滑動(dòng)層對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔群的受力影響

宋 楊，王 平，張國(guó)棟，陳小平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

橋上鋪設(shè)CRTSⅡ型無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔是橋上無(wú)縫線路、無(wú)縫道岔、橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道技術(shù)的綜合運(yùn)用。橋上鋪設(shè)CRTSⅡ型無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔時(shí)，底座板與橋梁縱向相互作用關(guān)系較為復(fù)雜，主要通過(guò)兩種途徑:一是底座板與橋梁間的滑動(dòng)層摩擦作用;二是橋梁墩臺(tái)固定支座處的剪力齒槽。其中滑動(dòng)層的設(shè)置是橋上CRTSⅡ型板式無(wú)縫道岔的方案的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有降低摩擦、減小橋梁伸縮對(duì)無(wú)砟軌道影響的作用，但在線路運(yùn)營(yíng)中，滑動(dòng)層可能因磨損、橋面或底座板不平整等原因失效，并且無(wú)法修復(fù)，摩擦系數(shù)變化很大，從而引起整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力和位移的重新分布。因此，充分掌握這種復(fù)雜關(guān)系，分析無(wú)縫道岔、無(wú)砟軌道、橋梁及其墩臺(tái)的受力特點(diǎn)，對(duì)于進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有十分重要的意義。

本文擬運(yùn)用空間有限梁?jiǎn)卧碚?，建立橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的岔—板—橋—墩一體化模型，分析滑動(dòng)層對(duì)鋼軌、道岔、軌道板、底座板、固結(jié)機(jī)構(gòu)與墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)部件溫度附加力的影響。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

與橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道相比，橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔由于道岔結(jié)構(gòu)的添加更為復(fù)雜，相鄰股道間的縱向力不僅通過(guò)橋梁相互作用，還可能通過(guò)道岔板或底座板橫向連接，道岔板與底座板間除了填充砂漿外，還通過(guò)錨筋相互作用，并且道岔本身存在伸縮區(qū)(尖軌和心軌的可動(dòng)部分)，即使橋梁不伸縮，鋼軌的溫度變化幅度也會(huì)引起道岔與下部基礎(chǔ)間的相互作用。根據(jù)橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔縱向傳力特點(diǎn)，建立圖1所示岔—板—橋—墩一體化縱向力計(jì)算模型。模型對(duì)道岔結(jié)構(gòu)作如下假定:道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可以自由伸縮，不考慮轍叉角大小的影響;考慮間隔鐵阻力對(duì)鋼軌伸縮位移的影響，間隔鐵阻力與鋼軌間的位移呈非線性關(guān)系;考慮轍叉跟限位器在基本軌與導(dǎo)軌間所傳遞的作用力，設(shè)道岔鋪設(shè)時(shí)限位器字母塊居中，間隔為7～10 mm，當(dāng)子母塊貼靠時(shí)，限位器阻力與兩鋼軌間的相對(duì)位移呈非線性關(guān)系。

1.2 計(jì)算參數(shù)

軌道板標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段寬2.55 m，高0.2 m，軌道板岔區(qū)寬5 m，高0.2 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50;底座板標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段寬2.95 m，高0.19 m，底座板岔區(qū)寬5 m，高0.19 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C40;鋼軌為60 kg/m鋼軌，彈性模量為2.06×105MPa;扣件阻力為雙線性，當(dāng)水平位移為0.5 mm時(shí)，由扣件產(chǎn)生的縱向摩擦阻力最大值取為30 kN/m;固結(jié)機(jī)構(gòu)的剛度取為1 000 MPa/mm;端刺縱向剛度取為100 MPa/mm;滑動(dòng)層的摩擦阻力是非線性的，極限摩擦阻力對(duì)應(yīng)的位移一般為0.5 mm。

圖1 岔—板—橋—墩空間一體化計(jì)算模型

對(duì)于橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔進(jìn)行溫度力計(jì)算時(shí)，不僅要考慮橋梁溫度變化幅度，還應(yīng)同時(shí)考慮鋼軌、道岔板和底座板的溫度變化幅度，以反映整個(gè)系統(tǒng)在溫度荷載作用下的最不利狀態(tài)，為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)荷載。根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?，底座板降?4℃，軌道降溫24℃，橋梁降溫30℃，鋼軌降溫48℃。

圖2 橋梁與無(wú)縫道岔的布置形式

某高架橋上鋪設(shè)6組18號(hào)無(wú)縫道岔，橋梁與無(wú)縫道岔的布置形式如圖2所示。橋梁在溫度荷載作用下產(chǎn)生伸縮位移，使得軌道產(chǎn)生縱向附加作用力，力的大小與橋梁伸縮位移、橋梁與軌道間的摩擦阻力有關(guān)。利用岔—板—橋—墩一體化模型，分析橋梁產(chǎn)生溫度變化時(shí)軌道、橋梁相互作用，以及底座板與橋梁間不同摩擦系數(shù)對(duì)伸縮力的影響。本文分析滑動(dòng)層摩擦系數(shù)為0，0.3，0.7，1.0情況下的結(jié)構(gòu)物各部分的受力特點(diǎn)。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對(duì)鋼軌的影響

滑動(dòng)層摩擦系數(shù)分別取為 0，0.3，0.7和 1.0，最大鋼軌應(yīng)力和相對(duì)位移見(jiàn)表1，摩擦系數(shù)為0和1.0時(shí)，鋼軌應(yīng)力、相對(duì)位移曲線如圖3所示，摩擦系數(shù)為0.3和0.7時(shí)鋼軌應(yīng)力、相對(duì)位移曲線與圖3相似，但數(shù)值略有不同。

表1 滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對(duì)鋼軌應(yīng)力和相對(duì)位移的影響

圖3 鋼軌應(yīng)力和相對(duì)位移

圖3表明，當(dāng)摩擦系數(shù)為0時(shí)，除在道岔處有明顯起伏外，鋼軌應(yīng)力、相對(duì)位移曲線較為平順，滑動(dòng)層摩擦系數(shù)從0增加到1.0，曲線隨橋梁布局變化的規(guī)律更明顯并且變化幅度更大，在道岔區(qū)的變化幅值也更明顯，表明隨著摩擦系數(shù)的增大，橋梁伸縮對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)的影響越大;另外鋼軌相對(duì)位移在道岔首尾端處發(fā)生突變，這是因?yàn)槠胀ㄜ壍腊迮c道岔板是不連續(xù)的，在降溫工況時(shí)帶動(dòng)鋼軌向兩端收縮。從表1可看出，鋼軌最大應(yīng)力和相對(duì)位移也隨著滑動(dòng)層摩擦系數(shù)的增大而略有增大，這是由于鋼軌受到了不斷增大的橋梁伸縮附加力。

2.2 滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對(duì)軌道板、底座板的影響

滑動(dòng)層摩擦系數(shù)分別取為 0，0.3，0.7和 1.0，軌道板、底座板最大縱向力見(jiàn)表2，摩擦系數(shù)為0和1.0時(shí)，軌道板、底座板縱向力分布曲線如圖4所示，摩擦系數(shù)為0.3和0.7時(shí)，軌道板、底座板縱向力分布曲線與圖4相似，但數(shù)值稍有差異。

表2 滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對(duì)軌道板、底座板的影響

圖4 軌道板、底座板縱向附加力

從圖4可以看出，軌道板、底座板縱向力分布規(guī)律與鋼軌應(yīng)力相似，縱向力總體分布規(guī)律為典型的溫降附加力分布規(guī)律，即在梁跨的活動(dòng)端出現(xiàn)極大拉力，梁跨的固定端出現(xiàn)極小拉力，并且在連續(xù)梁范圍內(nèi)出現(xiàn)最大和最小拉應(yīng)力;由于軌道板、底座板與橋面聯(lián)接密切，隨著滑動(dòng)層摩擦系數(shù)的增大，縱向力變化的幅度增加。從表2可以看出，軌道板、底座板最大縱向力變化不大，但是圖4顯示，摩擦系數(shù)較大時(shí)，各橋梁跨度極大值與最大值相似，可見(jiàn)滑動(dòng)層摩擦系數(shù)增大對(duì)軌道板、底座板受力不利。

2.3 滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對(duì)固結(jié)機(jī)構(gòu)、墩臺(tái)頂?shù)挠绊?/h3>

滑動(dòng)層摩擦系數(shù)分別取為 0，0.3，0.7和 1.0，軌道板、底座板縱向力分布曲線如圖5所示，摩擦系數(shù)為0.3和0.7時(shí)，軌道板、底座板縱向力分布曲線與圖4相似，但數(shù)值稍有差異。

從圖5可以看出，隨著底座板與橋梁摩擦系數(shù)增大，作用在底座板上的摩擦附加力就越大，因此作用在簡(jiǎn)支梁墩臺(tái)固定支座附近的固結(jié)機(jī)構(gòu)所傳遞的縱向力也就越大，由于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且其上普通軌道板與道岔板不連續(xù)，固結(jié)機(jī)構(gòu)受力變化規(guī)律不明顯。墩臺(tái)頂?shù)目v向水平力變化不大，這是由于增大摩擦系數(shù)，道床板通過(guò)摩擦傳給橋梁的縱向力雖然增大了，但固結(jié)機(jī)構(gòu)所傳遞的作用在底座板上的摩擦附加力與之近似一對(duì)平衡力系，由梁面摩擦力和固結(jié)機(jī)構(gòu)傳遞的縱向力總和仍然相當(dāng)。

2.4 滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對(duì)道岔位移和受力的影響

取線路正線上四組道岔，道岔編號(hào)按從下到上、從左到右排列，直尖軌尖端相對(duì)曲基本軌、長(zhǎng)心軌尖端相對(duì)翼軌的位移見(jiàn)表3，1號(hào)道岔各工況下傳力部件所受縱向力如圖6所示。

表3 直尖軌尖端、長(zhǎng)心軌尖端相對(duì)下部基礎(chǔ)位移 mm

圖6 1號(hào)道岔傳力部件縱向力

表3表明，兩種位移隨摩擦系數(shù)增大，都依次減小，由于模型假設(shè)道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可以自由伸縮，道岔尖軌跟端、心軌跟端位移也同樣減小。從圖6可以看出，1號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器直股、側(cè)股限位器縱向力變化明顯，摩擦系數(shù)為1.0時(shí)，限位器受力微小，說(shuō)明子母塊剛好開(kāi)始貼靠，隨著摩擦系數(shù)減小，子母塊貼靠更加緊密，限位器受力迅速增大;由于心軌跟端位移變化不大，1號(hào)道岔長(zhǎng)翼軌直股、側(cè)股間隔鐵縱向力僅有微小變動(dòng)，因此滑動(dòng)層摩擦系數(shù)增大對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備、結(jié)構(gòu)傳力部件受力是有利的。

3 結(jié)論

通過(guò)空間有限梁?jiǎn)卧碚摚蛏峡v連板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的岔—板—橋—墩一體化模型，分析滑動(dòng)層摩擦系數(shù)不斷增加并分別取為0，0.3，0.7和1.0時(shí)，對(duì)鋼軌、道岔、軌道板、底座板、固結(jié)機(jī)構(gòu)與墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)部件溫度附加力的影響，得到如下結(jié)論:

1)鋼軌應(yīng)力、相對(duì)位移隨橋梁布局的變化幅值增大，鋼軌最大應(yīng)力和相對(duì)位移也隨著滑動(dòng)層摩擦系數(shù)的增加而略有增大;

2)軌道板、底座板最大縱向力雖然增幅不大，但當(dāng)摩擦系數(shù)較大時(shí)，各橋梁跨度內(nèi)軌道板、底座板極大值與最大值相近，對(duì)軌道板、底座板受力不利;

3)簡(jiǎn)支梁墩臺(tái)固定支座附近的固結(jié)機(jī)構(gòu)所傳遞的縱向力顯著增加，但是連續(xù)梁上固結(jié)機(jī)構(gòu)受力變化規(guī)律不明顯，墩臺(tái)頂?shù)目v向水平力變化不大;

4)道岔傳力部件所受縱向力均有較大或微小降低，直尖軌尖端相對(duì)曲基本軌、長(zhǎng)心軌尖端相對(duì)翼軌的位移也都依次減小，滑動(dòng)層摩擦系數(shù)的增加對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備、結(jié)構(gòu)傳力部件受力是有利的。

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