代永波

(武漢鐵路局，武漢 430000)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道選用了在短橋上連續(xù)鋪設(shè)軌道板的優(yōu)點(diǎn)，取消了軌道板在長(zhǎng)橋上分塊。橋上軌道結(jié)構(gòu)通過(guò)梁面鋪設(shè)“兩布一膜”滑動(dòng)層、橋梁固定支座上方梁面設(shè)置抗剪齒槽和錨固筋、臺(tái)后設(shè)置端刺和摩擦板等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了軌道結(jié)構(gòu)跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)，軌道結(jié)構(gòu)整體性和縱向連續(xù)性好[1-4]。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道與橋梁間的相互作用與普通橋上無(wú)縫線(xiàn)路的梁、軌相互作用既有共性又存在差異。橋梁伸縮而引起的鋼軌縱向附加力、軌道板和底座板的縱向附加力為伸縮力，伸縮力是梁、軌相互作用中一項(xiàng)重要計(jì)算荷載。

橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道與橋梁的伸縮附加作用原理可以表述為:在梁體溫度變化作用下，橋梁與軌道結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生相對(duì)位移，這種相對(duì)位移通過(guò)滑動(dòng)層摩擦、剪力齒槽、鋼軌扣件等梁軌間相互約束，使軌道結(jié)構(gòu)受到縱向力的作用。這些力同時(shí)又反作用于橋跨和固定支座，使橋梁墩臺(tái)產(chǎn)生彈性變形，最終橋梁與軌道形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系。

1.1 計(jì)算模型

橋上縱連板式無(wú)砟軌道是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)，要進(jìn)行完全精確的模擬是十分困難的，其計(jì)算模型的建立，應(yīng)滿(mǎn)足既能在總體上較為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力情況，同時(shí)也能考慮到計(jì)算的方便和可靠性，在滿(mǎn)足工程精度需要的前提下，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化?，F(xiàn)對(duì)全橋縱連板式無(wú)砟軌道的線(xiàn)—板—橋—墩一體化模型作如下假定:①鋼軌為縱向連續(xù)長(zhǎng)梁，其拉、壓剛度相等，且為常量;②鋼軌和軌道板間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過(guò)扣件相互作用，扣件阻力與鋼軌、軌道板的相對(duì)位移為非線(xiàn)性關(guān)系;③假設(shè)橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，阻止橋梁縱向變形的剛度就為墩臺(tái)頂縱向水平剛度，活動(dòng)支座抵抗伸縮的阻力可忽略不計(jì);④底座板與橋梁間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過(guò)滑動(dòng)層與限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行縱向相互作用，滑動(dòng)層的摩擦阻力與二者間的相對(duì)位移為非線(xiàn)性關(guān)系，固結(jié)機(jī)構(gòu)縱向作用力與二者間的相對(duì)位移為線(xiàn)性關(guān)系;⑤假定瀝青砂漿對(duì)軌道板和底座板提供非線(xiàn)性阻力作用，軌道板和底座板間的非線(xiàn)性阻力隨著二者的相對(duì)位移呈非線(xiàn)性變化，非線(xiàn)性阻力的最大值依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定;⑥底座板與端刺和摩擦板產(chǎn)生縱向相互作用，端刺縱向剛度為線(xiàn)性的，摩擦板與底座板的摩擦阻力為非線(xiàn)性。根據(jù)以上假定，建立如圖1所示的線(xiàn)—板—橋—墩空間一體化縱向力計(jì)算模型。

1.2 計(jì)算參數(shù)選取

針對(duì)高速鐵路某一特殊工點(diǎn)，橋梁跨數(shù)較多，選取其中間部分簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，橋梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

鋼軌扣件縱向阻力采用非線(xiàn)性彈簧模擬，有載 r=60 kN/m·線(xiàn);無(wú)載 r=30 kN/m·線(xiàn)，極限位移 u0=0.5 mm;底座板與橋梁之間“兩布一膜”采用非線(xiàn)性彈簧模擬，縱向摩擦系數(shù)取0.3，滑動(dòng)極限位移0.5 mm。鋼軌為60 kg/m鋼軌，橋梁的截面面積8.962 m2，豎向抗彎慣性矩11.0 m4，橫向抗彎慣性矩84.73 m4，混凝土彈性模量3.55×104MPa;梁體降溫按15℃計(jì)算。

圖1 線(xiàn)—板—橋—墩縱向力計(jì)算模型

表1 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 伸縮附加作用計(jì)算

2.1 伸縮位移計(jì)算

從降溫工況下梁體縱向位移曲線(xiàn)圖2(圖中橫坐標(biāo)原點(diǎn)為模型小里程端起點(diǎn)，圖3至圖7同)可以看出，各跨梁體位移曲線(xiàn)主要受自身溫度跨度大小控制，溫度跨度越大梁體的伸縮位移越大，32 m等跨度簡(jiǎn)支梁的位移曲線(xiàn)大致相同。

軌道各結(jié)構(gòu)層的總體位移特征如圖3所示。由位移特征圖形可以發(fā)現(xiàn)，軌道板、底座板的位移特征與鋼軌的位移特征相似。受連續(xù)梁大溫度跨度的影響，在連續(xù)梁上的軌道結(jié)構(gòu)伸縮位移與梁伸縮方向相同，最大位移量出現(xiàn)在連續(xù)梁與簡(jiǎn)支梁接縫附近，鋼軌最大位移為0.43 mm，軌道板和底座板的最大位移為0.45 mm，并且在連續(xù)梁中部也存在位移零點(diǎn)。

圖2 橋梁位移

圖3 軌道各結(jié)構(gòu)層位移

鋼軌相對(duì)于軌道板位移及底座板相對(duì)于梁面的位移分別如圖4和圖5所示，可以看出，梁體降溫15℃時(shí)，大部分區(qū)域內(nèi)梁面與底座板間的相對(duì)位移差超過(guò)0.5 mm，即兩者處于滑動(dòng)狀態(tài);而軌道板和鋼軌間的相對(duì)位移遠(yuǎn)小于0.5 mm，扣件阻力處于彈性范圍。

圖4 鋼軌相對(duì)于軌道板位移

圖5 底座板相對(duì)于梁面位移

2.2 伸縮附加力計(jì)算

軌道各結(jié)構(gòu)層的縱向力特征如圖6、圖7所示。由鋼軌縱向力特征圖形可以看出，受中部連續(xù)梁大伸縮跨影響，連續(xù)梁上鋼軌受到較大的壓力，簡(jiǎn)支梁上部區(qū)域鋼軌受拉。軌道板、底座板的縱向受力特征與鋼軌大致相同。在連續(xù)梁固定支座上方附近區(qū)域，軌道結(jié)構(gòu)受到的伸縮附加力最大，鋼軌受到的最大伸縮壓力為28.4 kN，軌道板最大伸縮壓力為295.1 kN，底座板最大伸縮壓力為580.1 kN。

圖6 鋼軌縱向力

圖7 軌道板及底座板縱向力

單線(xiàn)剪力齒槽受力如圖8所示。最大剪力出現(xiàn)在連續(xù)梁固定支座，為591 kN，且由于連續(xù)梁的固定支座布置在靠近小里程端的268#號(hào)墩上，與簡(jiǎn)支梁固定支座布置在大里程端不同，所以連續(xù)梁上剪力齒槽受力方向與簡(jiǎn)支梁上的相反。另外還可以看出簡(jiǎn)支梁跨剪力齒槽主要與溫度跨度大小有關(guān)，等跨的32 m簡(jiǎn)支梁上剪力齒槽受力較為均勻，在205～291 kN之間;而25 m和24 m跨度的簡(jiǎn)支梁上剪力齒槽受力為165 kN左右。橋墩受力如圖9所示。可以看出，連續(xù)梁固定支座所在的268#號(hào)橋墩所受的縱向力最大為255 kN，另外靠近大里程端簡(jiǎn)支梁的橋墩受力較小里程端簡(jiǎn)支梁橋墩受力要大。

圖8 單線(xiàn)剪力齒槽縱向力

圖9 橋墩受力

3 伸縮附加作用影響因素分析

3.1 滑動(dòng)層摩擦系數(shù)影響分析

滑動(dòng)層對(duì)橋上縱連板式結(jié)構(gòu)起著非常重要的作用，但在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，其摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，有可能發(fā)生滑動(dòng)層失效的情況，而且滑動(dòng)層一旦失效，將無(wú)法修復(fù)，因此在設(shè)計(jì)中必須要考慮到滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響。本節(jié)將滑動(dòng)層摩擦系數(shù)分別取為0，0.15，0.30，0.45，0.60，計(jì)算 5 種工況下梁軌相互作用的伸縮特性。由圖10可以看出，隨著底座板和橋梁之間滑動(dòng)層的摩擦系數(shù)的增大，底座板相對(duì)橋梁的位移值不斷減小。鋼軌、軌道板、底座板的縱向力隨滑動(dòng)層摩擦系數(shù)的增加而不斷增大(如圖11—圖 13所示)，由圖14、圖15也可看出剪力齒槽最大剪力及連續(xù)梁固定支座所在橋墩的受力變化趨勢(shì)也有相同的規(guī)律。

總的來(lái)看，在相同梁體伸縮量的條件下，摩擦系數(shù)的大小直接反應(yīng)了梁體和軌道間相互作用力。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，滑動(dòng)層若出現(xiàn)破損，將導(dǎo)致其摩擦系數(shù)增大，從安全角度考慮，宜采用其在極限狀態(tài)下的最大摩擦系數(shù)進(jìn)行線(xiàn)—橋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)檢算，同時(shí)應(yīng)規(guī)定橋面滑動(dòng)層在服役期內(nèi)的最大摩擦系數(shù)不宜超過(guò)一定的限值。

3.2 底座板剛度折減影響分析

軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、軌道板、底座混凝土板和CA砂漿墊層組成，隨著溫度變化和外部荷載的作用，底座板必然會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，使底座板抗拉剛度減小，最終影響結(jié)構(gòu)受力。在此，主要討論底座板在開(kāi)裂狀態(tài)下軌道和橋梁各結(jié)構(gòu)的受力變化情況，為深入研究縱連板式橋上無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)檢算提供計(jì)算依據(jù)。

圖10 底座板相對(duì)橋梁最大位移隨摩擦系數(shù)變化

圖11 鋼軌縱向力隨摩擦系數(shù)變化

圖12 軌道板縱向力隨摩擦系數(shù)變化

圖13 底座板縱向力隨摩擦系數(shù)變化

圖14 剪力齒槽最大剪力隨摩擦系數(shù)變化

圖15 連續(xù)梁橋墩受力隨摩擦系數(shù)變化

本節(jié)在考慮溫度荷載作用下底座板剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響時(shí)，取底座板全線(xiàn)伸縮剛度為全截面剛度的20%，40%，60%，80%和100%，計(jì)算5種工況下的橋上縱連板式無(wú)砟軌道的伸縮特性。

由圖16可以看出，底座板軸向剛度的增大，底座板相對(duì)橋梁的位移值有所增加。鋼軌、軌道板、底座板的縱向力隨著底座板縱向剛度折減的變化規(guī)律分別如圖17—圖19所示，隨著底座板軸向剛度的增加，軌道板縱向力下降，但是底座板所受縱向力則呈增大趨勢(shì)。這主要是由于在降溫時(shí)，鋪設(shè)完成的縱連底座板，由于伸縮剛度較大，在最大溫降及收縮徐變作用下承受相當(dāng)大的縱向力，會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，隨著底座板裂縫的增多及加寬，底座板縱向剛度減小，其所承受的縱向力也逐漸減小，最終達(dá)到受力與開(kāi)裂的平衡。

由圖20可以看出，剪力齒槽最大剪力隨底座板剛度的增加而逐漸增大，但增大幅度不斷減小;而圖21顯示連續(xù)梁固定支座橋墩所受的縱向力隨著底座板剛度的增加而逐漸減小。

圖16 底座板相對(duì)橋梁最大位移隨底座板剛度變化

圖17 鋼軌縱向力隨底座板剛度變化

圖18 軌道板縱向力隨底座板剛度變化

圖20 剪力齒槽最大剪力隨底座板剛度變化

圖21 連續(xù)梁橋墩受力隨底座板剛度變化

4 結(jié)論

由以上計(jì)算結(jié)果及分析，可以得出如下結(jié)論:

1)由于橋上底座板和軌道板縱連，相當(dāng)于橋上無(wú)縫線(xiàn)路的固定區(qū)，其縱向受力及變形特征與鋼軌的相似，不過(guò)底座板受滑動(dòng)層摩擦及剪力齒槽的傳力作用，其位移特征受梁跨影響相對(duì)明顯。整體上看，底座板與橋梁之間設(shè)置“兩布一膜”的隔離層，減弱了橋梁的伸縮對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，軌道結(jié)構(gòu)受梁軌相互作用產(chǎn)生的軸力和位移量值不大;

2)扣件縱向阻力大于底座板和梁面間“兩布一膜”隔離層的最大靜摩擦力，因此滑移面首先出現(xiàn)在梁面和底座板之間;分析表明，各種工況下鋼軌和軌道板間相對(duì)位移小于滑移位移，扣件系統(tǒng)受力處于彈性范圍;

3)梁軌相互作用過(guò)程中，軌道板與底座板之間相對(duì)位移較小，基本為同步變形，即砂漿調(diào)整層使得底座板和軌道板協(xié)同受力;

4)底座板和橋梁之間滑動(dòng)層的摩擦系數(shù)直接影響橋梁伸縮作用的大小，隨著摩擦系數(shù)的增大，底座板相對(duì)橋梁的位移值不斷減小，而軌道結(jié)構(gòu)各層的最大軸力、剪力齒槽最大剪力及連續(xù)梁固定支座所在橋墩的受力不斷增大;

5)在伸縮工況下，隨底座板軸向剛度的增大，底座板相對(duì)橋梁的位移值有所增加，軌道板縱向力下降，但是底座板所受縱向力則呈增大趨勢(shì)。對(duì)于縱連的底座板，在最大溫降及收縮徐變作用下承受相當(dāng)大的縱向力，會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，隨著底座板裂縫的增多及加寬，底座板縱向剛度減小，其所承受的縱向力也逐漸減小，最終達(dá)到受力與開(kāi)裂的平衡。隨底座板剛度的增加，剪力齒槽最大剪力逐漸增大，但連續(xù)梁固定支座橋墩所受的縱向力逐漸減小。

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