橋上CRTSⅡ型板式軌道梁端高強度擠塑板的合理彈性模量研究

趙坪銳，劉 觀，胡 佳

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

CRTSⅡ型板式軌道在橋梁上是跨梁縫連續(xù)鋪設的［1］，該結構可極大地改善梁端扣件的受力狀態(tài)［2，3］，但梁端位移(轉(zhuǎn)角和錯臺)將對連續(xù)軌道板和底座產(chǎn)生不利影響，因此在梁端各1.45 m范圍內(nèi)鋪設了高強度擠塑板(以下簡稱擠塑板)，壓縮彈性模量38～42 MPa［4］，依靠擠塑板的塑性變形能力將梁端的突變型位移緩解為漸變位移，從而減少軌道板和底座板內(nèi)的附加彎矩。擠塑板的鋪設范圍、彈性模量將對其緩解突變位移的能力造成影響，著重研究擠塑板彈性模量對軌道受力的影響并提出其合理的彈性模量范圍。

1 擠塑板在梁端的鋪設方案

橋上 CRTSⅡ型板式軌道梁端擠塑板［4，5］的設置有2種形式:

(1)在底座板范圍內(nèi)的梁面上設置加高平臺，在梁端1.45 m范圍內(nèi)，預留5 cm深的凹槽，嵌入擠塑板，該方案可保證底座等厚度連續(xù)鋪設，如圖1(a)所示;

(2)橋面平整，擠塑板直接鋪設于梁端各1.45 m范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)底座厚度由19 cm減薄為14 cm，如圖1(b)所示。

圖1 梁端擠塑板鋪設方案(單位:cm)

(a)方案中，底座連續(xù)鋪設，便于鋼筋布設和混凝土施工;而(b)方案中底座斷面被削弱，并且此處除承受巨大的溫度力外，還將承受梁端位移引起的附加彎矩和附加拉力作用，需在削弱的斷面上布置更多的鋼筋，承受更大的作用力，布筋將非常困難，在CRTSⅡ型板式軌道中宜采用(a)方案。

針對梁端位置處的軌道結構(圖1(a))建立如圖2所示的疊合梁模型，分析梁端位置處擠塑板彈性模量對軌道受力的影響，其中鋼軌、軌道板和底座均用梁單元模擬，扣件和水泥乳化瀝青砂漿層均用線性彈簧模擬;扣件為雙層彈性小阻力扣件［2］，間距0.6 m，扣件剛度為31 kN/mm，軌道板、底座板及砂漿彈模分別取 3.6×104MPa、3.25×104MPa 及9 000 MPa［7］。梁面滑動層和擠塑板的支承作用采用單向受壓彈簧模擬。

圖2 梁端軌道受力計算模型

2 輪載作用時擠塑板彈性模量的影響

取擠塑板彈性模量為10 MPa，當1.5倍靜輪載依次自梁端向跨中方向逐枕加載時，距離梁端不同部位處的軌道各部件位移如圖3所示?？梢钥闯觯捎跀D塑板位置支承相對較弱，相同荷載作用下的軌道位移較大，列車荷載作用于梁縫中心時位移最大，列車通過時將產(chǎn)生剛度不平順，影響列車運行舒適性甚至安全性。

為分析不同擠塑板彈性模量對輪載作用效果的影響，固定輪載作用位置在梁縫處，取0.1～100 MPa的不同彈性模量進行分析比較，軌道內(nèi)力與位移最大值比較如圖4所示。

圖3 輪載作用于不同位置處的軌道各部件位移分布

圖4 擠塑板彈性模量對軌道位移及內(nèi)力的影響

隨著擠塑板彈性模量的增大，鋼軌、軌道板和底座板的位移均隨之減小，且位移減小的速度逐漸放緩，當擠塑板彈性模量超過10 MPa以上時，軌道板位移在整個鋼軌下沉中所占的比例已非常小，軌道板和底座板的位移幾乎一致。從減少剛度不平順的角度出發(fā)，擠塑板彈性模量不宜低于10 MPa。

鋼軌、軌道板和底座板彎矩隨擠塑板彈性模量的增大而減小，軌道板和底座板彎矩受擠塑板彈性模量影響的程度更高，在所分析的0.1～100 MPa范圍內(nèi)，鋼軌彎矩變化不到17%，而0.1 MPa時的軌道板和底座板彎矩約為100 MPa時的18倍。從改善軌道板和底座板承受列車荷載的條件出發(fā)，擠塑板彈性模量宜適當提高，擠塑板彈性模量20 MPa以上時，軌道板和底座板彎矩已很小，對結構設計的影響已很小。

隨擠塑板彈性模量的增大，扣件壓力稍有增大，而水泥乳化瀝青砂漿層和橋梁頂面(含梁端擠塑板范圍)最大壓力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當擠塑板彈性模量較小時，擠塑板變形較大，并在擠塑板的上下接觸表面出現(xiàn)較大的應力峰值，而隨著擠塑板彈性模量的增大，擠塑板承受的壓力逐漸增大，從而在荷載作用點處的擠塑板上的壓力可增大至大于其他位置處的梁頂面壓力。從改善砂漿層和擠塑板受力角度出發(fā)，應適當增大梁端擠塑板彈性模量，不宜低于10 MPa。

3 梁端位移時擠塑板彈性模量的影響

橋梁在活載作用下將發(fā)生撓曲，在梁端處表現(xiàn)為轉(zhuǎn)角，支座和墩臺的豎向位移差則表現(xiàn)為錯臺。擠塑板的主要作用在于緩解梁端位移對連續(xù)底座板和軌道板的影響，根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》［5］，取梁端轉(zhuǎn)角0.001 rad、錯臺1 mm進行計算，以考察擠塑板對梁端位移的緩解作用。

3.1 梁端轉(zhuǎn)角

當梁端對稱發(fā)生0.001 rad的轉(zhuǎn)角時，不同擠塑板彈性量時的軌道最大內(nèi)力如圖5所示。與列車荷載作用效果相反，隨著擠塑板彈性模量的提高，鋼軌彎矩隨之小幅增大，而軌道板和底座板彎矩則先降低后增大，且增大的速率較快。當擠塑板彈性模量較低時，軌道自重將引起板內(nèi)較大的彎矩，而彈性模量較高時，轉(zhuǎn)角所引起的軌道板和底座板彎曲程度將超過自重引起的彎曲程度，從而表現(xiàn)出先降低后增大的變化規(guī)律，不同彈性模量時的軌道板彎矩分布如圖6所示。

圖5 0.001 rad轉(zhuǎn)角作用下擠塑板彈性模量的影響

圖6 對稱梁端轉(zhuǎn)角時的軌道板彎矩分布

擠塑板彈性模量太大，將引起軌道板和底座板內(nèi)較大的附加彎矩作用，且梁端轉(zhuǎn)角同樣是由于列車荷載作用引起，其引起的軌道結構內(nèi)力同樣屬于疲勞作用，應引起足夠重視。與列車荷載作用效果相比，當擠塑板彈性模量較低時，兩者處于相同量級上，而當擠塑板彈性模量較高時，梁端轉(zhuǎn)角引起的彎矩明顯大于列車荷載引起的。

3.2 錯臺

由于列車荷載作用及墩臺不均勻沉降在梁縫處引起錯臺時，同樣會引起軌道內(nèi)產(chǎn)生附加彎矩，發(fā)生1 mm錯臺時，不同擠塑板彈性模量對軌道內(nèi)力的影響如圖7所示。

圖7 發(fā)生錯臺時擠塑板彈性模量對軌道內(nèi)力的影響

隨著擠塑板彈性模量的增大，鋼軌、軌道板和底座板內(nèi)彎矩先減小、后增大，當彈性模量在2～5 MPa時達到最小值，其中鋼軌的彎矩量值最小，變化也較小，軌道板和底座板量值相差不大，隨擠塑板彈性模量的變化較快。

4 輪載與梁端位移共同作用時擠塑板彈性模量的影響

前面分別分析了列車荷載和梁端位移對軌道的影響，對于列車荷載作用而言，宜采用較大的擠塑板彈性模量，以減少剛度不平順及軌道內(nèi)力，但在梁端位移作用下，擠塑板彈性模量大，則意味著更大的軌道板和底座板附加彎矩，只有將兩者結合，才能得到較為合理的擠塑板彈性模量。列車荷載和梁端位移共同作用時的軌道內(nèi)力如圖8(a)所示。

可以看出，鋼軌彎矩隨擠塑板彈性模量的增大而降低，軌道板和底座板彎矩則是先降低后增大，在彈模為2 MPa時取得極小值。鋼軌彎矩主要表現(xiàn)在輪載作用彎矩，其大小主要受輪載、鋼軌抗彎剛度和扣件剛度控制，板下一定長度范圍內(nèi)的軟弱支承對鋼軌受力影響不大，而軌道板和底座板彎矩更符合梁端位移的影響變化規(guī)律。

在常見的32 m簡支箱梁上，ZK活載作用下的梁端轉(zhuǎn)角約為0.000 56 rad［6］，錯臺值也可忽略不計，在此不利情況下，輪載與梁端位移共同作用下的軌道板彎矩與擠塑板彈性模量的關系如圖8(b)所示。可以看出在此情況下，當擠塑板彈性模量為10 MPa時，軌道板受力最小，提高擠塑板彈性模量可降低鋼軌彎矩，小幅增加軌道板和底座板彎矩，從受力合理性方面考慮，擠塑板彈性模量應在10～50 MPa范圍內(nèi)。

圖8 輪載與梁端位移共同作用時擠塑板彈性模量對軌道內(nèi)力的影響

5 結語

本文針對梁端局部范圍內(nèi)的橋上CRTSⅡ型板式軌道建立了疊合梁分析模型，對擠塑板彈性模量進行了參數(shù)分析，通過分析結論如下。

(1)擠塑板區(qū)域為軟弱支承地段，輪載作用時將引起較大的鋼軌下沉位移和較大的軌道內(nèi)力，為保證行車的舒適性和安全性，擠塑板彈性模量不宜低于10 MPa。

(2)擠塑板可將突變形的梁端位移在一定長度范圍內(nèi)圓順化，改善軌道受力狀態(tài)。在規(guī)范所允許的荷載范圍內(nèi)，梁端轉(zhuǎn)角引起的軌道彎矩大于錯臺所引起的。擠塑板彈性模量較小時，輪載引起的彎矩與梁端位移引起的相當，而擠塑板彈性模量較大時，梁端位移引起的彎矩遠大于輪載引起的，成為設計的控制因素。

(3)當梁端位移和輪載共同作用時，鋼軌彎矩受輪載控制，而軌道板和底座板彎矩則受控于梁端位移，在常用32 m梁的實際變形情況下，擠塑板彈性模量為10～50 MPa時，軌道受力較為合理，設計時應控制在此范圍內(nèi)。其他橋梁應根據(jù)實際的橋梁梁端位移選擇合適的擠塑板彈性模量，梁端位移較大時應適當降低擠塑板彈性模量，梁端位移較小時應適當提高擠塑板彈性模量。

(4)除擠塑板彈性模量外，擠塑板的鋪設長度及其與底座板的接觸狀態(tài)等也將影響到軌道的受力，采用其他鋪設參數(shù)或?qū)壍肋M行維修而改變其鋪設狀態(tài)時，應根據(jù)具體實施情況合理選取擠塑板彈性模量。

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