魏 峰，牛 斌，季文玉

(1.北京交通大學(xué)，北京 100044;2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

在我國客運(yùn)專線和高速鐵路建設(shè)中，為保證線路的高平順性、乘坐舒適度等要求，廣泛采用了跨區(qū)間無縫線路技術(shù)，并大量采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。由于新建客運(yùn)專線橋梁比例很大，為保證橋梁及橋上無縫線路的穩(wěn)定性與運(yùn)營安全性，應(yīng)特別注意溫度變化、列車制動(dòng)和起動(dòng)等因素引起的線路與橋梁的相互作用，檢算由此產(chǎn)生的鋼軌附加應(yīng)力及墩臺附加力。通過計(jì)算在不同荷載工況及其組合作用下軌道及橋梁結(jié)構(gòu)受力，驗(yàn)證橋上無縫線路鋼軌附加力及橋梁墩臺附加力不超過一定的安全限值。當(dāng)橋上無縫線路鋼軌附加力超過允許值時(shí)，要在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器。

以往的試驗(yàn)研究成果表明，在列車制動(dòng)作用下橋梁墩臺產(chǎn)生的墩臺頂縱向制動(dòng)附加力及其分布除受輪軌黏著系數(shù)及線路阻力參數(shù)影響外，主要由墩臺頂縱向水平剛度及相鄰墩臺頂剛度匹配所決定，這一現(xiàn)象在大跨度連續(xù)梁上尤為明顯。墩頂剛度越小，橋梁所受墩頂制動(dòng)力越小，但鋼軌制動(dòng)附加力越大。增大墩頂剛度可使鋼軌制動(dòng)附加力減小，但將使得墩頂制動(dòng)力增大，同時(shí)使得工程造價(jià)提高且影響橋梁整體美觀性能。因此，確定合理的墩頂剛度限值對于橋梁及線路設(shè)計(jì)尤為重要。

長期以來，德、日、法等國針對梁軌共同作用開展了系列研究工作，取得了大量科研成果，并通過實(shí)橋試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。由于國外高速鐵路橋梁比例相對小，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)多采用梁軌共同作用計(jì)算模型對鋼軌附加力、墩頂縱向力進(jìn)行計(jì)算。鑒于我國客運(yùn)專線橋梁比例大的特點(diǎn)，采用該方法將大量增加設(shè)計(jì)計(jì)算工作。我國現(xiàn)行《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》以“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃相關(guān)專題研究成果為基礎(chǔ)，規(guī)定了有砟軌道簡支橋梁墩臺縱向線剛度限值，在墩頂剛度滿足限值要求條件下，可不進(jìn)行縱向力檢算。

1 我國有關(guān)橋梁墩臺縱向線剛度研究現(xiàn)狀

1.1 橋梁墩臺縱向線剛度的定義

使橋梁墩臺支承墊石頂產(chǎn)生單位縱向水平位移時(shí)所需的縱向作用力稱之為墩臺縱向線剛度K，計(jì)算式為

式中 ∑δi= δp+δφ+δh

H——作用在墩臺支承墊石頂?shù)目v向水平力，kN;

δp——在H作用下，由于墩臺身彎曲引起的墩臺支承墊石頂縱向水平位移，cm;

δφ——在H作用下，由于基礎(chǔ)傾斜彎曲引起的墩臺支承墊石頂縱向水平位移，cm;

δh——在H作用下，由于基礎(chǔ)平移引起的墩臺支承墊石頂縱向水平位移，cm。

此外，還應(yīng)考慮由于支座剪切變形引起的墩臺支承墊石頂縱向水平位移，如圖1所示。

歐洲部分國家在縱向剛度研究中還考慮了快速制動(dòng)作用時(shí)墩頂剛度可有所提高，并提出了墩頂動(dòng)剛度的概念。鐵道科學(xué)研究院曾采用橋墩模型進(jìn)行了制動(dòng)模擬加載試驗(yàn)，結(jié)果表明在制動(dòng)力作用下墩身縱向剛度提高幅度較小(<3%)，已完成的現(xiàn)場橋梁縱向力試驗(yàn)也表明制動(dòng)力作用下墩頂剛度與計(jì)算靜剛度基本一致。因此，對于常用跨度橋梁墩臺基礎(chǔ)可不考慮制動(dòng)力作用下墩頂剛度提高的影響，按現(xiàn)行鐵路規(guī)范中的方法計(jì)算墩頂剛度能夠滿足當(dāng)前工程需要。

圖1 墩臺頂縱向線剛度示意

1.2 《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中相關(guān)規(guī)定

我國《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中規(guī)定，鋪設(shè)焊接長鋼軌的混凝土簡支梁，墩臺縱向水平線剛度應(yīng)滿足表1所列數(shù)值要求。

表1 墩臺縱向水平線剛度(雙線)

在上述規(guī)定的制訂中，主要針對有砟軌道，并從以下兩方面因素考慮:

1)橋上軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性。為保證橋上軌道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在“八五”、“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃相關(guān)專題研究中，建議當(dāng)采用UIC60鋼軌時(shí)，鋼軌附加應(yīng)力應(yīng)不超過 +81 MPa(拉)和 －61 MPa(壓)的限值?？紤]由于列車制動(dòng)/起動(dòng)、梁體溫度變化和撓曲力引起的鋼軌附加應(yīng)力，計(jì)算鋼軌附加應(yīng)力的荷載組合為:①鋼軌制動(dòng)力+鋼軌伸縮力，②鋼軌制動(dòng)力+鋼軌撓曲力，取二者中較大值檢算鋼軌附加應(yīng)力是否滿足限值要求。

2)制動(dòng)力作用下梁軌快速相對位移。對于有砟軌道鐵路，為保持橋上軌道的橫向阻力及軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要求梁軌之間的快速相對位移不得超過4 mm。應(yīng)力限值與位移限值這兩項(xiàng)指標(biāo)與橋梁的跨度、墩臺縱向線剛度是密切相關(guān)的，當(dāng)墩臺縱向線剛度達(dá)到一定值時(shí)，橋上線路可不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器就可保證鋼軌強(qiáng)度和軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，必須對不同跨度的橋梁墩臺縱向線剛度加以限制。

1.3 我國橋梁墩臺縱向力研究現(xiàn)狀

我國對于軌道結(jié)構(gòu)與橋梁相互作用的研究始于20世紀(jì)80年代。通過國家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“高速鐵路線橋隧設(shè)計(jì)參數(shù)選擇研究”、“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“高速鐵路線橋結(jié)構(gòu)與技術(shù)條件(標(biāo)準(zhǔn))的研究”等項(xiàng)目的研究，制訂了我國有關(guān)橋上無縫線路的相關(guān)規(guī)定，并編制《時(shí)速200公里新建鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》。在秦沈客運(yùn)專線，首次開展了較為完整的“橋梁縱向力綜合始于研究”項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，研究制訂了《新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)及縱向力計(jì)算暫行規(guī)定》，并在《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中采納。通過前期開展的各項(xiàng)研究，特別是秦沈客運(yùn)專線橋梁縱向力綜合試驗(yàn)，在橋梁縱向力方面得出了大量科研成果和研究結(jié)論。

2 簡支梁橋梁軌共同作用計(jì)算模型及條件

2.1 計(jì)算模型

軌道結(jié)構(gòu)與橋梁共同作用的力學(xué)計(jì)算模型采用平面桿系(圖2)，通過軌道縱向位移阻力與梁軌相對位移的非線性關(guān)系將兩者結(jié)合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，模擬該關(guān)系采用間距為1 m的非線性抗彎桿件，梁跨撓曲產(chǎn)生的上下緣位移通過加設(shè)剛臂來實(shí)現(xiàn)，活動(dòng)支座不考慮摩阻，固定支座不考慮裝配間隙，橋外路基上的鋼軌長度≥L+40 m(L為簡支結(jié)構(gòu)的跨度或連續(xù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)長)。該模型經(jīng)國內(nèi)實(shí)橋測試結(jié)果和國外資料的驗(yàn)證，結(jié)果相當(dāng)吻合。

2.2 計(jì)算參數(shù)及限值

計(jì)算參數(shù)及相關(guān)限值如表2所示。

圖2 梁軌共同作用力學(xué)計(jì)算模型示意

表2 計(jì)算參數(shù)及相關(guān)限值

3 常用跨度簡支梁橋墩臺縱向線剛度研究

進(jìn)行常用跨度簡支梁橋墩臺縱向剛度分析研究時(shí)，主要考慮橋上有砟軌道和無砟軌道兩種情況，其中無砟軌道橋梁分別進(jìn)行了采用常阻力及小阻力扣件條件下的縱向力分析。計(jì)算假定如下:①橋臺的縱向剛度按3 000 kN/(cm·雙線)計(jì)算;②采用單線橋梁進(jìn)行墩臺縱向剛度限值計(jì)算分析。

3.1 有砟軌道簡支梁橋

跨度20～48 m簡支梁橋鋼軌附加最大應(yīng)力隨墩臺縱向線剛度變化的計(jì)算結(jié)果(見圖3)表明，在計(jì)算所考慮的墩臺縱向線剛度條件下，鋼軌附加應(yīng)力均未超過無縫線路鋼軌附加應(yīng)力限值，因此無縫線路鋼軌附加應(yīng)力并不控制有砟軌道橋梁墩臺縱向剛度的設(shè)計(jì)，說明現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的墩臺縱向剛度限值規(guī)定基本合理。

不同橋墩縱向線剛度條件下梁軌快速相對位移與跨度的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)橋墩縱向線剛度相同時(shí)，梁軌快速相對位移隨跨度的增大基本呈線性增大;當(dāng)橋墩縱向線剛度較小時(shí)，梁軌快速相對位移隨跨度的增幅較大，當(dāng)橋墩縱向線剛度較大時(shí)，梁軌快速相對位移隨跨度的增幅較小。

3.2 無砟軌道簡支梁橋

對于無砟軌道，由于不存在梁軌相對位移過大引起的道砟分散危害，故梁軌快速相對位移對墩臺縱向線剛度限值并不起控制作用。

圖3 鋼軌最大附加力隨橋墩縱向線剛度變化

圖4 梁軌快速相對位移與跨度關(guān)系

3.2.1 采用常阻力扣件

跨度20～48 m簡支梁橋采用常阻力扣件時(shí)，不同墩臺縱向剛度條件下鋼軌附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(圖5)說明，除跨度48 m簡支梁橋在橋墩縱向剛度300 kN/cm時(shí)(規(guī)范限值單線為500 kN/cm)鋼軌附加應(yīng)力超過85 MPa外，跨度20～40 m簡支梁橋的鋼軌附加應(yīng)力均未超過85 MPa的限值。因此，對于采用常阻力扣件的無砟軌道的常用跨度簡支梁橋，與有砟軌道類似，橋上鋼軌附加應(yīng)力也并不控制橋梁墩臺縱向剛度的設(shè)計(jì)。

圖5 鋼軌最大附加力隨橋墩縱向線剛度變化

3.2.2 采用小阻力扣件

跨度20～48 m簡支梁橋采用小阻力扣件時(shí)，不同墩臺縱向剛度條件下鋼軌附加應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(圖6)說明，采用小阻力扣件可以有效地降低鋼軌的附加應(yīng)力，對于常用跨度簡支梁橋，橋上鋼軌附加應(yīng)力仍不控制橋梁墩臺縱向剛度的設(shè)計(jì)。

3.2.3 常阻力與小阻力扣件情況下鋼軌附加應(yīng)力比較

不同橋墩縱向線剛度時(shí)，常阻力扣件情況下比小阻力扣件情況小鋼軌附加應(yīng)力增大比例見表3。從表中可以看出，隨橋墩縱向線剛度的增加，鋼軌附加應(yīng)力增大幅值越大;橋梁墩臺剛度越大時(shí)，線路縱向阻力對鋼軌附加力的影響越明顯。

圖6 鋼軌最大附加力隨橋墩縱向線剛度變化

表3 鋼軌附加應(yīng)力增大比例(常阻力扣件與小阻力扣件比較)

3.3 簡支梁橋墩臺制動(dòng)力

當(dāng)列車在簡支梁橋上制動(dòng)時(shí)，由于梁軌共同作用關(guān)系，除引起鋼軌附加力外，同樣還會在墩臺頂部產(chǎn)生墩臺制動(dòng)力。計(jì)算結(jié)果分析表明，不同軌道結(jié)構(gòu)形式條件下墩臺制動(dòng)力隨橋墩縱向線剛度變化趨勢一致，其中有砟軌道與采用小阻力扣件的計(jì)算結(jié)果更為接近;橋墩制動(dòng)力隨著橋墩縱向線剛度的增大而增大，橋墩剛度較小時(shí)橋墩制動(dòng)力增長較快，當(dāng)橋墩剛度 >1 000 kN/cm后，橋墩制動(dòng)力增長較為緩慢并趨于穩(wěn)定，其最大值約為一跨梁上所有制動(dòng)荷載之和;與橋墩制動(dòng)力規(guī)律相反，橋臺制動(dòng)力隨著橋墩縱向線剛度的增大而減小，橋墩剛度較小時(shí)橋臺制動(dòng)力減小較快，當(dāng)橋墩剛度>1 000 kN/cm后，橋墩制動(dòng)力增長也逐漸趨緩。

表4列出了在滿足墩臺線最小剛度條件下，跨度20～48 m簡支梁橋墩頂、橋臺最大制動(dòng)力的計(jì)算結(jié)果及按現(xiàn)行“規(guī)范”規(guī)定10%豎向活載計(jì)算的相應(yīng)制動(dòng)力。

上述計(jì)算結(jié)果表明，與前期研究結(jié)論類似，跨度<20 m的橋梁的制動(dòng)力與“暫規(guī)”規(guī)定基本相當(dāng);跨度>24 m簡支梁及不同跨度橋梁橋臺，墩臺制動(dòng)力一般均遠(yuǎn)大于現(xiàn)行“暫規(guī)”規(guī)定。因此，如果按設(shè)計(jì)活載計(jì)算橋梁的制動(dòng)力，《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中墩臺有效制動(dòng)力按10%豎向活載取值的規(guī)定明顯偏小。

3.4 簡支梁橋墩臺縱向線剛度限值

根據(jù)客運(yùn)專線鐵路橋上鋼軌附加應(yīng)力限值及梁軌快速相對位移限值控制要求，當(dāng)橋梁不設(shè)置縱向傳力裝置或橋上鋼軌不設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，有砟軌道簡支梁橋橋墩頂縱向水平線剛度限值列于表5中。橋臺縱向水平線剛度不宜小于3 000 kN/(cm·雙線)。

表4 不同跨度簡支梁橋墩臺頂最大制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

表5 簡支梁橋墩縱向水平線剛度限值K kN/(cm·線)

對于無砟軌道橋梁，雖然鋼軌附加應(yīng)力并不控制橋墩剛度的設(shè)計(jì)，但橋墩剛度下降后，橋臺承受的縱向力將進(jìn)一步增大;同時(shí)，雖然無砟軌道對梁軌快速相對位移并無規(guī)定，但過大的相對位移可能會對扣件系統(tǒng)帶來不利影響。因此，常用跨度無砟軌道橋梁的墩臺縱向剛度可按有砟軌道橋梁取值。

4 雙線簡支梁橋墩臺縱向線剛度

現(xiàn)行“規(guī)范”中給出的是雙線橋梁墩臺縱向剛度限值，對于單線橋梁按1/2取值。由于在前期規(guī)范制訂過程中，計(jì)算模型也是采用單線并考慮雙線制動(dòng)/起動(dòng)的工況。從當(dāng)前我國新建客運(yùn)專線的整體情況來看，區(qū)間線路大多采用雙線整孔橋梁結(jié)構(gòu)，而在區(qū)間線路上，同時(shí)出現(xiàn)兩線制動(dòng)、啟動(dòng)的概率極低，因此對于雙線簡支橋梁，縱向剛度限值若簡單按單線的2倍進(jìn)行限制則過于保守。

考慮到當(dāng)前客運(yùn)專線實(shí)際運(yùn)營列車豎向靜活載效應(yīng)不超過設(shè)計(jì)靜活載效應(yīng)的45%，因此，規(guī)范規(guī)定的墩臺縱向線剛度尚有一定安全儲備。同時(shí)，在我國鐵路《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中規(guī)定，“同時(shí)承受多線列車活載的橋跨結(jié)構(gòu)和墩臺，其列車豎向活載對主要桿件雙線應(yīng)為兩線列車活載總和的90%”。

基于上述考慮，常用跨度雙線簡支梁橋墩臺的最小水平線剛度限值按單線橋梁的1.6倍取值為宜。

5 結(jié)語

本文提出了客運(yùn)專線常用跨度簡支橋梁墩臺縱向線剛度限值建議，可供相關(guān)設(shè)計(jì)、研究參考。橋上鋪設(shè)CRTSⅡ型板式無砟軌道后，“兩布一膜”滑動(dòng)層的采用使縱向力傳力途徑發(fā)生改變，梁軌共同作用機(jī)理發(fā)生變化，在此情況下橋梁墩臺縱向線剛度的合理取值還有待進(jìn)一步研究。

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