第62卷第8期2018年8月
RAILWAY STANDARD DESIGN
铁道标准设计
Vol. 62 No. 8Aug. 2018
文章编号：1004 2954 (2018 )08 0074 04
財速350 km跨度72 m无碎轨道简支钢桁梁桥
设计研究
刘凯
(中国铁路设计集团有限公司，天津300142)
摘要：京雄城际铁路设计速度350 km/h,正线采用CRTSn型板式无砟轨道，上跨津霸铁路工点，由于净空，
需要采用72m简支钢街梁桥跨越，对简支钢街梁结构刚度、桥面系构造、梁端转角等关键技术进行研究。通过加 强桥面构造、设置有断缝的混凝土桥面板等措施，解决了钢桥面上铺设无砟轨道的难题，并通过车桥动力仿真进行 分析，验证高速行车的舒适性及安全性。此设计符合技术先进、安全可靠、经济合理等设计原则，其构造形式及分 析方法可供类似结构借鉴。
关键词：高速铁路；无砟轨道；钢街梁；梁端转角；动力仿真；温度效应中图分类号：U448. 13; U448. 21+1 文献标识码：A DOI：10.13238/j. issn. 1004-2954. 201710130001
Design and Research of 350km/h Speed Ballastless
Track Simply Steel Truss Girder
LIU Kai
(China Railway Design Corporation，Tianjin 300142，China)
Abstract: Beijing-Xiong’an Intercity Railway of designed speed of 350 km/h is constructed of CRTSIII
slab ballastles track for the main-line and crosses over Tianjin-Bazhou railway project. Due to clearance restrictions， it requires 72 m simply supported steel truss girder bridge to cross over Tianjin - Bazhou railway. In this paper， some key technologies such as stiffness， bridge deck system and girder-end rotation of simply supported steel truss girder are studied. The technical problems in laying ballastless track on the deck of the steel bridge are solved by strengthening the structure of the bridge deck and setting the intercalate concrete-deck. Furthermore， dynamic simulation analysis of vehicle-bridge coupling is carried out to verify the comfort and safety of the design. The presented design accords with the design principles associated with advanced technology， safety and reliability， and economic rationality. The structural form and analysis method can be used for reference to similar bridge structures.
Key words： High-speed railway; Ballastless track； Steel truss girder； Girder-end rotation； Dynamic
simulation； Temperature effect
1
概述
京雄城际铁路正线长度78.24 km，为设计时速
构，若采用连续梁，其上部建筑高度大，需要拉高全桥 纵断面，增加投资;若采用简支拱，则施工过程对既有 线影响大，且自重反力较大，易引起沉降进而影响既有 线行车。因此，拟采用72 m简支钢桁梁跨越，其具有 上建高度小，自重轻，顶推施工对既有线影响小等优 点。但近期我国修建的客运专线及高速铁路大跨度钢 桥均采用有砟轨道结构，如京沪高铁济南黄河大桥、南 京大胜关长江大桥;京广高铁郑州黄河大桥、武汉天兴 洲大桥公铁两用桥等[1]。在钢桥面上铺设无砟轨道，
K
350 km的双线高速铁路，线间距5 m，米用Z荷载，
CRTSm型板式无砟轨道。京雄城际铁路在DK87 +
410.30位置上跨津霸铁路时，需要跨度70 m左右结
收稿日期:2017 10 13;修回日期:2017 11 09
作者简介:刘凯（ 1976—），男，高级工程师，1999年毕业于西南交通 大学桥梁与结构工程专业，工学学士,-:@163. 。
Emailkosakncom
第8期
刘凯一时速350 km跨度72 m无砟轨道简支钢桁梁桥设计研究
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需要解决以下问题。
(1 )梁端转角过大，对轨道结构受力不利。(2 )钢结构受温度影响大，结构变形对轨道长短
焊接箱形截面和H形截面。上弦杆内宽800 mm，内咼 952 mm，板厚24〜32 mm;箱形截面腹杆内宽800 mm， 外高分别为860、760 mm，板厚20〜28 mm; H形截面 腹杆翼板宽760 mm，腹板内咼800 mm，板厚16〜 28 m;下弦杆内宽800 mm，内咼1 444 mm，顶底板厚
2.2
波不平顺有较大影响。
(3) 梁缝位置横向错位较大。(4) 验证。
本设计通过构造设计，解决了上述难题，并通过车 桥动力仿真验证了高速行车的安全性和舒适性。
22. 1
24 mm，腹板厚 28 mm。桥面系刚度偏弱，行车安全性和舒适性有待
桥面结构形式
桥面结构采用钢正交异性板[4 5]，为提高桥面系 结构刚度、提高行车舒适性，并方便无砟轨道结构与桥
面连接，在正交异性板上设置了 35 cm厚的混凝土板, 混凝土板与刚桥面板直接采用剪力钉连接。钢桥面板 板厚16 mm，在轨道下方共设置了 4道纵梁，采用倒T 形截面，腹板咼750 mm，厚16 mm，下翼板宽300 mm， 厚
20 mm。另外还设置了 1
钢桁梁结构形式主桁结构形式
简支钢桁梁桥主桁采用两片钢桁梁[2]，桁高
12. 3 m，桁式为无竖杆整体节点平行弦三角架[3];两片 主桁间距为13. 8 m;节间距为12 m，支座中心距梁端0. 85 m。主桁结构示意见图1。
J桥门架
6道
U
肋，U肋高度
280 mm，厚8 mm[6 7]，间距600 mm。纵肋全桥连续，遇 横梁、横肋腹板则开孔穿过[8]。横梁间距12 m，中横 梁米用倒T形截面，咼1 444 mm，腹板厚20 mm，底板 宽 800 mm， 厚 24 mm; 端 横 梁 采 用 箱 形 截 面， 内 高 1 444 mm， 腹板厚 28 mm， 底板宽 800 mm， 厚 24 mm。 横梁上翼板与主桁他出昉焊接腹板及底板与主桁他
850
A3
5x12 000=60 000A5A5,
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出接头栓接。两道横梁之间设3道横肋，间距3 m，采 用倒 T 形 截 面， 高 1 444 mm， 腹 板厚 16 mm， 底 板宽 600 mm，厚24 mm，上翼板与主桁伸出肢焊接,腹板及 底板与主桁伸出接头栓接。桥面系结构见图2。
图1钢桁梁主桁结构示意（单位:mm)主桁上、下弦杆均采用焊接箱形截面，斜腹杆采用
图2
3
结构静力分析
桥面布置示意（单位:mm)
由于桥面系及下弦刚度小,梁端转角较大。为解决这 个问题，采用了加大端横梁刚度、增加桥面混凝土板等 措施,分别对比以下4个方案。
方案1方案2方案3方案4
端横梁为倒T形截面;腹板:1 444 mmx 端横梁为箱形截面;腹板:2-1 444 mmx 端横梁为箱形截面;腹板:2-1 444 mmx 端横梁为箱形截面;腹板:2-1 444 mmx
28 mm;底板:800 mmx24 mm;桥面不设混凝土板。28 mm;底板:600 mmx24 mm;桥面不设混凝土板。28 mm;底板:800 mmx24 mm;桥面不设混凝土板。
梁体竖向刚度达到1/2 812，横向刚度达到 1/11 429，均满足规范要求，钢桁梁结构受力计算也与 常规钢桁结构类似，不再赘述。本文主要在梁端转角、 轨道静态铺设精度、相邻梁端钢轨支点横向变形等与 高速行车相关关键参数方面予以论述。3. 1
梁端转角控制。
高速铁路无砟轨道要求在梁端悬出长度0.55〜0. 75 m时，梁端转角不大于1译译[9]，而简支钢桁梁结构
76铁道标准设计第62卷
28 mm;底板:800 mmx24 mm;桥面设置混凝土板。
各方案计算结果见表1，其中1〜4表示的是4根 钢轨位置。如图2所示。
(1) 体系升降温根据该项目气象资料，按整体
升降温35益；
(2)
日照温度上平联、上弦杆、腹杆的温度为
表1梁端转角计算结果
译’位置方案1
方案2方案 3方案 4
1.5071.4211. 3871.224左线
2
1.5851. 4801. 4371.246右线1.5851. 4801. 4371.243
1. 5071.4211. 387
1. 224
从计算结果来看，端横梁尺寸加大，梁端转角减 小，同时增设桥面混凝土板能有效提高梁端局部刚度， 减小梁端转角。因此，采用转角最小的方案4,且轨道 结构梁端第一组扣件采用常阻力扣件弹条，经检算，能 满足无砟轨道受力要求。3.2桥面长短波不平顺控制
对于高速铁路无砟轨道，要求轨道静态铺设标准 (容许偏差）：①短波2 mm/10 m (弦长）；②长波 2 mm/8a(基线长）、10 mm/240a (基线长）
。a 为无
砟轨道扣件节点间距，本线a值为0. 63 m。在温度荷 载作用下，考虑桥面混凝土板参与整体受力，桥面系纵 梁竖向位移见图3。
一一-体体系系降升温温-…升温降温
z
5
m
0
■4—4cd~l I 1.1
」J_•I_
I I I I I I I -[-—j-dr-1~~1—\"1
-5
31 37 43 A9~5SW^Tl2
-纵桥向位置/m
图3体系温度与温度包络下铁路纵梁竖向位移
(桥面混凝土板参与整体受力）温度荷载按如下因素考虑：
(1) 体系升降温按整体升降温35益[|0];(2) 骤然升降温混凝土桥面板与钢结构温差 ±15 益；
(3)
日照温度上平联、上弦杆、腹杆的温度为
20益，下弦杆的温度为10益，钢桥面及纵横梁温度
0
益。
图3中升温及降温为温度荷载的最不利组合[11]。由图3可知，桥面竖向变形不满足轨道静态铺设
标准要求。各种温度荷载中，骤然升降温造成的变形 占主要部分，其原因是混凝土和钢结构之间有± 15益 的温差，造成结构之间变形不协调，从而引起竖向变 形[12]。因此，考虑桥面混凝土板设置断缝，使其不参 与整体受力，同时考虑施工方便和轨道受力，桥面混凝 土板断缝和轨道板断缝位置对齐。则在温度荷载作用 下，桥面系纵梁竖向位移见图4。
温度荷载按如下考虑：
20益，下弦杆的温度为10益，钢桥面及纵横梁温度
0
益。
图4中升温及降温为温度荷载的最不利组合。
—体-体系降温系升温一….....升温一―、降、
温 ;6
1叵 4
2
期
0
分 ^'斗 I I 3I 7^I 4I3 ~I 4I 9-I 5I 5^I 6I 1 I飞 ~
厂~
为
I
纵桥向位置/m
图4体系温度与温度包络下铁路纵梁竖向位移
(桥面混凝土板不参与整体受力）可见，在桥面混凝土板设置断缝的情况下，桥面竖 向变形满足轨道静态铺设标准要求。3. 3
梁端钢轨支点横向相对位移控制
无砟轨道要求相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对 位移不大于1 mm,本梁主桁间距较宽，而相邻32 m预 应力混凝土简支梁支座间距较小，若将横向固定支座 设置在一片主桁下，则无法满足横向相对位移小于 1mm的要求。因此，主桁下不设横向固定支座，横向 力通过设置在桥梁中心线上的横向限位装置传递给桥 墩，具体布置见图5。
多向yra活动----支座
主桁中心线
-H
横向活动支座
獅1 健 1歷也邊.i横\"向 限位m装置
r主桁中心线
多向活ft支座_______72 000_________sJ
横 向活动支座
图5支座及横向限位装置布置（单位：mm)
4
车桥耦合动力仿真分析4. 1动力模型及关键参数取值
对全桥进行车桥耦合动力仿真分析，采用空间 梁-板混合单元来建立主桥模型，梁体与桥墩墩顶采 用主从约束模拟桥墩对主梁的约束，以弹簧单元模拟 墩底总的基粧约束[13]。桥面二期恒载以线分布形式 作为均布质量分配到桥面板单元中。动力分析模型见 图6,该模型共有节点1281个，梁单元1028个，板单元 720个。列车采用国产CRH3动力分散式车组：列车 编组为2x(动+拖+动+动+动+动+拖+动），共16节。 速度等级取 180、200、225、250、275、300、325、350、375、 400、420 km/h。轨道不平顺采用德国低干扰轨道 谱[14]。根据上述条件，进行车桥动力仿真分析，检算 桥梁的自振频率[15]、跨中竖向与横向动位移、跨中竖
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刘凯一时速350 km跨度72 m无砟轨道简支钢桁梁桥设计研究
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向与横向加速度;检算机车车辆的安全性和舒适度指 标，包括脱轨系数、轮重减载率、竖横向加速度及 Sperling舒适度指标。
图6动力仿真模型
4.2桥梁自振特性分析
针对72 m钢桁简支梁桥动力仿真模型，进行桥梁 自振特性分析以及在国产CRH3客车作用下的动力响 应分析。表2列出了 72 m钢桁简支梁桥的自振特性 频率分析结果。表2 72 m简支钢桁梁桥自振频率阶次
自振1频121... 8率 84/Hz自振周期/s振型2
2702703
40.. 554333梁梁体体一梁一阶体阶正纵正对飘对称称横竖弯
弯45
23. 9390. 450
6
3.. 99617000.0. . 3 2425052梁体扭转6梁体二桥阶塔反弯对曲称竖弯4. 3
动力仿真计算结果
根据建立的车桥耦合动力仿真模型，在国产CRH3
客车作用下，计算得到车桥动力分析评价结果见表 3。
表3车桥动力响应评价结果
行车安全性
乘坐舒适性列车类型
列车速度桥梁动动车拖车
/(km/h)力性能脱轨 '减载竖向横向竖向横向180200
满足满优优优优
2满足足满足优优优优满足满足优优优优225满足足足足满足足优优优优250满足足满足优优优优国产 375满足足满足优优优优CRH3
满足足满足优优优优300 满足足满足优优优优325 满足足满足优优良优350 满足足满足良优良优良
优
良优47满足足
满足
40520 0
4.4动力仿真结论
(1) 桥梁自振特性分析
支承体系基频:梁体一阶横向频率1. 877 Hz,梁体 一阶竖向频率2. 224 Hz。
(2) 桥梁振动性能
在国产CRH3动力分散式车组以速度180〜 420 km/h运行时，桥梁跨中横向和竖向振动位移最大 值分别为0. 483、4. 825 mm,桥梁跨中横向和竖向振动 加速度最大值分别为0. 374、0. 669 m/s2。
可见，在上述列车作用下，72 m钢桁简支梁桥各跨 的竖向和横向振动位移较小，桥梁竖向和横向振动加速 度均小于规范规定的限值，说明桥梁的振动性能良好。
(3) 列车行车安全性
在国产CRH3动力分散式车组以速度180〜 420 km/h通过跨度72 m钢桁简支梁桥时，动车与拖 车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标 均在限值以内，保证了高速列车的行车安全。(4) 列车乘坐舒适性
国产CRH3动力分散式车组以速度180〜350
km/h
通过72 m钢桁简支梁桥时，竖向和横向舒适性
均达到“优”；国产CRH3动力分散式车组以速度 375〜420 km/h通过72 m钢桁简支梁桥时，竖向和横 向舒适性均达到“优”、“良”。
72 m简支钢桁梁在吸收我国既有钢桁梁经验的 基础上，解决了简支钢桁梁结构上铺设无砟轨道、运营 速度350 km/h高速列车的难题，并得到了车桥动力仿 真的验证，符合技术先进、安全可靠、经济合理等设计 原则，其构造形式及分析方法可供类似结构借鉴。参考文献：[1] 铁道部工程设计鉴定中心，铁道第三勘察设计院集团有限公司.
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设
道
中
