橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座張拉縱連模擬分析

劉永存

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線站處，武漢 430063)

博格板式無砟軌道源于德國，經(jīng)吸收、改進后形成了CRTSⅡ型板式無砟軌道［1］。其中橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)具有以下特點。

(1)橋上底座不受橋跨的限制，為跨越梁縫的縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，橋上的軌道板與路基、隧道內(nèi)的一致，均為標準軌道板，利于工廠化、標準化生產(chǎn)，便于質(zhì)量控制，同時簡化軌道板的安裝和鋪設。

(2)底座在每孔橋梁固定支座上方，通過預設齒槽、錨固螺栓以保證其和橋梁間縱向的可靠連接，其余部位梁面設置“兩布一膜”滑動層，以減少底座和橋梁間相互作用。

(3)梁縫前后3.1 m范圍的梁面上鋪設5 cm厚硬質(zhì)泡沫塑料板，以減小梁端轉(zhuǎn)角對無砟軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。

(4)底座兩側(cè)設置側(cè)向擋塊進行橫向限位。

(5)臺后路基上設置摩擦板、端刺，使橋上縱向力不影響端刺以外路基上的軌道結(jié)構(gòu)［2-4］。

CRTSⅡ型板式無砟軌道作為一種新型軌道結(jié)構(gòu)，橋上縱連的底座是主要承重構(gòu)件，是影響結(jié)構(gòu)安全性的重要因素，其施工質(zhì)量必須得到保證。一方面，如果底座施工時混凝土澆筑段和后澆帶設置不當，使得張拉時將橋墩拉歪，將給橋梁的安全帶來隱患;另一方面，如果底座鎖定板溫和張拉量設置不當，輕則底座開裂，重則梁軌之間相互作用力增大，影響無砟軌道使用壽命［5］。本文就CRTSⅡ型板式無砟軌道底座施工過程進行模擬，分析各階段底座、橋梁系統(tǒng)受力，為現(xiàn)場施工提供指導。

1 底座施工概述

長大橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座無法一次施工完成，一般劃分成幾個施工段，施工段的位置及長度根據(jù)橋梁橋跨類型、施工組織能力和施工組織方案確定［6-7］。一般一個施工段長度為4～5 km，施工段的首尾位置應設置端刺或臨時端刺，臨時端刺長約800 m，端刺或臨時端刺之間為常規(guī)區(qū)［8-9］。CRTSⅡ型板式無砟軌道底座施工工藝分以下步驟:

施工單元劃分→測量各澆筑段板溫和長度，計算張拉值→底座鋼筋的張拉與連接→后澆帶混凝土施工［10-11］。

2 模型建立

由于底座從澆筑、張拉到鎖定涉及到多道施工工序，每道工序中底座的結(jié)構(gòu)特點和受力體系均不一樣，因此，必須針對各道工序建立不同的模型，以確保模擬的正確性。另外，由于理論計算時，模型的建立是以某個時間點來進行建模的，而實際過程中底座的澆筑、張拉和縱連是一個連續(xù)的過程，因此底座內(nèi)鋼筋和混凝土的應力變化過程也是一個連續(xù)的過程。根據(jù)CRTSⅡ型板式無砟軌道底座施工特點，板－橋－墩系統(tǒng)縱向力的計算可以采用軌道－橋梁一體化有限元模型進行計算，如圖1所示。該模型主要功能為計算底座施工過程中系統(tǒng)的縱向力和位移，包括底座、橋梁、橋墩、固結(jié)機構(gòu)的縱向受力和位移。建模時底座、橋梁采用梁單元進行模擬，滑動層、固結(jié)機構(gòu)則模擬成彈簧單元，將兩層梁連接成整體。

圖1 板-橋-墩一體化模型

3 底座張拉縱連受力分析

由于CRTSⅡ型板式無砟軌道底座全橋縱連，使得橋上底座具有無縫線路同樣的特點，為控制底座溫度應力變化幅度，避免產(chǎn)生失穩(wěn)、斷板等現(xiàn)象，需將橋上底座在鎖定溫度范圍內(nèi)鎖定。當?shù)鬃鶞囟鹊陀诨蚋哂阪i定溫度時，需通過張拉或降溫來實現(xiàn)鎖定。

針對底座施工過程中各個階段的受力特點，當?shù)鬃础靶陆ㄅR時端刺+常規(guī)區(qū)+新建臨時端刺”來進行施工時，將其按以下6個步驟對板－橋－墩系統(tǒng)進行模擬和分析。

(1)澆筑底座混凝土澆筑段。

(2)將臨時端刺區(qū)用手連接成整體。

(3)張拉與臨時端刺區(qū)相鄰的兩個BL1后澆帶。

(4)張拉連接 K0、Jl、J2、J3 后澆帶。

(5)張拉常規(guī)區(qū)剩余的BL1后澆帶。

(6)底座鎖定，常規(guī)區(qū)演變成為底座一部分。

為研究底座從澆筑、張拉到鎖定整個施工流程中系統(tǒng)的受力及變形，分析時采用如下參數(shù):橋上為Ⅱ型板，位于直線平坡地段。橋跨布置為100-32 m簡支梁。其中1～25、76～100孔簡支梁上為新建臨時端刺區(qū)，26～75孔簡支梁區(qū)域為常規(guī)區(qū)，橋墩線剛度均取800 kN/cm。底座和橋梁之間摩擦系數(shù)為0.3，底座現(xiàn)場實測溫度19.2℃，鎖定板溫TS=25℃，底座剛度折減系數(shù)取1。

3.1 澆筑底座混凝土澆筑段

該階段BL1后澆帶均處于斷開狀態(tài)。臨時端刺區(qū)混凝土澆筑段為自由混凝土澆筑段，而常規(guī)區(qū)混凝土澆筑段則關于混凝土中部先期澆筑的BL2對稱，溫度荷載作用下均將自由伸縮。溫度變化幅度?。?.8℃，此時底座受力如圖2所示。

圖2 自由伸縮下底座受力曲線

從圖2可知:常規(guī)區(qū)底座受力在剪力齒槽處產(chǎn)生突變，突變值為固結(jié)機構(gòu)受力。自由伸縮階段，底座處于斷開狀態(tài)且常規(guī)區(qū)混凝土澆筑段關于先期澆筑的BL2后澆帶對稱，墩臺及固結(jié)機構(gòu)受力均很小。

自由伸縮下底座和橋梁間縱向受力簡單，只有摩擦力，可以通過手工計算對程序進行檢算。由于混凝土澆筑段較短，整個澆筑段將處于伸縮區(qū)，以LP1為例，若不考慮橋梁溫度變化以及墩臺線剛度的影響，則底座和橋梁間摩擦力為

程序計算所得LP1中底座和橋梁間摩擦力極值為410 kN，和手工計算結(jié)果接近，從而驗證了程序的正確性。

3.2 用手將臨時端刺區(qū)連接成整體

臨時端刺區(qū)連接成整體后將具備初步的承載能力，可以為底座張拉提供反力。溫度變化幅度?。?.8℃，此時底座受力如圖3所示。

圖3 底座受力曲線(一)

用手將臨時端刺區(qū)連接起來后，臨時端刺將整體受力，但由于鋼板連接器后澆帶(BL1)并未澆筑和張拉，此階段底座仍處于自由伸縮狀態(tài)。若不考慮橋梁溫度變化以及墩臺線剛度的影響，當?shù)鬃鶞囟茸兓热。?.8℃時，底座溫度力為

由于伸縮區(qū)長度

臨時端刺區(qū)將部分位于伸縮區(qū)，部分位于固定區(qū)。程序計算所得臨時端刺區(qū)底座和橋梁間摩擦力極值為925 kN，和手工計算結(jié)果接近。

3.3 張拉與臨時端刺區(qū)相鄰的兩個BL1后澆帶

取底座現(xiàn)場實測溫度為19.2℃，張拉量為:Wc=9.3 mm。此時底座受力如圖4所示。

圖4 底座受力

底座張拉采用后澆帶升溫來模擬，等效于在后澆帶處施加一集中力。張拉后底座將出現(xiàn)應力集中，同時該處墩臺和固結(jié)機構(gòu)受力也將隨之增大。應注意張拉時整個斷面需均勻張拉，同時避免滑動層褶皺，否則張拉時影響范圍減小，造成澆筑段局部拉長，應力過于集中，導致端部混凝土拉裂。當?shù)鬃鶞夭钶^大時，鋼筋連接器后澆帶不能通過一次張拉縮短到計算值。必須每隔24 h重復張拉一次，直到達到最終的寬度。每次張拉都要對每個鋼筋連接器后澆帶的張拉量和總的張拉量以及實際需要達到的張拉量進行記錄。根據(jù)縱連時底座溫度T所處區(qū)間，需要縱連張拉的最少次數(shù)和時間間隔如表1所示。

表1 縱連張拉的最少次數(shù)和時間間隔

3.4 張拉連接臨時端刺區(qū)K0、Jl、J2、J3后澆帶鋼筋

取底座現(xiàn)場實測溫度為19.2℃，張拉量為:Wk0=11 mm，WJ1=12.8 mm，WJ2=9.3 mm，WJ3=3.1 mm。張拉后底座受力如圖5所示，張拉后臨時端刺區(qū)受力呈鋸齒狀，需經(jīng)過一段時間應力才能達到均勻狀態(tài)。根據(jù)縱連時底座溫度所處區(qū)間，底座應力均勻所需等待時間見表2。

圖5 底座受力曲線(二)

表2 底座應力均勻所需等待時間

3.5 張拉常規(guī)區(qū)剩余的BL1后澆帶

取底座現(xiàn)場實測溫度為19.2℃，張拉量為:Wc=9.3 mm。張拉后底座受力如圖6所示。

圖6 底座受力曲線(三)

常規(guī)區(qū)BL1張拉完畢后，施工段底座張拉結(jié)束。通過張拉，底座中的受力狀態(tài)同底座由鎖定板溫降至19.2℃時受力狀態(tài)一致，如圖7所示。當?shù)鬃鶞囟壬仙伶i定板溫時，底座受力為0，從而達到預定效果。張拉曲線中BL1后澆帶附近底座混凝土應力集中，成鋸齒狀，需經(jīng)過一段時間后應力才能夠均勻。而降溫曲線中由于溫度力為分布力，因此底座受力均勻。

圖7 底座降溫和底座張拉工況下底座受力對比

3.6 底座鎖定

張拉完成后隨即澆筑常規(guī)區(qū)BL1后澆帶及K0、J1后澆帶混凝土，常規(guī)區(qū)BL2后澆帶需待底座中應力均勻后澆筑。鎖定后底座受力如圖8所示。

圖8 鎖定后底座受力曲線

通過鎖定，常規(guī)區(qū)成為底座一部分，底座施工完成。底座縱連后，常規(guī)區(qū)BL2后澆帶應該盡快的進行澆筑。但當縱連在底座溫度小于鎖定溫度的情況下進行時，必須待混凝土澆筑段內(nèi)應力均衡后才能澆筑。等待時間如表3所示。

表3 后澆帶能澆筑所需等待時間

4 結(jié)論

利用Ansys軟件建立板－橋－墩系統(tǒng)縱向力計算模型，分析了底座從澆筑、張拉再到鎖定整個過程中的受力與變形，研究結(jié)論如下。

(1)底座鎖定板溫對于控制底座溫度應力變化幅度，避免產(chǎn)生失穩(wěn)、斷板等問題有著至關重要的作用，因此需將橋上底座在鎖定溫度范圍內(nèi)鎖定。當?shù)鬃鶞囟鹊陀诨蚋哂阪i定溫度時，需通過張拉或降溫來實現(xiàn)鎖定。

(2)張拉后底座將出現(xiàn)應力集中，應注意張拉時整個斷面需均勻張拉，同時避免滑動層褶皺，否則張拉時影響范圍減小，造成澆筑段局部拉長，應力過于集中，導致端部混凝土拉裂。

(3)當?shù)鬃c鎖定板溫相差較大時，鋼筋連接器后澆帶不能通過一次張拉縮短到計算值。必須每隔24 h重復張拉一次，直到達到最終的寬度。每次張拉都要對每個鋼筋連接器后澆帶的張拉量和總的張拉量以及實際需要達到的張拉量進行記錄。

(4)當?shù)鬃鶞囟刃∮阪i定板溫時，BL2后澆帶必須待混凝土澆筑段內(nèi)應力均衡后方能澆筑。

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