多，最大撓曲壓力約為20.9kn，遠小于連續(xù)梁橋的43.1kn。這主要是由于連續(xù)剛構的橋墩與梁體是固結在一起的，在列車垂直荷載作用下，橋墩也會發(fā)生沿橋梁縱向的彎曲變形，承擔了部分列車荷載的作用力，導致梁體的撓曲變形要小于連續(xù)梁橋。這種結構形式對鋪設無縫線路是有利的，但正因為橋墩與梁體的固結作用，在溫度荷載作用下，因橋墩的彎曲作用也會導致梁體產生一定的豎向變形，從而影響軌道平順性；從圖4中可見，鋼軌制動力的分布規(guī)律與連續(xù)梁橋相似，但因連續(xù)剛構橋有兩個固結橋墩參與承受列車縱向荷載，因而鋼軌最大制動壓力約為403.9kn，也要小于連續(xù)梁橋的453.1kn；從圖5中可見，鋼軌折斷后其左側軌條的縱向位移略小于連續(xù)梁橋，也是由于雙固結橋墩的作用所致，右側軌條的縱向位移無變化，鋼軌斷縫最大值約為64.3mm，小于連續(xù)梁橋70.2mm的斷縫值。

總之，連續(xù)剛構橋上鋪設橋上無縫線路時，鋼軌伸縮力、撓曲力、制動力、鋼軌斷縫均要小于相同梁跨的連續(xù)梁橋，因此能普遍應用在高速鐵路建設中。

鋼軌斷縫值的計算關系到行車安全及是否需要采用伸縮調節(jié)器，是橋上無縫線路設計的核心內容之一。在鋼軌最大降溫幅度及存在伸縮附加力的情況下，若一根軌條折斷，相鄰軌條會通過限制墩頂縱向位移而阻止鋼軌斷縫的繼續(xù)擴大，這種多根鋼軌-橋梁-墩臺一體化的計算模型，用于計算橋上無縫線路鋼軌斷縫值與實際情況是吻合的。由于本文計算的模型就是采用這種多跟鋼軌-橋梁-墩臺一體化的計算模型，因此模型中應該考慮鋼軌本身的溫度變化產生的基本溫度力以及由于橋梁溫度變化產生的鋼軌伸縮附加力。

斷軌位置依據規(guī)范設定在伸縮力附加力最大位置處，同樣也是制動/啟動力起點位置處，在此處由于模型中是建立的雙線四根鋼軌，因此在計算過程中只是將其中一根鋼軌在所選擇的位置處斷開，其它幾根鋼軌保持不變。同樣在計算中所選取的鋼軌降溫幅度為最低軌溫與鎖定軌溫的差值，由于設計鎖定軌溫為29±5℃，最低軌溫為-7.7℃，因此計算中考慮鋼軌降溫為39.2℃(均值)，同時考慮橋梁梁體降溫15℃，計算結果繪制如圖6所示。從圖6可以看出，其斷縫值滿足規(guī)范對無縫線路斷縫的要求70mm，因此斷縫值滿足要求。

由于斷軌力與軌溫變化幅度相關，因此隨著軌溫變化幅度的增加，斷縫值就會增加，當軌溫變化幅度一定時，斷縫隨著剛構橋的剛構墩的剛度的增加而有小幅降低并趨于穩(wěn)定值，見圖7所示(以鋼軌降溫50℃，跨度為32+48+32m為例)；斷縫也隨著橋梁總長的增加而有小幅的增加，見8所示(以鋼軌降溫50℃為例)。

對連續(xù)剛構橋施加多種荷載，并檢算各載荷對無縫線路受力變形的的影響情況，多種所述載荷包括風載荷、溫度載荷和基礎沉降產生的載荷。高墩橋梁由于其墩的高度比普通的橋梁的墩要高的多，這使得其剛度的降低值較大，在相同風載影響下的，墩頂的位移較普通橋墩要大很多，進而帶動橋梁梁體的移動，使無縫線路產生附加力，從而影響橋上無縫線路的受力狀態(tài)。高墩、大跨結構與空氣直接接觸面積會大幅度增加，使橋墩與梁體受到的風荷載增大，進一步加大梁體與墩頂的位移，使橋上無縫線路偏離原來的設計位置，不僅會降低線路的穩(wěn)定性，同時造成線路的不平順，影響行車安全，因此針對于高墩大跨橋梁，有必要研究風荷載對其強度及穩(wěn)定性的影響。

風載隨著風向的不同而有所區(qū)別，包括兩種工況：其中一種為沿線路方向的風載，這種風載對于橋梁梁體所起的作用比較小，因此計算中風載主要施加在橋墩迎風面上，另一種為垂直線路方向的風載，這種風載不僅對于橋墩有影響，對于橋梁梁體本身也要受到影響，這時風載施加在迎風面的橋墩及梁體上。分別通過對靜風壓的計算和施加、沿線路方向風載的計算和垂直線路方向風載計算，得到風載荷對高墩大跨橋上無縫線路的受力及變形情況。

溫度荷載包括橋墩整體溫度變化以及橋墩縱橫向溫度梯度的作用，在太陽輻射條件下，混凝土結構的溫度場變化與橋梁所處的地理位置、方位、太陽輻射強度、大氣溫度和風速以及結構物所處的環(huán)境有關。在背陰側由于沒有陽光的照射，混凝土表面的溫度比較低，相反，在向陽側，由于直接受到太陽的輻射，溫度較高；由于在高墩大跨橋梁中橋墩比較高，橋墩整體升溫時，會引起橋墩頂部比較大豎向位移，這種位移將傳遞到梁體上，進而引起軌道結構的高低不平順。普通橋上無縫線路，由于橋墩高度比較低，太陽輻射作用引起的橋墩縱橫向溫度梯度不會使橋墩頂部產生較大的位移，然而在高墩大跨結構中，橋墩高度大大增加，縱橫向溫度梯度作用下，墩頂會產生較大的縱橫向位移，這種位移作用在梁體之上，容易引起梁體整體移動，橫向移動勢必會導致軌道出現橫向不平順，從而引起軌道結構的穩(wěn)定性下降；縱向位移則會帶動梁體發(fā)生整體縱向位移，這種位移作用在軌道結構上必然會引起軌道結構附加力與位移。通過對橋墩整體升溫、橋墩縱向溫度梯度和橋墩橫向溫度梯度三個工況的計算和縫隙，得到溫度載荷對無縫線路受力的影響情況和規(guī)律。

橋墩的工后沉降是不可避免的，因此研究橋墩沉降對高墩大跨橋上無縫線路的受力具有一定意義。由于橋墩本身及其基礎的不同，因此就可能出現均勻沉降或者不均勻沉降，也可能出現同一個橋墩不同側的沉降量不同而出現偏轉，目前規(guī)范中已經給出了相應的規(guī)定，例如《高速鐵路設計規(guī)范》的規(guī)定，對于橋上有砟軌道，墩臺均勻沉降不得超過30mm，不均勻沉降不得超過15mm。本節(jié)主要討論橋墩的不均勻沉降、均勻沉降以及橋墩的偏轉對高墩大跨橋上無縫線路的受力及穩(wěn)定性的影響，通過分析橋墩均勻沉降和橋墩不均勻沉降兩種工況下對高墩大跨橋上無縫線路平順性的影響規(guī)律，進而通過控制橋墩剛度有效避免沉降發(fā)生。

進行鋼軌強度檢算：檢算鋼軌強度是為了確保鋼軌截面的最大工作應力必須在鋼軌容許應力范圍之內，是無縫線路設計檢算的重要工作內容，鋼軌強度檢算公式為：

式中σs為考慮了焊接接頭質量的鋼軌屈服強度，k為安全系數，一般取為1.0或1.3，考慮了鋼軌疲勞應力、殘余應力、焊接接頭缺陷等因素的影響，σ底d為軌底邊緣動彎應力，σt為鋼軌最大溫度應力，σf為鋼軌最大伸縮附加應力，σ制為鋼軌最大制動附加應力。目前我國鐵路采用的鋼軌鋼種主要包括u71mn(k)、u75v、u71mn和u76nbre。鐵科院分別對u75v和u71mn鋼軌母材、焊縫處(含閃光焊、鋁熱焊、氣壓焊)的強度進行了測試分析，鐵四院對u71mn(k)鋼軌進行了抗拉強度試驗，其抗拉強度分別為883mpa、980mpa、883mpa、980mpa。經過對相關測試數據進行統計分析，u75v鋼軌屈服強度取472mpa，u71mn(k)和u71mn鋼軌屈服強度取457mpa。隨著我國鋼軌冶煉及軋制技術的進步，鋼軌質量明顯提高，根據對鋼軌抗拉強度的試驗，目前規(guī)范規(guī)定的鋼軌屈服強度均具有較高的安全儲備量，而且目前我國鋼軌焊接普遍采用閃光焊，焊接接頭的質量也有明顯提高，采用1.3的安全系數是合適的，計算取[σ]＝352mpa。

對于梁軌的相互位移，在制動力作用下，有砟軌道橋上無縫線路從保持道床穩(wěn)定性的角度考慮，將梁軌快速相對位移設置為不超過4mm，有鋼軌伸縮調節(jié)器時不超過30mm。對于無砟軌道由于不存在道床穩(wěn)定性的問題，因此不考慮無砟軌道的梁軌相對位移。

實施例2

高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋為有砟軌道，根據實施例1中所述的縱向剛度控制方法得到的高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋在不同的名義溫度跨度情況下，其固定墩縱向剛度限值和軌道處理措施滿足下表1。

表1有砟軌道連續(xù)剛構梁固定墩縱向線剛度限值表

對于有砟軌道剛構橋上無縫線路各種工況下的計算結果與墩臺剛度的取值相關性較大，高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度采用上述限值進行選值，使不同跨度的剛構橋的橋墩剛度選用更加合理化、科學化，一方面可以保證線路的安全，另一方面也可以節(jié)約工程投資。

當橋梁跨度比較大時，通過鋪設鋼軌伸縮調節(jié)器來減小鋼軌的受力以及橋梁墩臺的受力，這樣就允許采用比較小的墩臺剛度，但是鋼軌伸縮調節(jié)器存在永久的不平順，因此盡量不鋪設鋼軌伸縮調節(jié)器，在本實施例中主要針對不鋪設鋼軌伸縮調節(jié)器時確定合理的橋梁墩臺剛度值。在計算過程中，將連續(xù)剛構橋左右兩端的簡支梁增加為5跨，其簡支梁跨度仍然取為32m，并且為了保證計算結果的對稱性，將橋梁及支座形式布置如圖9所示，以剛構橋跨度為32+48+32m為例，兩端布置5×32m簡支梁。

在伸縮附加力計算中，橋梁升溫幅度按照混凝土橋梁為15℃。在制動力計算中采用中一活載進行加載，并且對任意跨度的剛構橋將車頭放在由伸縮工況計算得到的最大伸縮附加力的位置，荷載的加載長度依據橋梁長度確定，但加載長度不超過400m。在斷軌工況計算中，分別計算出軌溫變化幅度為30℃、40℃及50℃條件下的斷縫值。綜合考慮這三種工況下的各種參量的允許幅值，從而得到不同軌溫變化幅度下合理的橋墩剛度值。

由于主要針對連續(xù)剛構橋的橋墩的縱向水平剛度，因此對于剛構橋兩側的簡支梁橋的橋墩臺剛度取為規(guī)范規(guī)定的最小值400kn/cm.雙線。

依據計算參數取值，對不同名義溫度跨度的連續(xù)剛構橋梁，進行不同工況的計算。

選取不同跨度的剛構橋梁，并根據剛構墩兩側的橋梁跨度將其分為兩大類，一類為跨度對稱的連續(xù)剛構橋，另一類為橋梁跨度非對稱布置，例如64+4×116+64m，75+4×135+75m等。對于對稱布置的剛構橋，由于剛構橋剛度的增加使得剛構橋的實際溫度跨度減小，從而減低了伸縮附加力，其伸縮附加力的變化趨勢為隨著橋墩剛度的增加而降低并且近似成線性關系，但由于溫度跨度值的改變量比較小，所引起的伸縮附加力改變量也比較小，經檢算：橋墩剛度從5000kn/cm.雙線降低到50kn/cm.雙線時，降低了99％，而伸縮附加力僅增加了1.2％，剛構橋橋上無縫線路的伸縮附加力對橋墩剛度的敏感性較弱。

對于非對稱布置的剛構橋，其伸縮附加力的變化趨勢為隨著橋墩剛度的增加而增加，由于橋梁跨度不對稱性的影響，當橋墩剛度增加到某一值之后伸縮附加力幾乎不發(fā)生變化，跨度為(64+4×116+64)m的橋梁的伸縮附加力改變量為76.364kn，而跨度為(75+4×135+75)m的橋梁的伸縮附加力改變量為82.781kn。因此在設計剛構橋時應該盡可能的設計成對稱布置梁跨，這樣可以降低橋墩剛度對鋼軌的縱向附加力的影響。

當剛構橋橋墩剛度一定時，鋼軌的伸縮附加力隨著剛構橋的名義溫度跨度的增加而近似成線性增加，見下圖10所示，圖中的結果為橋墩剛度為2000kn/cm.雙線時對應的結果。

因此對于剛構橋，當其跨度增大到某一特定值時，也需要考慮采用小阻力扣件或者伸縮調節(jié)器的方法減小梁軌相互作用，從而降低鋼軌的伸縮附加力。

對于制動工況，以橋跨為60+100+60m與64+4×116+64m為例，無論是橋梁跨度對稱布置還是非對稱布置，列車制動條件下的梁軌快速相對位移最大值均隨著剛構橋的剛構墩的剛度的增加而降低，但是橋墩剛度增加的某一值時，梁軌快速相對位移基本保持不變，見圖11所示。

在剛構墩的縱向水平剛度較小時，梁軌快速相對位移也隨著剛構橋梁的長度的增加而增大，但當橋梁長度大于400m時，其梁軌相對位移變化不大，見圖12所示(以剛構橋墩剛度為500kn/cm.雙線為例)，當剛構橋墩的剛度比較大時，就會出現橋梁總長雖然增加但是梁軌快速相對位移降低的現象，見圖13所示(以剛構橋墩剛度為2000kn/cm.雙線為例)，這主要是由于與剛構橋的剛構墩的縱向水平剛度與其毗鄰的簡支梁的固定支座對應的剛度差相關，同時還與橋梁長度有一定的關系。

因此，對于剛構橋梁不僅可以通過增加剛構橋的剛構橋墩的縱向水平剛度減小在列車制動時的梁軌快速相對位移，也可以通過調整剛構橋毗鄰的簡支梁的固定支座對應的橋墩的剛度來降低梁軌快速相對位移。

從斷縫計算結果中，無論是鋼軌降溫30℃、40℃還是50℃，也無論剛構橋的橋墩剛度取值，計算結果顯示均未超出規(guī)范規(guī)定的斷縫限值70mm，因此在剛構橋橋墩縱向水平剛度確定中將不考慮斷縫對橋墩剛度的要求，僅在橋上鋪設小阻力扣件時考慮斷縫值。

由上得到多種跨度對稱布置的鋼構橋的縱向水平剛度確定值，在確定橋墩縱向水平剛度時只需要考慮伸縮附加力滿足不同軌溫變化幅度下的允許值以及梁軌快速相對位移4mm限值。由實施例1的計算結果并結合計算的伸縮附加力、(伸縮+制動)附加力允許值等得到下表2的結果。

表2全橋常阻力時橋墩剛度允許值(單位kn/cm.雙線)

注：表2中“措施”表示需要采取鋪設小阻力扣件或伸縮調節(jié)器等方法解決橋上鋪設無縫線路的問題。

無論軌溫變化幅度是30℃、40℃或者是50℃，在剛構橋名義溫度跨度較小時其剛構墩的縱向水平剛度主要受到制動工況梁軌相對位移的控制，對于名義溫度跨度較大時還會受到橋梁跨度的控制，這時需要解決無縫線路鋪設的方法為采用鋪設小阻力扣件或者鋼軌伸縮調節(jié)器。

對于跨度為72+3×116+72m、80+3×145+80m、106+3×200+106m及137+3×250+137m的四座橋梁需要采用小阻力扣件以減小梁軌相互作用，從而降低鋼軌伸縮附加力。采用鋪設小阻力扣件時還需要解決一下兩方面的內容：一為確定小阻力扣件的鋪設范圍，另二為判斷鋪設小阻力扣件之后的鋼軌伸縮附加力是否超限。本報告中為了便于討論，首先按照主橋全橋鋪設小阻力扣件，其兩端的簡支梁橋鋪設常阻力扣件，倘若鋼軌伸縮附加力仍不能滿足要求則將小阻力扣件鋪設范圍增加到簡支梁橋上，由于不能將小阻力扣件鋪設范圍的各種可能性考慮完整，僅選擇主橋與全橋鋪設小阻力扣件兩種情況，當橋上采用小阻力扣件時，沒有要求在列車制動荷載下的梁軌快速相對位移的限值，因此不對其進行計算，對無縫線路進行計算，斷縫計算中依據伸縮附加力滿足的軌溫變化幅度及小阻力扣件鋪設范圍進行計算。

將無縫線路的計算結果與前述不同軌溫變化幅度下的允許鋼軌伸縮附加力比較得到：對于跨度為72+3×116+72m的剛構橋梁，采用主橋鋪設小阻力扣件即可以滿足軌溫變化幅度為50℃的允許鋼軌伸縮附加力及斷縫值的要求；對于跨度為80+3×145+80m的剛構橋主橋鋪設小阻力扣件不能夠滿足軌溫變化幅度為50℃時的穩(wěn)定性的要求，因此需要使用鋼軌伸縮調節(jié)器；對于跨度為106+3×200+106m的剛構橋梁，采用主橋小阻力僅能滿足軌溫變化幅度為40與30℃時鋼軌強度、穩(wěn)定性限值及斷縫限制，而不能滿足軌溫變化幅度為50℃的要求，因此對于該跨度剛構橋在軌溫變化幅度為40℃時可以采用主橋鋪設小阻力的方法滿足鋪設無縫線路的要求，軌溫變化幅度為50℃時考慮選擇鋼軌伸縮調節(jié)器；對于跨度為137+3×250+137m的剛構橋梁，主橋鋪設小阻力扣件時僅能滿足軌溫變化幅度為30℃時鋪設無縫線路的要求，當軌溫變化幅度為40或者50℃時需要采用鋼軌伸縮調節(jié)器。

綜合表2及無縫線路的計算結果，通過分析，可以得到下表3的結論。

表3主橋鋪設小阻力時剛構橋剛構墩的最小剛度(單位：kn/cm.雙線)

注：“—”表示對剛度無要求，上面中的剛度數值均適當的取整。

將表2和表3給出的常用跨度有砟軌道連續(xù)梁鋪設常阻力扣件及鋪設小阻力扣件情況下固定墩縱向剛度限值，歸納如表1所示?；谏炜s工況、列車制動工況以及斷軌工況計算的結果，可以得到不同軌溫變化幅度、不同名義溫度跨度條件下的橋墩縱向水平剛度最小值或者為滿足鋪設橋上無縫線路需要采取的措施等，從經濟、美觀等角度考慮，橋梁的最小縱向水平剛度限值取為2500kn/雙線，以此確定出橋梁的臨界名義溫度跨度，如圖14-19所示。

實施例3

高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋為無砟軌道，根據上述所述的縱向剛度控制方法得到的高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋，該連續(xù)剛構橋在不同的名義溫度跨度情況下，其固定墩的縱向剛度限值和軌道處理措施滿足下表4。

表4無砟軌道連續(xù)剛構梁固定墩縱向線剛度限值表

對于無砟軌道剛構橋上無縫線路各種工況下的計算結果與墩臺剛度的取值相關性較大，高墩大跨混凝土連續(xù)剛構橋的縱向剛度采用上述限值進行選值，使不同跨度的剛構橋的橋墩剛度選用更加合理化、科學化，一方面可以保證線路的安全，另一方面也可以節(jié)約工程投資。

對于斷軌工況的計算只需要保證斷縫值在規(guī)定的限值以內即可，對于有砟軌道斷縫值隨橋墩縱向水平剛度的變化規(guī)律已經得到，并且其不是控制橋墩剛度的因素，對于無砟軌道，其相對于有砟軌道而言僅僅是線路縱向阻力增加，線路縱向阻力增加會導致斷縫值降低。

由于無砟軌道的線路縱向阻力大于有砟軌道的線路縱向阻力，因此在軌溫變化幅度分別為30、40及50℃的時候，有砟軌道對應的斷縫值均大于無砟軌道對應的斷縫值，得到有砟軌道斷縫值均小于規(guī)范規(guī)定的限值，因此結合該部分規(guī)律可以得到無砟軌道無縫線路在鋪設常阻力扣件的斷縫值也不會超出規(guī)范規(guī)定的限值，因此在下面的計算中將不計算無砟軌道斷縫的大小。

無砟軌道無縫線路各種工況計算與有砟軌道無縫線路計算的區(qū)別主要是線路縱向阻力的取值，計算伸縮附加力時橋梁溫度變化幅度以及列車制動時的列車荷載等。

橋上無砟軌道無縫線路的在橋梁伸縮工況下的最大伸縮附加力及列車制動工況下的最大制動附加力、最大梁軌快速相對位移的規(guī)律同有砟軌道，因此在此不再詳細介紹。

在相同條件下無砟軌道橋上無縫線路的斷縫值相對于有砟軌道的要小，并且有砟軌道的斷縫值經過計算并未超限，因此在考慮無砟軌道剛構橋橋墩剛度時不需要考慮斷縫的限值要求。

上面已將斷縫限值的因素排除，因此在確定橋墩縱向水平剛度時只需要考慮伸縮附加力與制動附加力之和滿足不同軌溫變化幅度下的允許值。

將計算得到的結果與計算的(伸縮+制動)附加力允許值結合得到下表5。

表5全橋常阻力時橋墩剛度允許值(單位：kn/cm.雙線)

注：表5中“—”表示對剛度無要求；“措施”表示需要采取鋪設小阻力扣件或伸縮調節(jié)器等方法解決橋上鋪設無縫線路的問題。

從表5在名義溫度跨度為110m時，軌溫變化幅度為50℃時伸縮附加力就會超限，這主要是由于無砟軌道的線路縱向阻力比有砟軌道的大，梁軌相互作用較強，同時對于無砟軌道而言，因扣件阻力較大，并不能像有砟軌道一樣在列車通過時可以釋放梁軌作用力，出于安全考慮并參考國外應用情況，梁溫度差采用年溫差，根據鄭西、京津城際鐵路橋梁溫差測試資料，《鐵路無縫線路設計規(guī)范》中對鋪設無砟軌道的混凝土橋梁溫度差取為30℃比有砟軌道的橋梁軌溫變化幅度15℃要大。

對于伸縮附加力超限的剛構橋可以采用鋪設小阻力扣件的方法等減弱梁軌相互作用從而降低鋼軌的伸縮附加力，同時在采用小阻力扣件時必須保證無砟軌道無縫線路斷縫檢算不超限，否則應該采用其他措施，得到不同跨度剛構橋梁鋪設小阻力扣件計算結果。

結合鋪設小組力扣件計算的結果與表5的結果，采用與有砟軌道確定剛構橋橋墩總線水平剛度相同的方法，可以得到表6。

表6主橋小阻力時剛構橋剛構墩的最小剛度(單位：kn/cm.雙線)

注：表6中“—”表示對剛度無要求。

從上面的計算結果可以看出，無砟軌道相對于有砟軌道線路縱向阻力及橋梁溫度變化增加，從而增加了梁軌相互作用，使得控制剛構橋橋墩的縱向水平剛度從無砟軌道的梁軌快速相對位移變?yōu)殇撥壐郊恿Α?/p>

將表5和表6給出的常用跨度有砟軌道連續(xù)梁鋪設常阻力扣件及鋪設小阻力扣件情況下固定墩縱向剛度限值，歸納如下表4所示。

基于附加伸縮工況、列車制動工況以及斷軌工況計算的結果，可以得到不同軌溫變化幅度、不同名義溫度跨度條件下的橋墩縱向水平剛度最小值或者為滿足鋪設橋上無縫線路需要采取的措施等，從經濟、美觀等角度考慮，橋梁的最小縱向水平剛度限值取為2500kn/雙線，以此確定出橋梁的臨界名義溫度跨度，如圖20-25所示。