橋上縱連板在制動(dòng)力作用下梁軌相互作用影響分析

沈彬然，王　冠，劉　浩，王　平(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，四川成都　610031)

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橋上縱連板在制動(dòng)力作用下梁軌相互作用影響分析

沈彬然，王冠，劉浩，王平
(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，四川成都610031)

摘要:橋上縱連板采用縱向連續(xù)鋪設(shè)的軌道板和底座板，在溫度、列車等荷載共同作用下其梁軌相互作用機(jī)理較普通橋上無縫線路更為復(fù)雜。本文采用有限元方法建立了線—板—橋—墩一體化計(jì)算模型，研究了制動(dòng)力作用下主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對梁軌相互作用的影響。研究結(jié)果表明:軌道板及底座板縱向伸縮剛度折減對軌道各部件受力有影響，且溫度跨度越大這種影響越顯著;滑動(dòng)層摩擦系數(shù)越大，底座板、軌道板、端刺、剪力齒槽、墩臺(tái)受力越大，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能保持滑動(dòng)層的低摩阻力;雙線橋上在一線制動(dòng)、另一線啟動(dòng)的雙線加載情況下除剪力齒槽外，軌道及橋梁各部件的受力、位移均遠(yuǎn)大于單線加載情況。雙線加載是較為不利的工況，在設(shè)計(jì)檢算中應(yīng)采用此加載工況。

關(guān)鍵詞:橋上線路縱連板梁軌相互作用制動(dòng)作用無縫線路

CRTSⅡ型板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是無砟軌道板和橋上底座板均為縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，在溫度變化時(shí)，橋梁伸縮僅通過滑動(dòng)層將較小的摩擦力傳遞至道床板，鋼軌相對于道床板的縱向位移及伸縮力均較?。?-4］;在制動(dòng)荷載作用下，道床板將其上所承受的縱向力通過固定支座上的剪力齒槽直接傳遞給墩臺(tái)［5-7］。其優(yōu)點(diǎn)是鋼軌與橋梁的縱向相互作用較弱，可適應(yīng)在較大跨度的橋梁上鋪設(shè)，道床板出現(xiàn)損傷后也可較方便地進(jìn)行維修更換;其缺點(diǎn)是受力體系復(fù)雜、結(jié)構(gòu)部件多、影響因素較多，降溫時(shí)底座板承受著較大的溫度拉力而經(jīng)常處于開裂狀態(tài)，可能會(huì)影響其耐久性，各混凝土層間也可能出現(xiàn)離縫、冒漿等問題?？梢酝ㄟ^設(shè)置小阻力扣件、優(yōu)化端刺剛度、摩擦板長度、滑動(dòng)層摩擦系數(shù)、剪力齒槽銷釘數(shù)量等措施來減緩梁軌系統(tǒng)各部件的受力與變形［8-10］。由于CRTSⅡ型板式無砟軌道獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其橋上無縫線路縱向力分布規(guī)律與其他類型的無砟軌道具有不同之處。因此，研究橋上縱連板無縫線路縱向力分布規(guī)律是十分必要的。

1　計(jì)算理論

1.1力學(xué)模型

建立縱連式無砟軌道全橋系統(tǒng)無縫線路計(jì)算模型如圖1所示。在該模型中考慮鋼軌、軌道板、底座板、摩擦板、橋梁、墩臺(tái)、端刺、扣件系統(tǒng)、乳化瀝青砂漿層、兩布一膜滑動(dòng)層、兩布摩擦層等部件的縱向作用，分別采用梁單元、桿單元或彈簧單元來模擬，底座板側(cè)向擋塊主要約束軌道板和底座板的橫向位移、底座板的豎向位移，而允許軌道板、底座板的縱向伸縮，因而可不考慮該部件的影響。沿線路橫向，可建立單軌、單線和整橋模型。

圖1　縱連板式無砟軌道全橋系統(tǒng)無縫線路計(jì)算模型

1.2計(jì)算參數(shù)

分別以一座5×32.5 m簡支梁橋和一座2×32.5 m簡支梁+(32.5 + 48.1 + 32.5)m連續(xù)梁+ 2×32.5 m簡支梁橋?yàn)槔?jì)算，后者橋跨及支座布置如圖2所示。

圖2　連續(xù)梁橋跨及支座布置(單位:m)

計(jì)算選用的鋼軌為60 kg/m鋼軌。軌道板高200 mm，寬2 550 mm，混凝土等級(jí)C50。底座板高200 mm，寬2 950 mm，混凝土等級(jí)C40。每一股道的扣件縱向阻力取30 kN/m，底座板與橋梁間的摩擦阻力等于摩擦系數(shù)乘以單位長度軌道自重。制動(dòng)力作用在第一股道上，ZK荷載的制動(dòng)力率取0.164，簡支梁5跨滿載，制動(dòng)力作用方向從左至右，連續(xù)梁加載范圍為左橋臺(tái)至連續(xù)梁右端。

2　道床板及底座板伸縮剛度折減的影響

橋梁升溫情況下可不考慮道床板及底座板伸縮剛度的折減，在橋梁降溫情況下，設(shè)軌道板及底座板的伸縮剛度折減系數(shù)為0.1，單線加載方式。簡支梁及連續(xù)梁上鋼軌縱向附加力分布如圖3所示，鋼軌及軌道板縱向位移分布如圖4所示。由于軌道板及底座板縱向伸縮剛度降低，對鋼軌的約束阻力減弱，鋼軌制動(dòng)附加力增大，簡支梁最大制動(dòng)拉力約為80.6 kN，連續(xù)梁最大制動(dòng)拉力約為87.7 kN;鋼軌及軌道板縱向位移增大，簡支梁上鋼軌最大位移約為3.04 mm，軌道板最大位移約為2.61 mm，連續(xù)梁上鋼軌最大位移約為3.98 mm，軌道板最大位移約為3.54 mm?？梢?，在降溫情況下列車制動(dòng)對軌道結(jié)構(gòu)的影響較大，且橋梁溫度跨度越大這種影響越顯著，因此在設(shè)計(jì)檢算中應(yīng)注重降溫及制動(dòng)工況的檢算。

圖3　鋼軌縱向力分布

圖4　鋼軌及軌道板縱向位移分布

軌道板及底座板所受縱向力分布如圖5所示;梁體及底座板縱向位移分布如圖6所示。從兩圖可見，軌道板及底座板所承受的縱向力在剪力齒槽處波動(dòng)較劇烈，設(shè)計(jì)中應(yīng)予重點(diǎn)關(guān)注，避免底座板在該處開裂而導(dǎo)致剪力齒槽失效。計(jì)算顯示:簡支梁上軌道板承受的最大制動(dòng)拉力約為59.7 kN，底座板承受的最大制動(dòng)拉力約為150.3 kN，端刺所承受的最大縱向力約為224.3 kN/線;連續(xù)梁上軌道板承受的最大制動(dòng)拉力約為73.4 kN，底座板承受的最大制動(dòng)拉力約為106.3 kN，端刺所承受的最大縱向力約為173.9 kN/線。表明列車制動(dòng)荷載大部分由橋梁墩承受;簡支梁梁體最大縱向位移約為2.49 mm，底座板最大縱向位移約為2.61 mm;連續(xù)梁梁體最大縱向位移約為3.37 mm，底座板最大縱向位移約為3.52 mm。

圖5　軌道板及底座板所受縱向力分布

圖6　梁體及底座板縱向位移分布

剪力齒槽及橋墩所受縱向力分布如圖7所示。從圖中可見，在降溫情況下剪力齒槽所受縱向力也較大，簡支梁上最大值約為249.6 kN/線，連續(xù)梁上最大值約為286.6 kN/線;簡支梁上左橋臺(tái)所受最大縱向力約為420.1 kN，連續(xù)梁上左橋臺(tái)所受最大縱向力約為485.6 kN。

圖7　剪力齒槽及橋墩所受縱向力分布

3　滑動(dòng)層摩擦系數(shù)的影響

以降溫及雙線加載為例，軌道板及底座板伸縮剛度折減系數(shù)為0.1，滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對梁軌系統(tǒng)制動(dòng)力的影響如表1所示。從表1可見:滑動(dòng)層摩擦系數(shù)越大，軌道及橋梁系統(tǒng)的約束作用越大，因而底座板、軌道板、端刺、剪力齒槽、墩臺(tái)受力也越大，其中以底座板制動(dòng)拉力的增加幅度最為明顯，降溫情況可能會(huì)增大底座板的開裂寬度，對其耐久性較為不利，應(yīng)盡可能保持滑動(dòng)層的低摩擦阻力。無砟軌道與橋梁的相互作用增強(qiáng)后，鋼軌受力及位移、無砟軌道各部件及橋梁位移均隨著滑動(dòng)層摩擦系數(shù)的增大而減小。從理論上來講，可通過觀測制動(dòng)荷載作用下軌道及橋梁各部件的縱向位移來判斷滑動(dòng)層摩擦阻力的變化情況。

4　雙線加載的情況

以升溫情況為例，考慮一線制動(dòng)、一線啟動(dòng)的雙線加載情況。計(jì)算得出軌道及橋梁各部件的受力與變形如表2所示。

表1　滑動(dòng)層摩擦系數(shù)對制動(dòng)力的影響

表2　雙線加載與單線加載計(jì)算結(jié)果比較

從表2可見，雙線加載情況下，除剪力齒槽外，軌道及橋梁各部件的受力、位移均遠(yuǎn)大于單線加載情況(部分計(jì)算結(jié)果為2倍以上)，雙線加載是較為不利的工況，在設(shè)計(jì)檢算中應(yīng)采用此加載工況;在單線加載情況下，另一線連續(xù)軌道結(jié)構(gòu)對橋梁縱向位移有較大的約束作用，減弱了制動(dòng)荷載作用下的梁軌相互作用，但剪力齒槽在兩線間的傳力作用增強(qiáng)，承受的縱向力反而大于雙線加載，檢算剪力齒槽強(qiáng)度時(shí)宜采用單線加載工況。

5　結(jié)論

1)軌道板及底座板縱向伸縮剛度折減，對鋼軌的約束阻力減弱，使得鋼軌制動(dòng)力和鋼軌、軌道板、梁體位移均較非折減情況下有所增大。考慮剛度折減工況下列車制動(dòng)對軌道結(jié)構(gòu)的影響較非折減工況更大，且折減系數(shù)越大這種影響越顯著。軌道板及底座板所承受的縱向力在剪力齒槽處波動(dòng)較劇烈，因降溫過程中承受著較大的拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)中應(yīng)予重點(diǎn)關(guān)注，避免底座板在該處開裂而導(dǎo)致剪力齒槽失效。

2)滑動(dòng)層摩擦系數(shù)越大，軌道及橋梁系統(tǒng)的約束作用越大，因而底座板、軌道板、端刺、剪力齒槽、墩臺(tái)受力也越大。其中以底座板制動(dòng)拉力的增加幅度最為明顯，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能保持滑動(dòng)層的低摩阻力。

3)一線制動(dòng)、一線啟動(dòng)的雙線加載情況下除剪力齒槽外，軌道及橋梁各部件的受力、位移均遠(yuǎn)大于單線加載情況，部分計(jì)算結(jié)果為2倍以上，雙線加載是較為不利的工況，在設(shè)計(jì)檢算中應(yīng)采用此加載工況，檢算剪力齒槽強(qiáng)度時(shí)宜采用單線加載工況。

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(責(zé)任審編孟慶伶)

Analysis of Girder-Rail Interaction under Braking Effect of Longitudinal Connected Slab on Bridge

SHEN Binran，WANG Guan，LIU Hao，WANG Ping

(Key Laboratory of High Speed Railway Engineering Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract:Longitudinal connected slab on bridge uses longitudinal continuous paved track slab and base，and whose interaction mechanism between girder and rail under joint action of temperature and trains load is more complex than that of continuous welded rail on ordinary bridge.T he paper established a Line-Slab-Bridge-Pier integrated model through the finite element method to study the impact of major structural parameters change under braking effect.T he results show that longitudinal extension stiffness reduction of the track slab and base has an effect to track stress of all the components.And the the temperature span is greater，the impact is more significant.W hen the friction coefficient of the sliding layer increases，the force of track slab，base，side spines，shear cogging，the pier is greater.In the design process it should be possible to maintain a low frictional resistance of the sliding layer.Taking into account the two-line bridge under the condition of one-line brake，another-line start loading.Except shear gullet，check calculation shows that the force and displacement of rail and bridge components are much larger than the single line loading.And two-line loading is more unfavorable conditions.In the design process，two-line load condition should be used.

Key words:Rail on bridge;Longitudinal connected slab;Girder-rail interaction;Braking effect;Continuous welded rail

作者簡介:沈彬然(1992—)，男，碩士研究生。

基金項(xiàng)目:國家杰出青年科學(xué)基金(51425804)

收稿日期:2015-12-02;修回日期:2016-01-06

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0127-05

中圖分類號(hào):U441+.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.31