丁靜波,楊 松,禹 雷,劉亞航,郭 驍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

目前國(guó)內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程，例如武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋等，多采用有砟軌道結(jié)構(gòu)[1]。高速列車運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)350 km時(shí)，有砟軌道幾何狀態(tài)不易長(zhǎng)期保持，且這種局部范圍內(nèi)鋪設(shè)有砟軌道，也不利于高速鐵路全線軌道類型統(tǒng)一，增加了維修工作量和養(yǎng)護(hù)維修設(shè)備種類。

無砟軌道相對(duì)有砟軌道具有良好的穩(wěn)定性、平順性和耐久性，且無砟軌道結(jié)構(gòu)自重輕、維護(hù)工作量少、全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性較好[2]。一般大跨度鋼橋通常是線路上的重要節(jié)點(diǎn)，為提高線路的利用效率，需要盡量延長(zhǎng)大跨橋梁軌道的維修周期，采用無砟軌道是實(shí)現(xiàn)該目的的有效途徑[3]。有砟軌道全壽命周期約15年，總成本年值55.42萬元/年；無砟軌道全壽命周期60年，總成本年值37.43萬元/年，因此無砟軌道綜合成本低[4]。另外無砟軌道較有砟軌道對(duì)橋梁二期恒載輕，可降低橋梁體量。

因此，在大跨度鋼橋上推廣使用無砟軌道，不僅是實(shí)現(xiàn)高速鐵路高速平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)的要求，同時(shí)對(duì)于節(jié)約工程造價(jià)，降低后期軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量都有積極的意義。本文研究大跨度鋼橋無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)鋼橋周期性變形特點(diǎn)，計(jì)算分析對(duì)橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響等內(nèi)容。

2 大跨度鋼橋無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 大跨度鋼橋無砟軌道與橋面連接方案

大跨度鋼橋無砟軌道主要由道床板、隔離層及底座等組成，道床板寬度為2 800 mm，按與橋面連接方式不同主要有2種方案。

(1)方案1：先在鋼橋上鋪設(shè)一整塊橋面板，橋面板通過100 mm剪力釘與鋼橋連接成整體，然后在橋面板上鋪設(shè)厚270 mm底座，見圖1。

圖1 大跨度鋼橋無砟軌道方案1(單位：mm)

(2)方案2：底座直接與鋼橋連接，通過300 mm剪力釘與鋼橋連接成整體，設(shè)計(jì)底座厚度420 mm，該方案橋面板為不連續(xù)結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 大跨度鋼橋無砟軌道方案2(單位：mm)

方案1先鋪設(shè)一層15 cm厚混凝土橋面板，整體性好，有利于橋梁橋面的防腐，也可有效提高無砟軌道結(jié)構(gòu)局部剛度。通過對(duì)比分析，在相同荷載作用下，無砟軌道結(jié)構(gòu)底座受力降低明顯，其拉應(yīng)力值減少約60%，見圖3，有利于提高無砟軌道耐久性；綜上，推薦采用方案1與橋面連接。

圖3 無砟軌道與橋面連接構(gòu)造方案對(duì)比分析

2.2 大跨度鋼橋變形對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響

在列車活載和溫度荷載作用下會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，引起了軌道狀態(tài)的變化，特別是大跨度鋼橋無砟軌道，這種周期性的下?lián)虾蜕瞎坝绊懜@著。基于此，應(yīng)對(duì)在這種變形作用下的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析[5-6]。

需要說明，一般無砟軌道計(jì)算已考慮橋梁實(shí)際最大下?lián)衔灰?，本文重點(diǎn)研究大跨度鋼橋在溫度、徐變等作用下出現(xiàn)上拱變形時(shí)無砟軌道的受力狀態(tài)及規(guī)律[7]。為簡(jiǎn)化軌道模型，模型中將底座與鋪裝層的變形按協(xié)調(diào)一致處理，撓曲變形位移施加在鋪裝層的下表面。

上拱變形模擬分析表明，道床板上表面表現(xiàn)為壓應(yīng)力，下表面表現(xiàn)為拉應(yīng)力。按168 m鋼橋跨中最大上拱位移為8.5 mm，計(jì)算最大主拉應(yīng)力為2.20 MPa，上拱變形引起道床板與底座間離縫值為0.015 mm，見圖4。

圖4 軌道位移變形云圖(單位：m)

另外，無砟軌道限位凸臺(tái)考慮列車荷載、溫度作用和橋梁撓曲變形影響，通過建立三維模型，計(jì)算其縱橫向力，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 限位凸臺(tái)的縱橫向受力計(jì)算結(jié)果 kN

按最不利條件，假定縱橫向組合全作用于其中一個(gè)無砟軌道限位凸臺(tái)，且不考慮道床板與底座間摩擦力，其剪切應(yīng)力τ=0.36 MPa，承壓面壓應(yīng)力σ2=2.31 MPa。計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于C40混凝土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.6 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.1 MPa，因此無砟軌道限位凸臺(tái)結(jié)構(gòu)安全可靠。

大跨度鋼橋上無砟軌道底座宜用單元結(jié)構(gòu)，有利于控制底座裂紋[8]。考慮溫度和活載作用，底座的撓曲變形為35 mm，計(jì)算裂紋最大寬度為0.057 mm，其裂紋控制滿足耐久性的要求。

2.3 大跨度鋼橋上剪力釘受力模擬分析

大跨度鋼橋鋪設(shè)無砟軌道，橋面鋪裝層與底座間接地通過剪力釘連接。通過對(duì)鋪裝層-剪力釘這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特性分析，揭示剪力釘、鋪裝層的受力情況，這對(duì)保證大跨度鋼橋無砟軌道穩(wěn)定性十分重要。

剪力釘推出試驗(yàn)的目的是測(cè)試剪力釘在混凝土中的荷載-滑移量曲線和極限承載力。其中混凝土試塊、剪力釘、鋼梁均采用實(shí)體單元模擬，混凝土試塊底部施加位移約束，在鋼梁表面逐級(jí)加載，在試件鋼混界面滑移量持續(xù)增加，其承載力穩(wěn)定時(shí)停止。剪力釘推出試驗(yàn)有限元模型如圖5所示。

圖5 推出試驗(yàn)有限元模型

通過有限元計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試，剪力釘?shù)暮奢d-滑移曲線如圖6所示，2條曲線形狀基本吻合。有限元計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試得到的剪力釘最大抗剪承載力分別為183，180 kN。由此可見，剪力釘?shù)挠邢拊７椒ㄕ_，可進(jìn)一步用于鋼桁架橋梁鋪裝層剪力釘?shù)牟贾梅桨秆芯縖9]。

圖6 剪力釘荷載-滑移曲線

2.4 大跨度梁端梁縫計(jì)算

大跨度鋼橋梁端梁縫結(jié)構(gòu)是大跨度鋼橋無砟軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一。在溫度、動(dòng)力荷載的共同作用下，梁端軸向變形，將會(huì)顯著影響抬枕裝置的受力性能，甚至影響高速列車的行車安全。本文通過列車-軌道-橋梁耦合隨機(jī)振動(dòng)分析軟件(TBPROB)建立大位移抬枕裝置-軌道-橋梁系統(tǒng)程序模型[10-11]，將抬枕裝置的軌枕編號(hào)，如果圖7所示，研究1-4號(hào)、A、B位置的扣件橫、豎向力的規(guī)律。并根據(jù)溫度變形引起抬枕裝置伸縮變化，計(jì)算當(dāng)高速列車在正常運(yùn)營(yíng)車速350 km/h通過該抬枕裝置時(shí)的車橋耦合振動(dòng)特性。

圖7 高速列車作用下大位移抬枕裝置軌枕

經(jīng)分析，高速列車作用下抬枕裝置扣件間距達(dá)0.55 m時(shí)，其最大位移1.75 mm，見圖8。高速列車作用下抬枕裝置輪重減載率ΔP/P最大約為0.53，滿足ΔP/P≤0.60的要求，其余車體振動(dòng)加速度、脫軌系數(shù)等車輛動(dòng)力響應(yīng)未超過安全限值，高速列車行車安全在可控范圍之內(nèi)，見圖9。

圖8 高速列車作用下各工況大位移抬枕裝置軌枕扣件A處豎向位移時(shí)程曲線

圖9 高速列車作用下各工況高速列車通過移抬枕裝置處時(shí)車體輪重減載率的時(shí)程響應(yīng)曲線變化規(guī)律

2.5 大跨度鋼橋無砟軌道板模態(tài)分析

在列車行駛過程中產(chǎn)生的共振會(huì)導(dǎo)致鋼軌振動(dòng)幅度增大、輪軌作用力增強(qiáng)，也是引起鋼軌波磨、扣件彈條斷裂的重要因素之一[12]。通過建立6 200，5 600 mm和4 825 mm不同長(zhǎng)度道床板模型，見圖10，研究其振動(dòng)特征，計(jì)算結(jié)構(gòu)固有頻率，預(yù)防結(jié)構(gòu)共振[13]。

圖10 6 200 mm長(zhǎng)度道床板模型二階振型

經(jīng)計(jì)算，得到不同長(zhǎng)度下的道床板前10階模態(tài)固有頻率，見表2。通過分析表明，道床板長(zhǎng)度越小，各階固有頻率值越大，但增大不明顯。由于大跨度鋼橋自振頻率小于10 Hz，在列車行駛過程中，6 200，5 600 mm和4 825 mm三種長(zhǎng)度的軌道板均不會(huì)與橋梁形成共振[14]。

表2 不同長(zhǎng)度道床板固有頻率 Hz

3 大跨度鋼橋無砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)

大跨度鋼橋無砟軌道上鋪設(shè)無縫線路時(shí)，應(yīng)重視無縫線路縱向力的影響。溫度跨大的鋼橋，由于列車荷載和溫度作用下的變形較大，其無砟軌道無縫線路須進(jìn)行專項(xiàng)檢算。

3.1 鋼橋無砟軌道無縫線路關(guān)鍵參數(shù)

一般混凝土橋梁溫差按照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]取值，見表3，但無砟軌道鋼橋年溫差尚無可參考數(shù)值。

表3 梁溫差 ℃

與國(guó)外相比，我國(guó)無砟軌道鋼橋單體規(guī)模較大，但內(nèi)容欠全面，積累數(shù)據(jù)也較少，難以規(guī)范指導(dǎo)實(shí)踐[16-17]。針對(duì)大跨度鋼橋上鋪設(shè)無砟軌道，建議進(jìn)行不間斷的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，為后續(xù)設(shè)計(jì)及既有規(guī)范的修訂完善提供依據(jù)。

參照TBJ24—89《鐵路結(jié)合梁設(shè)計(jì)規(guī)定》，考慮結(jié)合梁溫差變化，鋼桁架橋整體升溫50 ℃，頂板降溫20 ℃梯度，以及最大活載作用下中桁最大縱向位移進(jìn)行無縫線路建模計(jì)算[14]。

3.2 不同溫度跨鋼橋無砟軌道無縫線路計(jì)算分析

通過建立無縫線路設(shè)計(jì)有限元模型，對(duì)不同溫度跨鋼橋無砟軌道無縫線路進(jìn)行計(jì)算分析[18-19]。以鄭州地區(qū)為例，分別計(jì)算10孔140，150，155，160 m等不同溫度跨度簡(jiǎn)支梁工況，見表4。

表4 不同溫度跨鋼橋無縫線路各項(xiàng)應(yīng)力計(jì)算 MPa

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)溫度跨為150 m時(shí)單股鋼軌最大伸縮力為363.7 kN(47.0 MPa)；按一線制動(dòng)、一線牽引分析，鋼軌最大制動(dòng)應(yīng)力為290.9 kN(37.6 MPa)，附加應(yīng)力值偏大，應(yīng)考慮設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器等措施，以降低梁軌相互作用。

4 結(jié)語

大跨度鋼橋無砟軌道仍有許多問題還需進(jìn)一步解決?，F(xiàn)行針對(duì)大跨度鋼橋無砟軌道有關(guān)規(guī)定仍需進(jìn)一步完善；大跨度鋼橋撓曲變形及曲率較大，梁端結(jié)構(gòu)變形難以控制，存在鋼梁與無砟軌道間離縫跟隨性的問題；另外，橋梁施工及無砟軌道鋪設(shè)線型精確控制，以及運(yùn)營(yíng)后在溫度、風(fēng)、徐變等作用下，無砟軌道的長(zhǎng)波不平順容許偏差的影響[20]。

與有砟軌道相比，無砟軌道對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形和振動(dòng)控制更艱難，通過一些項(xiàng)目開展了有針對(duì)性技術(shù)研究后解決部分問題。目前，昌吉贛客運(yùn)專線贛江特大橋混合梁斜拉橋，以及商合杭裕溪河雙塔鋼箱桁梁斜拉橋等均鋪設(shè)無砟軌道，這對(duì)推進(jìn)我國(guó)高速鐵路大跨度鋼橋無砟軌道技術(shù)的應(yīng)用提供了有力技術(shù)支撐，建議運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，以期取得更多經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)工程實(shí)踐。