大跨度鋼橋梁端無砟軌道結(jié)構(gòu)受力計算分析研究

胡 勇

(中國鐵建股份有限公司，北京 100000)

1 國內(nèi)外大跨度橋梁梁端軌道設(shè)計概況

大跨度橋梁受溫度、列車等作用，橋梁梁端具有較大的伸縮位移和梁端轉(zhuǎn)角。為降低梁端伸縮位移、梁端轉(zhuǎn)角對軌道結(jié)構(gòu)的影響，并使軌道結(jié)構(gòu)跨越大梁縫，目前國內(nèi)外大跨度橋梁梁端主要采用梁端伸縮裝置、過渡梁的方案。

武漢天興洲長江大橋采用支撐梁的梁端伸縮裝置方案(如圖1)，南京大勝關(guān)長江大橋采用托梁的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器方案。但武漢天興洲長江大橋以及南京大勝關(guān)長江大橋均為有砟軌道。梁端伸縮裝置可保證橋梁伸縮時軌枕間距的均勻性，但無法解決梁端轉(zhuǎn)角引起的無砟軌道扣件上拔力。

武廣高鐵采用在梁端設(shè)置過渡板結(jié)構(gòu)的措施解決大跨度橋梁大梁縫地段無砟軌道設(shè)計問題(如圖2)。梁端過渡板結(jié)構(gòu)是一個混凝土或鋼筋混凝土的微型橋，在橋梁伸縮縫上方支承鋼軌。過渡板結(jié)構(gòu)可沿線路縱向水平移動，但不可橫向移動。過渡板結(jié)構(gòu)的支座中心線與橋梁上部結(jié)構(gòu)的支座中心線應(yīng)設(shè)計在同一豎直面上。過渡板可有效解決梁端轉(zhuǎn)角對于無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響，但無法適應(yīng)較大的梁端伸縮位移。

圖1 武漢天興洲長江大橋梁端伸縮裝置

圖2 武廣高速鐵路梁端過渡板區(qū)結(jié)構(gòu)

大跨度鋼梁梁端存在較大伸縮位移、梁端轉(zhuǎn)角時，梁端軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計采用過渡板式梁端伸縮裝置，主要結(jié)構(gòu)為過渡板、梁端伸縮裝置，采用過渡板減小橋梁轉(zhuǎn)角對軌道的影響，采用梁端抬軌裝置適應(yīng)橋梁梁端伸縮位移。

2 梁端無砟軌道結(jié)構(gòu)受力計算模型及參數(shù)

橋梁受荷載作用以及其他一些影響因素后將引起梁端位移，這種位移的存在將對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)有砟軌道由于道砟的流動特性對梁端軌道結(jié)構(gòu)傳力有一定放散作用，梁端變形對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響可以忽略。但是在無砟軌道上，軌道系統(tǒng)與橋梁處于較大的剛性連接狀態(tài)，橋梁的微小變形都將對軌道系統(tǒng)產(chǎn)生影響?？奂鳛闊o砟軌道的彈性及調(diào)整能力的唯一提供者，橋梁因撓曲、徐變等因素引起的梁端變形使梁縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)扣件產(chǎn)生上拔力和下壓力，當(dāng)扣件上拔力和下壓力超過一定限值時，將影響扣件系統(tǒng)的正常使用。因此，梁端變形對無砟軌道的影響主要為軌道扣件系統(tǒng)的受力影響。

由于道床板等下部結(jié)構(gòu)與橋梁連接較為牢固，下部基礎(chǔ)連同橋梁可視為結(jié)合在一起的一個剛體，梁端發(fā)生剛體位移后相當(dāng)于對扣件系統(tǒng)的支座施加了分布不同的支座位移，由此建立梁端變形對扣件系統(tǒng)受力影響分析模型(如圖3)。

圖3 梁端變形對扣件系統(tǒng)受力影響分析模型

模型中，鋼軌、過渡板、橋梁采用梁單元模擬，扣件采用彈簧單元模擬?？奂g距600mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點靜剛度分別取為35kN/mm和50kN/mm，動靜剛度比為1.3。銅陵江特大橋設(shè)計按照鋼桁梁主桁鋼梁懸臂長度為1000mm，相鄰簡支梁懸臂長度為600mm，梁縫設(shè)置寬度850mm，主桁鋼梁梁端的伸縮量為±591mm。鋼桁梁最大梁端豎向轉(zhuǎn)角為0.958‰，豎向反向(上撓)轉(zhuǎn)角為0.394‰，相鄰簡支梁梁端轉(zhuǎn)角0.76‰。

3 梁端轉(zhuǎn)角、列車軸重對軌道結(jié)構(gòu)受力影響分析

梁端轉(zhuǎn)角會引起鋼軌的偏轉(zhuǎn)或整體下移，鋼軌產(chǎn)生的豎向變形通過各個扣件節(jié)點進(jìn)行傳遞和分配，由此在梁縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)鋼軌支點處產(chǎn)生附加上拔力或下壓力。附加上拔力和下壓力隨著梁端轉(zhuǎn)角大小變化而變化，扣件系統(tǒng)參數(shù)和梁端懸臂長度的變化都將對附加上拔力和下壓力產(chǎn)生一定的影響。梁端轉(zhuǎn)角引起扣件上拔一般發(fā)生在緊鄰梁縫的1～5個扣件，對于橋梁中部梁體上的扣件一般不會產(chǎn)生扣件上拔力。結(jié)合銅陵江特大橋梁端設(shè)置與不設(shè)置過渡板時扣件受力情況進(jìn)行了計算分析。

3.1 梁端不設(shè)置過渡板時梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力

工況一:橋梁降溫收縮，梁縫可達(dá)到最大值1.45 m，扣件剛度取50kN/mm，上拔力計算如表1所示。

工況二:梁縫為0.85m，扣件剛度取50kN/mm，上拔力計算如表2所示。

工況三:橋梁升溫伸長，梁縫可達(dá)到最小值0.25m，扣件剛度取50kN/mm，上拔力計算如表3所示。

表1 扣件上拔力計算結(jié)果 kN

表2 扣件上拔力計算結(jié)果 kN

表3 扣件上拔力計算結(jié)果 kN

3.2 梁端設(shè)置過渡板時梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力

工況四:設(shè)置搭梁時，梁縫為0.85m，扣件剛度按最不利取為50kN/mm，上拔力計算如表4所示。

表4 扣件上拔力計算結(jié)果 kN

工況五:設(shè)置搭梁時，梁縫為0.25m，扣件剛度按最不利取為50kN/mm，上拔力計算如表5所示。

3.3 列車軸重作用下的扣件上拔力

列車軸重荷載作用下并作用在兩扣件的中間(此時對于扣件系統(tǒng)的上拔力來講為最不利位置)，計算扣件系統(tǒng)的上拔力。若軸重250 kN，支點反力(上拔力)為2.5 kN。

表5 扣件上拔力計算結(jié)果 kN

3.4 計算結(jié)果匯總

通過上述工況的計算分析，得出以下計算規(guī)律及結(jié)論。

①梁端不設(shè)置過渡板時梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力:由于鋼梁伸縮變形導(dǎo)致鋼梁與相鄰橋梁梁縫變化，梁縫變化范圍為0.25～1.45 m，若不設(shè)過渡梁，對于不同梁縫，在上述梁端轉(zhuǎn)角作用下扣件上拔力最大為16.3 kN，發(fā)生在簡支梁梁縫處第一組扣件;梁縫越小，梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力越大。

②梁端設(shè)置過渡板時梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力:設(shè)置過渡板結(jié)構(gòu)，可顯著減小梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力，計算得出最大上拔力為3.6 kN;設(shè)置過渡板時，梁縫大小對扣件上拔力計算結(jié)果的影響很小。

③列車單輪載作用下，引起扣件上拔力:若軸重250 kN，其上拔力約為2.5 kN。

④若不設(shè)過渡梁，考慮梁端轉(zhuǎn)角、列車軸重影響，扣件上拔力為18.8 kN，大于常用扣件的初始扣壓力18 kN，因此應(yīng)采用過渡板結(jié)構(gòu)以滿足要求。

4 結(jié)論與建議

通過上述工況的計算分析，得出以下結(jié)論:

(1)大跨度鋼橋可采用過渡板式梁端伸縮裝置，通過設(shè)置過渡板可有效減小橋梁轉(zhuǎn)角對無砟軌道的影響，設(shè)置梁端抬軌裝置適應(yīng)橋梁梁端伸縮位移。

(2)大跨度橋梁梁端若不設(shè)置過渡板，隨著梁體收縮引起梁縫變小，梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力將變大，梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力最大值均發(fā)生在梁端第一組扣件位置。

(3)通過設(shè)置過渡板結(jié)構(gòu)可顯著減小梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力，同時梁體伸縮引起的梁縫大小變化對扣件上拔力的影響很小。

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