高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道溫度荷載效應(yīng)研究

李 偉

(中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081)

我國高速鐵路無砟軌道應(yīng)用鋼筋混凝土桿件“拉伸加勁效應(yīng)”理論，通過設(shè)置連續(xù)底座板、“兩布一膜”滑動(dòng)層、“高強(qiáng)度擠塑板”等多項(xiàng)構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)了無砟道床的連續(xù)鋪設(shè)[1-6]。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)梁軌相互作用的傳力體系與既有的有砟軌道和單元板式無砟軌道線路的軌道結(jié)構(gòu)受力變形特征有較大的不同。橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)，使得梁跨間縱向連接剛度加大，在豎向活載和縱向活載作用下墩臺(tái)、軌道結(jié)構(gòu)受力分配有所不同。因此，在前期試驗(yàn)研究成果[7]的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)橋梁—軌道之間相互作用的受力變形特征進(jìn)行深入的研究。

針對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)在季節(jié)溫度荷載作用下的受力變形特征，本文采用ANSYS對(duì)32 m簡支梁和(48+80+48)m連續(xù)梁(溫度跨度128 m)進(jìn)行數(shù)值分析，并選擇相應(yīng)工點(diǎn)對(duì)橋梁—軌道在溫度荷載下的受力變形特征進(jìn)行長期監(jiān)測。

1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)及受力分析

橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)采用連續(xù)的軌道結(jié)構(gòu)，并通過“兩布一膜”滑動(dòng)層與橋梁結(jié)構(gòu)隔離，在橋梁固定支座部位設(shè)置剪力齒槽和錨固鋼筋，使軌道結(jié)構(gòu)的荷載向下部橋梁結(jié)構(gòu)傳遞。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道由上至下主要由鋼軌、彈性不分開式扣件、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層、底座板、滑動(dòng)層、高強(qiáng)度擠塑板、側(cè)向擋塊及彈性限位板等部分組成，橋臺(tái)后路基設(shè)置端刺錨固結(jié)構(gòu)(包括摩擦板、土工布和端刺)及過渡板。每孔梁固定支座上方設(shè)置剪力齒槽，梁縫處設(shè)置高強(qiáng)度擠塑板，底座板設(shè)置鋼板連接器后澆帶，如圖1所示。

圖1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道示意

1.1 計(jì)算模型

橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道是一個(gè)較為復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)，其有限元計(jì)算模型的建立應(yīng)在總體上較為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力，考慮計(jì)算方便和可靠性可進(jìn)行適當(dāng)簡化。本文對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)的軌—板—橋—墩一體化模型作如下假定:

1)鋼軌為縱向連續(xù)長梁，其拉、壓剛度相等，鋼軌按支承節(jié)點(diǎn)劃分單元。

2)鋼軌與軌道板間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過扣件相互作用，扣件阻力作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)與軌道板節(jié)點(diǎn)上。

3)砂漿層為軌道板和底座板提供非線性阻力作用，非線性阻力隨著軌道板和底座板間的相對(duì)位移呈非線性變化。

4)底座板與橋梁間產(chǎn)生縱向相對(duì)位移，二者通過“兩布一膜”滑動(dòng)層與梁端剪力齒槽和錨固鋼筋固結(jié)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)位移為線性關(guān)系。

5)底座板與端刺和摩擦板產(chǎn)生縱向相互作用，端刺縱向剛度為線性，摩擦板與底座板的摩擦阻力為非線性。

6)橋梁固定支座可完全阻止梁的伸縮，活動(dòng)支座抵抗伸縮的阻力可忽略不計(jì)，不考慮支座本身的縱向變形。

7)橋梁墩臺(tái)頂部縱向水平剛度為線性。

8)相鄰股道鋼軌、軌道板和底座板的縱向受力相互影響。

根據(jù)以上假定，建立如圖2所示的軌—板—橋—墩空間一體化縱向力計(jì)算模型。

圖2 軌—板—橋—墩縱向力計(jì)算模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)主要包括鋼軌、扣件、軌道板、底座板和“兩布一膜”滑動(dòng)層等結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取。

1)鋼軌為60 kg/m軌，截面積為77.45 cm2，彈性模量為2.1×1011Pa，線膨脹系數(shù)為11.8×10－6。

2)扣件豎向剛度取60 000 kN/m;扣件縱向阻力r采用非線性彈簧模擬，有載r=60 kN/(m·線);無載r=30 kN/(m·線)，極限位移u0=0.5 mm，如圖3所示。

圖3 扣件縱向阻力

3)軌道板寬度為2.55 m，厚度為0.2 m，混凝土彈性模量3.6×104MPa;底座板寬度為2.95 m，厚度為0.19 m，混凝土彈性模量3.4×104MPa。

4)底座板與橋梁之間“兩布一膜”采用非線性彈簧模擬，豎向只受壓不受拉，豎向剛度1.0×108kN/m，縱向摩擦系數(shù)取0.3，滑動(dòng)極限位移0.5 mm。臺(tái)后摩擦板與橋梁之間“兩布一膜”隔離層采用非線性彈簧模擬，豎向只受壓不受拉，豎向剛度1.0×108kN/m，縱向摩擦系數(shù)取0.7，滑動(dòng)極限位移5 mm。

5)橋梁截面面積為8.962 m2，豎向抗彎慣性矩為11.0 m4，橫向抗彎慣性矩為84.73 m4，混凝土彈性模量為3.55×104MPa。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，計(jì)算模型梁跨布置和橋墩縱向線剛度參數(shù)如表1所示。

表1 橋梁梁跨布置和橋墩縱向線剛度參數(shù)

1.3 梁軌相互作用受力變形分析

以梁體降溫15℃工況為例，分析伸縮工況下橋梁—軌道系統(tǒng)的總體受力變形特征。從降溫工況下梁體縱向位移曲線可以看出，各跨梁體位移曲線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等跨度簡支梁的位移曲線大致相同。

伸縮工況下軌道各結(jié)構(gòu)層的總體位移特征如圖4至圖7所示。由位移特征圖可以發(fā)現(xiàn)，軌道板和底座板的位移特征與鋼軌相似。受連續(xù)梁溫度跨度影響，連續(xù)梁上軌道結(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)梁與簡支梁接縫附近，鋼軌最大位移為0.43 mm，軌道板和底座板最大位移為0.45 mm，并且連續(xù)梁中部存在位移零點(diǎn)。橋梁最大位移出現(xiàn)在連續(xù)梁128 m溫度跨度的滑動(dòng)支座位置，位移量為18.33 mm。

鋼軌相對(duì)于軌道板和底座板相對(duì)于梁面的位移分別如圖8和圖9所示?？梢钥闯觯后w降溫15℃時(shí)，大部分區(qū)域內(nèi)梁面與底座板間的相對(duì)位移超過0.5 mm，最大為17.72 mm，即兩者處于滑動(dòng)狀態(tài);而軌道板和鋼軌間的相對(duì)位移最大值為0.04 mm，遠(yuǎn)小于0.5 mm，扣件阻力處于彈性范圍。

圖4 橋梁位移

圖5 底座板位移

圖6 軌道板位移

圖7 鋼軌位移

圖8 鋼軌相對(duì)于軌道板位移

圖9 底座板相對(duì)于梁面位移

伸縮工況下軌道各結(jié)構(gòu)層的縱向力特征如圖10～圖12所示。由鋼軌縱向力特征圖可以看出，受中部連續(xù)梁較大溫度跨度的影響，連續(xù)梁上鋼軌受到較大壓力，簡支梁上部區(qū)域鋼軌受拉。軌道板和底座板縱向受力特征與鋼軌大致相同。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、軌道板、底座板受到的最大伸縮附加力分別為28.4，295.1，580.1 kN。

圖10 鋼軌縱向力

圖11 軌道板縱向力

圖12 底座板縱向力

剪力齒槽受力如圖13所示。最大剪力出現(xiàn)在連續(xù)梁固定支座處，為591 kN。簡支梁跨剪力齒槽受力主要與溫度跨度大小有關(guān)，等跨的32 m簡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跨度的簡支梁上剪力齒槽受力為165 kN左右。橋墩承受的縱向力如圖14所示。可以看出，連續(xù)梁固定支座所在的12號(hào)橋墩所受的縱向力最大，為225 kN。

圖13 剪力齒槽縱向力

圖14 橋墩縱向力

2 梁軌相互作用受力監(jiān)測

梁軌相互作用受力監(jiān)測以32 m簡支梁和(48+80+48)m連續(xù)梁(溫度跨度128 m)為主，監(jiān)測時(shí)間為1年，對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)溫度伸縮作用下橋梁與底座板的相對(duì)伸縮變形進(jìn)行長期監(jiān)測，軌道結(jié)構(gòu)與梁體間相對(duì)位移如圖15和圖16所示。由監(jiān)測結(jié)果可知:在－4℃ ～37℃的溫度變化范圍內(nèi)，底座板與梁體間相對(duì)位移最大值分別為簡支梁7.9 mm，連續(xù)梁30.4 mm，相對(duì)位移日變化量在3.0 mm以內(nèi)，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)“兩布一膜”滑動(dòng)層有較好的滑動(dòng)性能，能起到減少梁軌間相互作用力的效果。

圖15 簡支梁軌道結(jié)構(gòu)與梁體間位移變化

圖16 連續(xù)梁軌道結(jié)構(gòu)與梁體間位移變化

3 結(jié)語

針對(duì)高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道在溫度伸縮作用下梁軌相互作用的受力變形特征，在理論計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，首次進(jìn)行了32 m簡支梁和大跨連續(xù)梁上的梁軌相互作用下橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的受力變形特征長期監(jiān)測，得到如下結(jié)論:

1)梁軌相互作用理論計(jì)算中，當(dāng)梁體降溫15℃時(shí)，梁面與底座板間的相對(duì)位移超過0.5 mm，最大相對(duì)位移為17.72 mm，出現(xiàn)在連續(xù)梁128 m溫度跨度的滑動(dòng)支座位置，即兩者處于滑動(dòng)狀態(tài);而軌道板和鋼軌間的相對(duì)位移最大值為0.04 mm，遠(yuǎn)小于0.5 mm，扣件阻力處于彈性范圍。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、軌道板、底座板受到的最大伸縮附加力分別為28.4，295.1，580.1 kN，連續(xù)梁固定支座處剪力最大，為591 kN。

2)在監(jiān)測的1年里，溫度變化范圍為 －4℃ ～37℃，32 m簡支梁的橋梁—軌道最大相對(duì)位移7.9 mm，(48+80+48)m連續(xù)梁的橋梁—軌道最大相對(duì)位移為30.4 mm，相對(duì)位移日變化量在3.0 mm以內(nèi)，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)中“兩布一膜”滑動(dòng)層起到了較好的滑動(dòng)作用。

3)由于高速鐵路線路運(yùn)營時(shí)間較短，應(yīng)對(duì)橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的梁軌相互作用繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步掌握橋梁—軌道的受力變形特征。

[1]雷曉燕，圣小珍.現(xiàn)代軌道理論研究[M].北京:中國鐵道出版社，2008.

[2]安國棟.高速鐵路無砟軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量控制[M].北京:中國鐵道出版社，2009.

[3]田利民.客運(yùn)專線無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國鐵道科學(xué)，2008，29(1):13-16

[4]王繼軍，尤瑞林，王夢，等.單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板溫度翹曲變形研究[J].中國鐵道科學(xué)，2010，31(3):9-14.

[5]徐慶元，張旭久，曾志平.無砟軌道縱向連接形式對(duì)列車—板式無砟軌道—路基系統(tǒng)振動(dòng)特性影響[J].中國鐵道科學(xué)，2010，31(1):32-37.

[6]鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R].北京:鐵道部工程管理中心，2008.

[7]中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)與橋梁間相互作用試驗(yàn)研究報(bào)告[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2011.