从心所欲不逾矩：桥梁有限自由约束体系思想和应用

作者：张 雷

      

     

     

为了解决大跨度铁路连续梁梁端温度伸缩位移较大的问题，对于桥梁的纵向约束体系，受到中国哲学思想“从心所欲不逾矩”的启发，构思了一种全新的形式——有限自由约束体系，并在高速铁路桥梁工程中得到了成功应用，在技术和经济等方面都取得了良好效果。

     

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问题提出

     

新建郑州至阜阳客运专线铁路是国家高速铁路网的重要组成部分，该线设计时速350公里，全线采用无砟轨道。为了降低工程造价，线路整体纵断面较低，桥低、墩矮、跨越立交和河流工点多，成为本线桥梁的特点。

郑阜客专在跨越宁洛高速公路、跨越泉河两处工点处，分别采用跨度为（86+172+86）米和（45+75+172+75+45）米的连续梁。对于这种跨度较大的桥梁，当外部气温发生变化时，由于“热胀冷缩”原理，在梁端产生的伸缩位移也比较大。如果这种位移大过一定程度，桥上的钢轨将难以承受由于这种位移而产生的内力。对于这个问题，以往常规的解决方法有两种：

方法一是在梁端设置钢轨伸缩调节器，以释放钢轨的这种位移。但是高速铁路的钢轨伸缩调节器不仅造价高，而且运营期间养护工作量很大。而且对于（45+75+172+75+45）米结构，由于处于线路平曲线区段，设置钢轨伸缩调节器存在技术困难。

方法二是采用刚构体系。刚构体系与连续梁体系相比，当主跨相同时，刚构体系的梁端温度伸缩量较小。连续梁由于有一个固定支座，其他为活动支座，温度伸缩时的零点位置在固定支座处，远端的伸缩量就相对较大；而刚构体系由于主跨的两个桥墩均与梁固结，温度伸缩时的零点位置大体在跨中，因而远端的伸缩量就相对较小。但是刚构体系的桥墩不能太矮，否则刚度过大，主梁温度伸缩的趋势会给桥墩带来很大的力。因此本桥如果采用刚构体系，则需要大幅抬高线路纵断面，导致增加工程投资。

上述两个方案都存在技术困难或缺点，因此，笔者拟构思研究一种适用于高速铁路大跨度连续梁的新型体系，解决其梁端温度伸缩量过大的问题，达到避免设置轨道伸缩调节器，也无需抬高线路纵断面的效果。

     

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哲学思想

     

在解决上述技术问题时，受到了中国古代哲学思想的启发。在桥梁工程中，存在着“必然”与“自由”的哲学问题。对于必然与自由的关系，孔子提出了一种很高的境界，将二者统一起来。孔子曾自述他一生中学习与修养的经验：

吾十有五而志于学，三十而立，四十而不惑，五十而知天命，六十而耳顺，七十而从心所欲不逾矩。（《论语·为政》

用今天的话说就是：“我十五岁立志于学问，三十岁能够自立，四十岁不再困惑，五十岁认同命运，六十岁可以容纳各种批评，七十岁能够随心所欲而又不逾越规矩。”这是一个随着年龄的增长、认识的深入，思想境界逐步提高的过程。到七十岁的阶段，主观意识与行为规则已经自然而然地融合为一，人生的修养达到了最高境界。

“从心所欲”与“不逾矩”本来经常是矛盾的。“从心所欲”者天马行空，随心所欲，不受约束，而常常逾越了规矩；“不逾矩”者则往往循规蹈矩，谨小慎微，瞻前顾后，不能达到随心所欲的境界。既能从心所欲，又不逾越规矩，则超越了矛盾，统一了自由与规则，在规则的范围内达到从心所欲的自由状态。

例如唐诗与宋词，将严整的格律形式，与浩瀚、瑰丽、生动、丰富的思想与情感完美地统一起来，既有规范而又非常自由，既重法度却仍然灵活，既“从心所欲”又“不逾矩”，从而达到艺术的至境。再比如体育比赛，也是在一种严格的规则内进行，高水平的球员无心于规则而处处不违反规则，在场上如行云流水，驰骋纵横，洒脱自然，毫无迁就规则的生硬之感，这也是一种从心所欲而不逾矩的体现。

在桥梁的结构设计中，也可以将这种“从心所欲不逾矩”的哲学思想，在技术层面上体现出来，并加以灵活运用。

     

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有限自由约束体系

     

笔者由“从心所欲不逾矩”的哲学思想出发，对于桥梁的纵向约束体系，构思了一种全新的形式——有限自由约束体系。这种约束体系的核心思想，是把桥梁的纵向活动限制在设定的范围之内，在这个限制范围之内，桥梁的纵向活动是自由的。

有限自由约束体系示意图

有限自由约束体系的特点是：全联连续梁的支座均为纵向活动支座，通过设置限位装置，将连续梁纵向温度变形的理论中心限制在主跨的跨中附近，从而减小梁端由于温度变化引起的伸缩量。为实现上述功能，有限自由约束体系由纵向活动支座、限位装置、速度锁定阻尼器、防落梁装置等几个部件组成。

采用有限自由约束体系时，在列车运行过程中，由支座摩阻力和速度锁定阻尼器提供纵向约束，保证列车运行时梁体的稳定性；在整体温度升降时，梁体纵向可自由伸缩和活动，但其纵向位移始终被限位装置限制在一定的活动范围之内，从而控制住了梁端位移量，使其小于一定的限值。因此，采用有限自由约束体系的连续梁，避免了在梁端设置钢轨伸缩调节器，也无需采用以往的刚构体系。防落梁装置则保证桥梁在罕遇地震时不发生落梁。

     

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限位装置研发

     

为了实现了前述提出的有限自由约束体系的功能，还发明了一种具有可调功能的限位装置，可以精确设定梁体的纵向活动范围。考虑到本桥为预应力混凝土梁，存在收缩徐变，为了避免限位装置的间隙被卡死，将限位装置缝隙设置为可调节的形式，采用增减垫片方式调整间隙。

限位装置构造示意图

限位装置分为上座板和下座板两部分，上座板通过预埋套筒和螺栓与梁体连接，下座板与墩顶连接，并在下座板上设置限位挡块和调节垫片。限位挡块起到纵向限位作用，调节垫片则可以调整空隙量，从而设置纵向活动范围。经轨道验算，在梁体纵向各种变形情况下，均可满足不设钢轨伸缩调节器的参数要求。

     

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工程应用

     

有限自由约束体系的首次工程应用，是在郑阜客运专线铁路跨越宁洛高速公路、跨越泉河两处工点处的（86 + 172 + 86）米和（45 + 75 + 172 + 75 + 45）米连续梁。此外，这两联梁桥还在我国铁路桥梁中首次应用了曲弦钢桁加劲预应力混凝土连续梁的结构形式。

曲弦钢桁加劲预应力混凝土连续梁这一组合桥梁结构，钢桁端部借鉴拱的受力特点，采用曲弦构造，传力匀称且景观效果优良，避免设置大尺寸端斜杆。采用钢桁加劲连续梁，增大了铁路连续梁的适用跨度范围，具有刚度大、上建高度低、残余变形小等优点，提升了高速行车时的平稳性和舒适性。

曲弦钢桁加劲预应力混凝土连续梁结构示意图

预应力混凝土梁采用单箱双室变高度箱形截面，中跨跨中及边支点处梁高5 米，中支点处梁高11米。 加劲钢桁创新性地采用反向再分式桁架，桁高14米、节间距16米。在主梁中支点附近，借鉴拱的受力特点，采用曲弦方式与混凝土梁相接，避免了以往平弦钢桁加劲结构端斜杆尺寸过大、与混凝土连接困难等问题。钢桁下弦节点采用PBL剪力键与混凝土梁相连，梁面在节点板范围内设置凸台，外包钢板，内灌混凝土。

郑阜客专界临特大桥

郑阜客专沈界1号特大桥

目前我国中小跨度铁路钢桁梁的桥门架及横联多采用板式结构，其作用主要有：承受并传递竖向力；加强梁部横向整体性；在偏载工况下分配荷载。同时，为使上平联所受风力顺畅传递给支座，下承式钢桁梁的桥门架一般设置在端斜杆上。由于本桥主梁结构不同于钢桁梁，混凝土主梁具有较高的横向和扭转刚度，因此提出了将钢桁架的横向风力通过各腹杆分散传递到主梁的设计思路。在此思路下设计的桥门架及横联的面积和用钢量均比传统钢桁梁有较大幅度优化，不仅提高了结构的经济性，还增强了钢桁结构的通透性。

郑阜客专界临特大桥

以往常规钢桁梁整体节点较大，两腹杆间节点板为直线。结合本桥的受力特点，将节点板两腹杆之间采用曲线过渡，同时尽量减小节点板尺寸。与传统节点板形式相比，该桥上弦大节点面积减少约25%，小节点面积减少约35%。

郑阜客专界临特大桥

在限位装置的安装方面，由于曲弦钢桁加劲连续梁施工过程较为复杂，在体系转换、安装钢桁、铺设桥面附属设施的过程中，均会对梁与墩的相对位移产生影响，进而影响限位装置的实际效果。为实现精确限位，将限位装置的安装时间确定为结构施工全部完成，并铺设完桥面附属设施之后，从而避免了上述因素的影响。同时，考虑到混凝土梁合拢温度不确定，根据不同的合拢温度，给出了限位装置安装时的不同缝隙值，方便了工程实施。桥梁建成通车后，根据运营现场反馈，温度限位装置工作状况良好，限位装置间隙符合设计预期。

郑阜客专界临特大桥

     

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结 语

     

有限自由约束体系和曲弦钢桁加劲连续梁结构已成功应用于郑阜客专跨宁洛高速及跨泉河处的桥梁工程中。设计研究成果解决了铁路大跨度连续梁避免设置钢轨伸缩调节器的技术难题，避免了采用刚构桥而抬高线路纵断面，经济效益巨大；同时实现了大跨连续梁桥可布置在铁路曲线地段，极大提升了铁路选线的适应性和灵活性。上述技术是在世界铁路桥梁领域中，由我国提出的重大原始创新。经鉴定，本项研究成果达到国际先进水平。

设计研究成果获得了中国交通运输协会科学技术奖一等奖、“海河杯”天津市优秀勘察设计奖一等奖、中国铁路工程集团有限公司科学技术奖二等奖、中国铁路设计集团有限公司科技进步特等奖、中国铁路设计集团有限公司优秀工程勘察设计一等奖等多个奖项。还推广应用于杭绍台高铁、通甬高铁等工程建设中。随着我国铁路建设的不断发展，有限自由约束体系将有更加广阔的应用空间！

郑阜客专界临特大桥