大跨連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道線路維護(hù)的力學(xué)影響

陳小平,王芳芳,郭利康

(1.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 成都　610106; 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路

工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都　610031)

?

大跨連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道線路維護(hù)的力學(xué)影響

陳小平1,2,王芳芳1,郭利康2

(1.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 成都610106; 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路

工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都610031)

摘要：建立一種橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力學(xué)模型,取消部分區(qū)段的扣件縱向阻力以模擬維護(hù)作業(yè)對(duì)軌道和橋梁受力的影響。利用所建力學(xué)模型對(duì)一座80 m+128 m+80 m大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道松開扣件進(jìn)行線路維護(hù)作業(yè)的縱向力變化進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鋼軌縱向力最大變化值為64.82 kN,相當(dāng)于軌溫變化3.38 ℃產(chǎn)生的溫度力；底座板縱向力最大變化值為52.75 kN；剪力齒槽和橋梁固定支座的縱向力變化均在20 kN以下。松開扣件維護(hù)作業(yè)對(duì)鋼軌、底座板、剪力齒槽和固定支座的強(qiáng)度影響可承受,按現(xiàn)行《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》對(duì)大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道松開扣件進(jìn)行維護(hù)作業(yè)是可行的。

關(guān)鍵詞：CRTSⅡ型板式無砟軌道；線路維護(hù)；力學(xué)影響；大跨度；連續(xù)梁橋

為了跨越既有高速公路、鐵路、河流等障礙物，我國高速鐵路建設(shè)時(shí)有將CRTSⅡ型板式無砟軌道鋪設(shè)在大跨度連續(xù)梁橋上[1，2]。隨著運(yùn)營時(shí)間增加，車輛荷載動(dòng)態(tài)作用導(dǎo)致軌道幾何狀態(tài)逐漸惡化，為了滿足高速列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行的需求，大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道需要在適當(dāng)時(shí)機(jī)松開扣件進(jìn)行墊板、改道等維護(hù)作業(yè)[3，4]。橋梁伸縮、撓曲及列車制動(dòng)等因素作用下，橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的無縫鋼軌、底座板、橋梁將發(fā)生極為復(fù)雜的縱向相互作用，這其中扣件縱向阻力是重要影響參數(shù)[5-9]。為了明確松開扣件進(jìn)行墊板、改道等維護(hù)作業(yè)對(duì)大跨度連續(xù)梁橋上無縫鋼軌、底座板、橋梁等主要部件的縱向力影響，以確定其強(qiáng)度是否能滿足使用要求，本文擬建立一種考慮在線路任意區(qū)段松開扣件的無縫鋼軌-無砟軌道-大跨度連續(xù)梁橋縱向相互作用力學(xué)模型，分析一座80 m+128 m+80 m的大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道在不同位置松開扣件進(jìn)行改道、墊板等維護(hù)作業(yè)對(duì)無縫鋼軌、底座板、剪力齒槽和橋梁固定支座等部件縱向力的影響，為大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道合理維護(hù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相關(guān)理論參考。

1力學(xué)模型

圖1　考慮維護(hù)作業(yè)的大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力學(xué)模型示意

考慮橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向連續(xù)層主要有無縫鋼軌、無砟軌道和橋梁，并根據(jù)三個(gè)縱向連續(xù)層的相互作用關(guān)系建立圖1所示模型。模型中無縫鋼軌與無砟軌道通過扣件縱向阻力相互作用，無砟軌道與橋梁通過滑動(dòng)層摩擦阻力和剪力齒槽阻力相互作用，與摩擦板通過摩擦板阻力相互作用，與路基通過路基阻力相互作用。橋梁通過固定支座阻力與墩臺(tái)及基礎(chǔ)相互作用。模型中大跨度連續(xù)梁的兩側(cè)只給出1跨簡支梁作為示意，實(shí)際力學(xué)模型需要根據(jù)具體橋跨布置建立，圖1重點(diǎn)在于說明系統(tǒng)的相互作用關(guān)系如何考慮。另外，本文所建模型考慮了兩股道與橋梁共同縱向相互作用，本質(zhì)為一無縫鋼軌、無砟軌道和橋梁縱向相互作用空間一體化模型，圖1所示為模型正面圖，未體現(xiàn)這一特點(diǎn)。運(yùn)營階段進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)，某區(qū)段同時(shí)松開兩股道扣件的可能性很小，但同時(shí)松開一股道2根鋼軌的扣件有可能的，考慮到2根鋼軌的扣件縱向阻力比1根大，為了對(duì)不利情況進(jìn)行分析，所建計(jì)算模型取消維修地段一股道的扣件縱向阻力，保留另一股道的扣件縱向阻力。對(duì)圖1所示模型采用有限單元法求解，鋼軌、無砟軌道及橋梁采用空間梁單元模擬，單元長度為1 m?？奂v向阻力、滑動(dòng)層摩擦阻力、摩擦板阻力和路基阻力采用非線性彈簧單元模擬，非線性彈簧的拉伸和壓縮性能相同，彈簧拉壓變形量等效成彈簧單元2個(gè)節(jié)點(diǎn)的縱向相對(duì)位移，彈簧產(chǎn)生的拉力或壓力等于相應(yīng)的阻力，非線性特性表現(xiàn)在阻力隨縱向相對(duì)位移非線性變化。端刺阻力、剪力齒槽阻力和橋梁固定支座阻力采用線性彈簧模擬，彈簧拉壓性能相同，其中固定支座阻力彈簧的剛度等于墩臺(tái)頂縱向水平剛度。根據(jù)位置，分別建立端刺、路基、摩擦板及墩臺(tái)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)用來連接各類相應(yīng)的彈簧單元。對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，約束端刺、路基、摩擦板及墩臺(tái)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的所有自由度，根據(jù)各類單元的單元?jiǎng)偠染仃嚱M集系統(tǒng)總剛度，建立系統(tǒng)平衡方程，然后求解。

2計(jì)算參數(shù)

以我國客運(yùn)專線上某座80 m+128 m+80 m大跨度連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在連續(xù)梁左側(cè)和右側(cè)分別布置9跨和10跨32 m簡支梁，大跨度連續(xù)梁固定支座位置見圖1，所有簡支梁的固定支座布置在左側(cè)，固定支座對(duì)應(yīng)的墩臺(tái)頂縱向水平剛度如表1所示，表中序號(hào)為從左橋臺(tái)向右橋臺(tái)順序編號(hào)。每跨簡支梁和大跨度連續(xù)梁上均設(shè)置1個(gè)剪力齒槽，位置對(duì)應(yīng)橋梁固定支座布置。無砟軌道、各類阻力及其他參數(shù)取值見表2。

表1　墩臺(tái)頂縱向水平剛度　kN/cm

表2　主要計(jì)算參數(shù)取值

扣件縱向阻力、滑動(dòng)層摩擦阻力、摩擦板阻力、路基阻力非線性變化特性如圖2所示，區(qū)別在于各自的屈服點(diǎn)位移和極限阻力不同?？奂v向阻力和路基阻力的極限阻力值見表2，除扣件縱向阻力的屈服點(diǎn)位移為2 mm外，其余阻力的屈服點(diǎn)位移均為0.5 mm?；瑒?dòng)層摩擦阻力和摩擦板阻力的極限阻力值等于上部鋼軌、軌道和底座板的重力乘以摩擦系數(shù)，鋼軌為60 kg/m鋼軌、計(jì)算軌道板和底座板重力所需參數(shù)及摩擦系數(shù)見表2。表2中端刺及剪力齒槽的阻力彈簧剛度取值是參考文獻(xiàn)[10]確定的。由于混凝土裂縫對(duì)底座板伸縮剛度的影響，計(jì)算考慮最不利狀態(tài)，即底座板處于全斷面開裂狀態(tài)，伸縮剛度折減至開裂前的11.92%，這是因?yàn)榈鬃迳炜s剛度越小，無縫鋼軌縱向力受橋梁伸縮影響越大[8]。

圖2　非線性阻力變化特性

3松開扣件數(shù)量的影響

文獻(xiàn)[11]規(guī)定，高速鐵路無砟軌道進(jìn)行改道、墊板作業(yè)時(shí)允許作業(yè)軌溫差不超過10 ℃，連續(xù)松開扣件數(shù)量不超過40個(gè)。文獻(xiàn)[12]規(guī)定，橋上無縫線路縱向力計(jì)算，橋梁溫差按年溫差考慮時(shí)為30 ℃。考慮大跨度連續(xù)梁上進(jìn)行線路維護(hù)作業(yè)時(shí)鋼軌和橋梁溫差處于最不利狀況，即作業(yè)時(shí)鋼軌溫差為10 ℃，橋梁溫差為30 ℃。連續(xù)松開扣件數(shù)量按4種工況考慮：以大跨度連續(xù)梁固定支座位置為中心分別連續(xù)松開扣件10個(gè)、20個(gè)、30個(gè)和40個(gè)，扣件間距按0.6 m考慮。大跨連續(xù)梁固定支座距左橋臺(tái)的距離為368 m，4種工況扣件松開區(qū)段分別距左橋臺(tái)365～371 m(工況A)、362～374 m(工況B)、359～377 m(工況C)和356～380 m(工況D)。

表3為4種工況對(duì)應(yīng)的鋼軌、底座板、剪力齒槽和橋梁固定支座縱向力最大變化值。圖3～圖6分別為鋼軌、底座板、剪力齒槽和固定支座在作業(yè)區(qū)段各工況縱向力變化值的比較。圖3、圖4橫軸表示的位置坐標(biāo)以左橋臺(tái)為原點(diǎn)、指向右橋臺(tái)為正，縱軸表示的縱向力變化值為作業(yè)前后的縱向力差值，正值表示作業(yè)后增加了。剪力齒槽和固定支座編號(hào)均是從左橋臺(tái)往右橋臺(tái)順序編號(hào)，大跨連續(xù)梁橋上的剪力齒槽和固定支座編號(hào)均為10。在松開扣件地段，鋼軌與無砟軌道的最大縱向相對(duì)位移從工況A的0.15 mm增大至工況D的0.57 mm，4種工況的最大縱向相對(duì)位移均出現(xiàn)在距左橋臺(tái)368 m處，即松開扣件地段的中心位置。

表3　不同工況主要部件縱向力最大變化值　kN

圖3　鋼軌縱向力變化

圖4　底座板縱向力變化

由表3可知，扣件松開后，鋼軌、底座板、剪力齒槽、固定支座的縱向力降低值不會(huì)隨著扣件連續(xù)松開數(shù)量線性增加，這是因?yàn)榭奂v向阻力和滑動(dòng)層摩擦阻力都是非線性變化，并且縱向相對(duì)位移超過各自的屈服點(diǎn)位移后阻力不再增加。松開扣件對(duì)鋼軌縱向力影響最大、底座板次之，剪力齒槽再次之，橋梁固定支座最小。在大跨度連續(xù)梁橋上對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道連續(xù)松開40個(gè)扣件進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，鋼軌縱向力最大變化值為64.82 kN，相當(dāng)于一根60 kg/m無縫長鋼軌軌溫變化3.38 ℃所產(chǎn)生的溫度力。底座板縱向力最大變化值為52.75 kN，沒有超過其設(shè)計(jì)檢算所采用最大縱向力3 245.5 kN的1.63%[10]。

圖5　剪力齒槽縱向力變化

圖6　固定支座縱向力變化

圖3表明鋼軌縱向力變化的兩個(gè)極值出現(xiàn)在松開扣件區(qū)段的兩端附近，在松開扣件區(qū)段的中心區(qū)域鋼軌縱向力基本保持不變，這是由于該區(qū)域鋼軌沒有扣件縱向阻力作用。連續(xù)松開40個(gè)扣件時(shí)距左橋臺(tái)314～420 m范圍內(nèi)的鋼軌縱向力有明顯變化，表明連續(xù)松開扣件對(duì)兩端相鄰約42 m(相當(dāng)于70個(gè)扣件支點(diǎn))范圍內(nèi)的鋼軌縱向力有明顯影響。

圖4表明底座板縱向力變化規(guī)律與鋼軌具有反向相似性，鋼軌縱向力出現(xiàn)減小極值時(shí)底座板縱向力出現(xiàn)增大極值，在松開扣件中心區(qū)域底座板的縱向力也沒什么變化。底座板縱向力只在松開扣件區(qū)段前后約26 m范圍內(nèi)變化較大，松開扣件對(duì)底座板縱向力的影響范圍比鋼軌小，這是因?yàn)榛瑒?dòng)層摩擦阻力比扣件縱向阻力大，松開扣件后底座板上表面的扣件縱向阻力變化可以被更短范圍內(nèi)的滑動(dòng)層摩擦阻力平衡。

由圖5和圖6可知，松開扣件對(duì)剪力齒槽和橋梁固定支座產(chǎn)生相似的影響：松開扣件所在梁跨的剪力齒槽和橋梁固定支座縱向力降低，相鄰梁跨增加，隨著扣件松開數(shù)量增加，這種變化幅值增大。剪力齒槽和固定支座縱向力的變化僅限于連續(xù)梁及兩側(cè)相鄰簡支梁，其余簡支梁上的剪力齒槽和固定支座縱向力變化不明顯。雖然剪力齒槽比橋梁固定支座的變化幅值稍大，但都沒有超過20 kN，這一變化與各自的承載能力相比，幾乎可以忽略不計(jì)[10]。

4作業(yè)位置的影響

為了分析大跨度連續(xù)梁橋上維護(hù)作業(yè)位置對(duì)系統(tǒng)縱向力的影響，對(duì)圖7所示7個(gè)位置(位置A和G為大跨度連續(xù)梁的兩端，位置B、D、F為跨中，位置C和E為主跨兩側(cè)橋梁墩臺(tái)處，剪力齒槽和固定支座均在位置C處，各位置松開扣件區(qū)段距左橋臺(tái)距離見表4)進(jìn)行了計(jì)算，每一個(gè)位置連續(xù)松開扣件的數(shù)量均為40個(gè)，即現(xiàn)有維修規(guī)則允許松開的最多扣件個(gè)數(shù)[11]，計(jì)算中的鋼軌和橋梁的溫差幅度分別為10 ℃和30 ℃。表5為在不同位置作業(yè)后，各主要部件的縱向力最大變化值，表中剪力齒槽和固定支座縱向力變化均為大跨度連續(xù)梁的。

圖7　連續(xù)梁上作業(yè)位置示意

表4　各作業(yè)位置松開扣件區(qū)段距左橋臺(tái)距離　m

表5　主要部件縱向力最大變化值　kN

由表5可知，對(duì)主要部件縱向力影響最大的作業(yè)位置在連續(xù)梁固定支座處、各跨中其次，連續(xù)梁的兩端較小，這是因?yàn)檫B續(xù)梁在固定支座附近設(shè)有剪力齒槽，松開扣件后底座板因約束減弱出現(xiàn)縱向變形趨勢，但剪力齒槽限制了這一趨勢，從而剪力齒槽的縱向力增加，并就近傳至連續(xù)梁固定支座上。各作業(yè)位置均是對(duì)鋼軌和底座板的縱向力影響較大，剪力齒槽和固定支座則很小。

圖8和圖9分別為不同作業(yè)位置對(duì)鋼軌和底座板縱向力變化的影響。

圖8　鋼軌縱向力變化

圖9　底座板縱向力變化

從圖8和圖9可看出，各作業(yè)位置鋼軌和底座板縱向力變化峰值在松開扣件區(qū)段的兩端附近出現(xiàn)，在松開扣件區(qū)段的中部縱向力變化最小。在距左橋臺(tái)相同位置，鋼軌縱向力增大、底座板減小，鋼軌縱向力減小、底座板就增大，表明二者縱向力變化規(guī)律類似反對(duì)稱，但數(shù)值有差異。位置G進(jìn)行維護(hù)作業(yè)時(shí)，鋼軌和底座板縱向力變化范圍最小，位置C維修作業(yè)時(shí)則最大，因此建議在位置C松開扣件進(jìn)行維護(hù)作業(yè)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)松開扣件區(qū)段前后約70個(gè)支點(diǎn)范圍的線路狀態(tài)、特別是扣件的擰緊狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)檢查，以保證線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。位置A和位置G進(jìn)行維護(hù)作業(yè)時(shí)，底座板縱向力有突變，其原因是在這兩個(gè)位置附近有相鄰簡支梁上的剪力齒槽的約束作用。

5結(jié)論

(1)按《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》規(guī)定，橋上CRTSⅡ型板式無砟軌進(jìn)行墊板、改道作業(yè)允許連續(xù)松開扣件最多40個(gè)，此時(shí)80 m+128 m+80 m大跨度連續(xù)梁橋上鋼軌縱向力最大變化值為64.82 kN，相當(dāng)于軌溫變化3.38 ℃產(chǎn)生的溫度力，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)則進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，對(duì)無縫線路強(qiáng)度影響不大。

(2)底座板縱向力變化比鋼軌縱向力變化小，對(duì)稱連續(xù)梁固定支座連續(xù)松開40個(gè)扣件時(shí)，底座板縱向力變化最大，為52.75 kN，該值遠(yuǎn)小于底座板設(shè)計(jì)檢算時(shí)所采用的縱向力，按現(xiàn)行規(guī)則松開扣件進(jìn)行維護(hù)作業(yè)對(duì)底座板強(qiáng)度的影響幾乎可以忽略。

(3)剪力齒槽和橋梁固定支座的縱向力變化比鋼軌和底座板有較大幅度的減小，按現(xiàn)行維修規(guī)則松開扣件進(jìn)行維護(hù)作業(yè)剪力齒槽和橋梁固定支座的縱向力變化均在20 kN以下，這一變化與其承載能力相比很小，可以不考慮松開扣件維護(hù)作業(yè)對(duì)剪力齒槽和橋梁固定支座強(qiáng)度的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏華，姚力，楊榮山，等.遂渝線縱連板式軌道系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(1):1-3.

[2]程志強(qiáng).CRTSⅡ型板式無砟軌道在客專上的研究應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2011(7):120-123.

[3]全順喜.幾何不平順對(duì)道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系的影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(3)：17-22.

[4]王維.鐵路客運(yùn)專線軌道超高設(shè)置的適應(yīng)性研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(3)：15-21.

[5]陳小平.橋梁溫度跨度對(duì)縱連底座板受力及配筋的影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(10):6-9.

[6]方利，王志強(qiáng)，李成輝.簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道制動(dòng)力影響因素分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2012，34(1):72-76.

[7]蔡小培，高亮，孫漢武，等.橋上縱連板式無砟軌道無縫線路力學(xué)性能分析[J].中國鐵道科學(xué)，2011，32(6):28-33.

[8]陳小平.大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道伸縮附加力的影響因素分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，40(3):383-387.

[9]徐慶元，張旭久.高速鐵路博格縱連板橋上無砟軌道縱向力學(xué)特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，40(2):526-532.

[10]中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.京津城際鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)原理與方法總結(jié)[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2007.

[11]鐵道部運(yùn)輸局工務(wù)部.TG/GW115—2012高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2012.

[12]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10015—2010鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

Mechanical Effect of Track Maintenance on CRTSⅡ SlabTrack and Long Span Continuous Beam BridgeChen Xiao-ping1,2, Wang Fang-fang1, Guo Li-kang2

(1.School of Urban and Rural Construction, Chengdu University, Chengdu 610106, China;

2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：A longitudinal mechanical model of CRTSⅡ slab track on the bridge is set up to simulate the effects of track maintenance operation on the stress of the track and bridge by eliminating fasteners’ longitudinal resistance in some track sections. The longitudinal stress changes of CRTSⅡ slab track and 80 m+128 m+80 m long span continuous beam bridge with fasteners loosed for maintenance operation are analyzed with the model. The results show that the maximal rail longitudinal stress change is 64.82 kN, equaling to its temperature stress caused by 3.38 ℃ change. The maximal longitudinal foundation plate stress change is 52.75 kN. The Longitudinal stress changes of shear alveolar and fixed support are both smaller than 20 kN. The effects of track maintenance with loosed fasteners on the strength of the rail, foundation plate, shear alveolar and fixed support are acceptable. Therefore, it is feasible to loose fasteners and conduct track maintenance on CRTSⅡ slab track on long span continuous beam bridge according to current Regulations for High-speed Railway Ballastless Track Maintenance.

Key words：CRTSⅡ slab track; Track maintenance; Mechanical effect; Long span; Continuous beam bridge

中圖分類號(hào)：U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.001

文章編號(hào)：1004-2954(2015)02-0001-05

作者簡介：陳小平(1978—)，男，副教授，博士，E-mail:cxp193@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308081)；鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G006-B)

收稿日期：2014-05-12； 修回日期：2014-05-20