連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道制動力影響因素分析

張齊坤，芮一飛，高增增

(1.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300240;2.中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京100081; 3.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300142)

連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道制動力影響因素分析

張齊坤1，芮一飛2，高增增3

(1.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300240;2.中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京100081; 3.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300142)

為研究連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道在制動力作用下縱向力的變化規(guī)律，以一客運(yùn)專線(82+128+82)m連續(xù)梁為例，建立線板橋墩空間一體化縱向力計算模型，分析制動力作用位置、聯(lián)合板伸縮剛度和滑動層摩擦系數(shù)對軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)縱向力的影響。結(jié)果表明:當(dāng)在固結(jié)結(jié)構(gòu)處開始制動，制動力分布于溫度跨度較大一側(cè)時，聯(lián)合板受到的縱向拉力和壓力最大;隨聯(lián)合板伸縮剛度折減系數(shù)的增大，聯(lián)合板的縱向拉力和壓力增大;當(dāng)摩擦系數(shù)從0增加到0.15時，聯(lián)合板縱向拉力和壓力減小，變化趨勢明顯，而當(dāng)摩擦系數(shù)由0.15增加到1.00時，聯(lián)合板縱向拉力和壓力增大，變化趨勢緩慢。

CRTSⅡ型板式無砟軌道 橋梁 有限元 制動力

1 概述

橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道系統(tǒng)由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層、底座板、滑動層、高強(qiáng)度擠塑板、側(cè)向擋塊等部分組成，臺后設(shè)置摩擦板、端刺及過渡板。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意

橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:①預(yù)制軌道板和混凝土底座板在長橋上是跨過梁縫的連續(xù)結(jié)構(gòu)，軌道板和底座板連續(xù)鋪設(shè)，兩者結(jié)合在一起形成聯(lián)合板，聯(lián)合板與橋梁間設(shè)置滑動層。整個CRTSⅡ型板軌道系統(tǒng)是一個縱向連續(xù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。軌道板結(jié)構(gòu)及外形尺寸不受橋跨的限制，可與路基上、隧道內(nèi)保持一致，軌道板本身的制造和鋪設(shè)簡便。②連續(xù)底座板端部設(shè)置摩擦板和端刺，以平衡底座板溫度力和冗余制動力，并使橋梁縱向力不影響路基段軌道結(jié)構(gòu)。③全橋范圍內(nèi)底座板與橋梁間設(shè)置滑動層，以減弱橋梁伸縮引起的鋼軌和板內(nèi)縱向附加力。④在固定支座附近底座板和橋梁間設(shè)置剪力齒槽、錨固螺栓固結(jié)機(jī)構(gòu)，將縱向力及時向墩臺上傳遞。⑤梁縫前后3.0 m范圍的梁面上鋪設(shè)5 cm厚高強(qiáng)度擠塑板，以減小梁端轉(zhuǎn)角對無砟軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。⑥通過在底座板兩側(cè)設(shè)置側(cè)向擋塊進(jìn)行橫向、豎向限位。

本文以一客運(yùn)專線(82+128+82)m連續(xù)梁為例，分析制動力作用位置、聯(lián)合板伸縮剛度和滑動層摩擦系數(shù)對縱向力的影響規(guī)律。

2 計算模型

橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道的受力變形和傳力特性類似于無縫線路中的長軌條，需要考慮梁軌相互作用的影響。根據(jù)橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)，建立圖2所示的線板橋墩空間一體化縱向力計算模型，線路縱向考慮了鋼軌、縱連軌道板(底座板)、橋梁和橋墩的相互作用，線路橫向考慮兩股道的相互影響。

根據(jù)已有試驗(yàn)結(jié)論，水泥乳化瀝青砂漿能保證軌道板和底座板的協(xié)調(diào)同步變形，因此，將軌道板和底座板縱向看成一塊板，即聯(lián)合板。鋼軌和軌道板通過扣件縱向阻力相互作用，底座板和橋梁通過固結(jié)機(jī)構(gòu)和摩擦阻力相互作用。為反映橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的縱向傳力特性，模型中將結(jié)構(gòu)均簡化為層狀體系的桿件，結(jié)構(gòu)層之間的連接采用非線性彈簧單元模擬。

圖2 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力計算模型

3 計算參數(shù)

一客運(yùn)專線特大橋孔跨布置如圖3所示，其中主跨為125#～128#墩的三跨(82+128+82)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。主跨位于曲線地段，圓曲線超高值為145 mm。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)計算參數(shù)見表1。

圖3 橋梁孔跨布置

表1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道計算參數(shù)

制動力按照0.8UIC標(biāo)準(zhǔn)，制動荷載為16 kN/m，作用長度為300 m，兩條線路或多條線路只按一線制動。

4 力學(xué)分析

列車在橋上制動時，作用在鋼軌頂面的制動力由于鋼軌及聯(lián)合板間的相互作用將重新分配。制動力一部分分配到鋼軌和聯(lián)合板內(nèi)，另一部分通過聯(lián)合板傳遞到橋梁，再通過橋梁支座傳遞到墩臺，引起墩臺縱向位移，橋梁墩臺縱向位移又反過來引起梁、聯(lián)合板縱向相互作用力的釋放，最終形成一個力學(xué)平衡體系。制動力的分配與制動力的作用位置、聯(lián)合板伸縮剛度和滑動層的摩擦系數(shù)有關(guān)。

4.1 制動力作用位置對縱向受力的影響

聯(lián)合板伸縮剛度折減系數(shù)取0.3，滑動層摩擦系數(shù)取0.7，分別計算對稱制動、左制動和右制動三種工況下軌道結(jié)構(gòu)和橋梁的縱向力。制動作用工況如圖4所示。

圖4 制動力作用工況示意(單位:m)

各工況最大縱向力見表2?？芍?，三種制動工況下，鋼軌縱向力變化不大，墩臺頂縱向力在右制動時最大，固結(jié)機(jī)構(gòu)縱向力在對稱制動時最大，在右制動的情況下聯(lián)合板的縱向拉力和壓力較其它兩種制動方式有較大增加，橋梁縱向力在右制動時最大。

制動力在固結(jié)結(jié)構(gòu)處開始制動，制動力分布于溫度跨度較大一側(cè)時(即右制動)，聯(lián)合板受到的縱向拉力和壓力最大。該制動方式對軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)受力不利。

表2 各工況最大縱向力

4.2 聯(lián)合板伸縮剛度對縱向力的影響

制動工況選取右制動，滑動層摩擦系數(shù)取0.5，聯(lián)合板伸縮剛度折減系數(shù)分別取0.08，0.30，0.50，1.00四種情況，縱向力計算結(jié)果見表3。

由表3可知，隨聯(lián)合板伸縮剛度折減系數(shù)的增大，鋼軌縱向拉力和壓力減小，聯(lián)合板的縱向拉力和壓力增大，固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向力增大，墩臺頂縱向力減小。

制動力從軌頂向下部結(jié)構(gòu)傳遞，通過聯(lián)合板進(jìn)行分配，聯(lián)合板剛度增加，聯(lián)合板受到的縱向力增大，分配到每個橋墩的制動力減小。

4.3 滑動層摩擦系數(shù)對制動附加力的影響

選取右制動，聯(lián)合板伸縮剛度折減系數(shù)取0.3，滑動層摩擦系數(shù)分別取0，0.10，0.15，0.20，0.30，0.70，1.00七種工況進(jìn)行縱向力計算，計算結(jié)果見表4。

表3 右制動時不同聯(lián)合板伸縮剛度下的最大縱向力

表4 右制動時不同摩擦系數(shù)下的最大縱向力

由表4可知，制動力作用下，隨著摩擦系數(shù)的增大，鋼軌的縱向拉力和壓力減小，固結(jié)機(jī)構(gòu)縱向力減小，墩臺頂縱向力增大。摩擦系數(shù)從0增加到0.15時，聯(lián)合板縱向拉力和壓力減小，變化趨勢明顯;摩擦系數(shù)由0.15增加到1.00時，聯(lián)合板縱向拉力和壓力增加，變化趨勢緩慢。

5 結(jié)論

1)列車在橋上制動時，作用在鋼軌頂面的制動力由于連續(xù)鋼軌、聯(lián)合板和橋梁間的相互作用，縱向力將重新分配。制動力作用位置、聯(lián)合板的伸縮剛度和滑動層摩擦系數(shù)的變化都會對縱向力產(chǎn)生影響。

2)當(dāng)制動力在連續(xù)梁固定支座處開始制動，分布于溫度跨度較大一側(cè)時，聯(lián)合板受到的縱向拉力和壓力最大。聯(lián)合板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拉力較大時會產(chǎn)生裂紋，同時墩臺頂縱向力也較大。該制動方式對軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)不利。

3)隨聯(lián)合板伸縮剛度折減系數(shù)的增大，鋼軌縱向拉力和壓力減小，聯(lián)合板的縱向拉力和壓力增大，固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向力也增大。運(yùn)營期間當(dāng)聯(lián)合板出現(xiàn)裂紋時，聯(lián)合板伸縮剛度會減小，聯(lián)合板的縱向拉力和壓力會減小。

4)當(dāng)摩擦系數(shù)從0增加到0.15時，聯(lián)合板縱向拉力和壓力減小，橋梁縱向力增大，變化趨勢明顯;當(dāng)摩擦系數(shù)由0.15增加到1.00時，聯(lián)合板縱向力增加，橋梁縱向力增加，變化趨勢緩慢。

［1］何華武.無碴軌道技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］姜子清，王繼軍，江成.橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道傷損研究［J］.鐵道建筑，2014(6):117-121.

［3］陳小平，王平.客運(yùn)專線橋上縱連板式無砟軌道制動附加力影響因素分析［J］.鐵道建筑，2008(9):87-89.

［4］方利，王志強(qiáng)，李成輝.簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道制動力影響因素分析［J］.鐵道學(xué)報，2012，34(1):73-76.

(責(zé)任審編李付軍)

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.35

1003-1995(2015)06-0136-03

2014-12-06;

2015-03-13

張齊坤(1970—)，男，河南新野人，副教授。