雷振宇 張鵬飛 翟利華 農(nóng)興中

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州；2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育工程研究中心，330013，南昌//第一作者，高級(jí)工程師)

我國(guó)高速鐵路多采用以橋代路的方式來(lái)減小占地面積，橋梁結(jié)構(gòu)形式多為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋上軌道結(jié)構(gòu)多采用無(wú)砟軌道和跨區(qū)間無(wú)縫線路技術(shù)。橋上的無(wú)縫線路受力情況與路基上明顯不同：混凝土梁體在自然環(huán)境中受溫度荷載作用會(huì)發(fā)生伸縮變形，層間摩擦阻力帶動(dòng)底座板、CA砂漿、軌道板產(chǎn)生縱向變形及縱向力，軌道板通過(guò)扣件對(duì)鋼軌施加縱向力并使其產(chǎn)生縱向變形及縱向力，該縱向作用力被稱為附加伸縮力。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要傾向于溫度荷載、制動(dòng)荷載、列車(chē)荷載作用下橋上無(wú)砟軌道的靜/動(dòng)力特性及參數(shù)優(yōu)化[1-8]。本文基于有限元法，建立了6×32 m簡(jiǎn)支梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路空間耦合模型，研究在溫度荷載作用下，橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路附加伸縮力分布規(guī)律，并對(duì)其影響參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，為完善橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路設(shè)計(jì)方法提供參考。

1 計(jì)算模型的建立

雙線鐵路6×32 m簡(jiǎn)支梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路力學(xué)模型示意圖如圖1所示。

a) 整體

b) 局部圖1 簡(jiǎn)支梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道 無(wú)縫線路力學(xué)模型示意圖

1.1 空間耦合模型

(1)采用鐵摩辛柯梁，梁?jiǎn)卧MCHN60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，彈簧單元模擬WJ-7型扣件，扣件間距為0.629 m，全面考慮扣件系統(tǒng)對(duì)鋼軌的縱、橫、垂向約束。其中，橫向和垂向剛度采用COMBIN 14彈簧-阻尼器單元模擬，橫向和垂向剛度大小分別為50 kN/mm和35 kN/mm；縱向剛度采用COMBIN 39非線性彈簧單元模擬，縱向阻力取值按式(1)計(jì)算。單組扣件提供的最大縱向阻力為15.096 kN/組，取15 kN/組。

式中：

r——縱向阻力；

x——鋼軌與軌道板之間的相對(duì)位移。

(2)軌道板和CA砂漿層采用實(shí)體單元模擬，軌道板為C60預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。在32 m簡(jiǎn)支梁上設(shè)2塊長(zhǎng)為3 685 mm的梁端軌道板和5塊長(zhǎng)為4 962 mm的跨中軌道板，軌道板之間均設(shè)置70 mm的板縫。路基地段均采用長(zhǎng)為4 962 mm的標(biāo)準(zhǔn)軌道板，軌道板寬度為2 400 mm，厚度為190 mm。砂漿充填層的長(zhǎng)度和寬度與軌道板尺寸相同，厚度為50 mm，彈性模量取200 MPa。

(3)底座板和凸形擋臺(tái)均為C40預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用實(shí)體單元模擬。底座板寬為2.8 m，厚為200 mm。橋梁段每塊底座板之間均設(shè)置20 mm的伸縮縫，和軌道板板縫相應(yīng)對(duì)齊并繞過(guò)凸形擋臺(tái)。在路基上，4塊底座板縱向相連。凸形擋臺(tái)為260 mm的圓柱或半圓柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高度為450 mm。凸形擋臺(tái)與軌道板之間填充的樹(shù)脂材料厚度為40 mm，彈性模量為25 MPa，均采用實(shí)體單元模擬。

(4)預(yù)制箱梁為C50預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用實(shí)體單元模擬，箱梁截面結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖2 雙線簡(jiǎn)支箱梁跨中截面

由以上各部分組成的6×32 m簡(jiǎn)支梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路空間耦合有限元模型如圖3所示。橋梁兩端分別建立了40 m的路基段，以消除邊界效應(yīng)。

圖3 簡(jiǎn)支梁橋上CRTSⅠ型無(wú)砟軌道 無(wú)縫線路空間耦合模型

1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，混凝土梁年溫差取30 ℃，雙線簡(jiǎn)支梁橋墩頂縱向水平剛度取350 kN/cm，橋臺(tái)頂縱向水平剛度取3 000 kN/cm。

2 梁體溫差的影響

本節(jié)軌道板和底座板分別降溫40 ℃和35 ℃，梁體按分別降溫25 ℃、30 ℃和35 ℃3種工況考慮。不同梁體溫差條件下的鋼軌伸縮力、橋上軌道板及底座板縱向應(yīng)力分別如圖4—圖6所示，其計(jì)算結(jié)果的最大值如表1所示。圖表中，正值代表拉(應(yīng))力，負(fù)值代表壓(應(yīng))力，下同。不同梁體溫差條件下的鋼軌縱向位移及軌板相對(duì)位移分別如圖7和圖8所示，其計(jì)算結(jié)果的最大值如表2所示。圖表中，正值代表拉伸變形，負(fù)值代表壓縮變形，下同。

從圖4—圖8、表1及表2可知，溫度荷載作用下，鋼軌伸縮力的峰值出現(xiàn)在橋梁墩臺(tái)及跨中。由于橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道底座板及軌道板的縱向不連續(xù)性，因此其縱向應(yīng)力圖成波動(dòng)曲線，其中圖線中的突變是由于板縫的存在，且凸形擋臺(tái)在一定程度上分擔(dān)了一部分底座板縱向應(yīng)力的傳遞；隨著梁體溫差的增大，鋼軌縱向力隨之增大，但增幅不大；由于軌道板/底座板與梁體間溫差的減小，其縱向應(yīng)力隨之減小，且減幅明顯，這說(shuō)明軌道板/底座板附加縱向應(yīng)力主要來(lái)自于軌道與橋梁間的溫差；鋼軌縱向位移在橋梁跨中達(dá)到最大，在路基上逐漸減小至零；軌板相對(duì)位移在固定支座處較小，在活動(dòng)支座處達(dá)到最大。

圖4 鋼軌伸縮力

圖5 橋上軌道板上表面縱向應(yīng)力

圖6 橋上底座板下表面縱向應(yīng)力

圖7 鋼軌縱向位移

圖8 軌板相對(duì)位移表1 軌道結(jié)構(gòu)縱向力最大值

梁體溫差/℃鋼軌伸縮力/kN軌道板上表面應(yīng)力/MPa軌道板下表面應(yīng)力/MPa底座板上表面應(yīng)力/MPa底座板下表面應(yīng)力/MPa正值負(fù)值正值負(fù)值正值負(fù)值正值負(fù)值正值負(fù)值25323.91231.143.611.684.161.871.415.6430351.12263.982.711.333.070.830.983.381.0835375.53296.211.810.991.970.471.161.102.79

表2 軌道結(jié)構(gòu)縱向位移最大值 mm

梁體溫差對(duì)橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向位移有較大影響，隨著梁體溫差的增大，橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向位移隨之增大，且增量較大。因此，在晝夜溫差較大的情況下，要加強(qiáng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的檢測(cè)維護(hù)，以免鋼軌承受過(guò)大的拉力，防止因軌板相對(duì)位移過(guò)大而導(dǎo)致扣件失效。

3 扣件縱向阻力的影響

本節(jié)橋上扣件縱向阻力分別按4 kN/組、10 kN/組、15 kN/組及20 kN/組4種工況考慮，不同扣件縱向阻力條件下的鋼軌伸縮力、縱向位移及軌板相對(duì)位移分別如圖9—圖11所示，其計(jì)算結(jié)果的最大值如表3所示。

圖9 鋼軌伸縮力

圖11 軌板相對(duì)位移

從圖9—圖11和表3可知，扣件縱向阻力對(duì)橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力/位移有較大影響，隨著扣件阻力的減小，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力在縱向的變化趨于平緩，最大值隨之減小。由此可見(jiàn)，采用小阻力扣件對(duì)橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的受力是有利的，但鋼軌位移及軌板相對(duì)位移隨著扣件縱向阻力的減小而增大。因此，采用小阻力扣件時(shí)，橋臺(tái)活動(dòng)支座端是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，使鋼軌在橋臺(tái)處的爬行能夠得到有效控制。

表3 軌道結(jié)構(gòu)縱向力和縱向位移最大值

4 橋臺(tái)頂縱向剛度的影響

本節(jié)橋墩頂縱向剛度取350 kN/cm，橋臺(tái)頂縱向剛度分別按3 000 kN/cm、10 000 kN/cm和全約束3種工況考慮。不同橋墩臺(tái)頂縱向剛度條件下的鋼軌伸縮力、縱向位移及軌板相對(duì)位移最大值如表4所示。

表4 不同橋墩臺(tái)頂縱向剛度條件下軌道結(jié)構(gòu)縱向力和縱向位移最大值

從表4可知，固定支座橋臺(tái)頂縱向剛度對(duì)橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力和縱向位移在一定范圍內(nèi)影響較大；隨著橋臺(tái)固定端縱向剛度的增加，左側(cè)路基段及第一跨橋上軌道結(jié)構(gòu)受力明顯增大，左側(cè)路基段及前三跨橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向位移明顯增大，對(duì)后三跨及右側(cè)路基影響較小。由此可知，從減小鋼軌伸縮力及縱向位移的角度考慮，橋臺(tái)固定端縱向水平剛度不宜過(guò)大。

5 橋墩頂縱向剛度的影響

本節(jié)橋臺(tái)頂縱向剛度取3 000 kN/cm，橋墩頂縱向剛度分別按200 kN/cm、350 kN/cm和500 kN/cm 3種工況考慮，不同橋墩臺(tái)頂縱向剛度條件下的鋼軌伸縮力、縱向位移及軌板相對(duì)位移如表5所示。

從表5可知，固定支座橋墩頂縱向剛度對(duì)橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力影響不大，對(duì)縱向位移影響較大，但軌板相對(duì)位移變化不大；隨著墩頂縱向水平剛度的增大，鋼軌位移隨之增大。因此，從減小鋼軌縱向位移的角度考慮，墩頂縱向剛度不宜過(guò)大。

表5 不同橋墩臺(tái)頂縱向剛度下軌道結(jié)構(gòu)縱向力和縱向位移最大值

6 結(jié)論與建議

本文建立了多跨簡(jiǎn)支梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路空間耦合有限元模型，研究了溫度荷載作用下鋼軌、軌道板及底座板的受力變形特性，并對(duì)梁體溫差、扣件縱向阻力、橋臺(tái)固定端縱向剛度及橋墩固定端縱向剛度對(duì)伸縮力的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向位移隨著梁體溫差的增大而明顯增大，在晝夜溫差較大的情況下，要加強(qiáng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，以免活動(dòng)支座墩頂處軌板相對(duì)位移過(guò)大而導(dǎo)致扣件失效。

(2)小阻力扣件可以起到降低軌道結(jié)構(gòu)受力的作用，能改善橋上無(wú)縫線路梁軌相互作用；但當(dāng)扣件阻力較小時(shí)，橋臺(tái)處軌板相對(duì)位移會(huì)明顯增大。因此，采用小阻力扣件時(shí)，橋臺(tái)活動(dòng)支座端是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，使得鋼軌在橋臺(tái)處的爬行能夠得到控制。

(3)固定支座橋梁墩臺(tái)頂縱向剛度對(duì)橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力和縱向位移在一定范圍內(nèi)影響較大，隨著墩臺(tái)頂縱向剛度的增大，鋼軌伸縮力及位移隨之增大，且增量明顯。因此，從減小鋼軌伸縮力及縱向位移考慮，橋梁墩臺(tái)固定端縱向剛度不宜過(guò)大。