高速鐵路大跨度梁拱組合橋無砟軌道板鋪設對主梁變形的影響分析

陳俊波

鄭萬鐵路客運專線河南有限責任公司，中國·河南 鄭州450015

高速鐵路；大跨度梁拱組合橋；無砟軌道板；鋪設順序；數(shù)值模擬

1 引言

目前高速鐵路主要應用的軌道類型有兩種，分別是有咋軌道和無砟軌道。雖然兩種類型的軌道結(jié)構(gòu)均可以保證列車的安全運營，但是隨著列車運行速度的提高，有咋軌道結(jié)構(gòu)形式的弊端逐漸顯現(xiàn)，而無砟軌道以其高平順性、高穩(wěn)定性、高耐久性和低維修等優(yōu)點，在中國高速鐵路及客運專線中被廣泛應用[1]。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，中國高速鐵路無砟軌道大部分鋪設于橋梁結(jié)構(gòu)上。橋梁是中國高速鐵路建設系統(tǒng)的重要組成部分，對高速列車的行車安全性和乘車舒適性具有不可忽略的影響。而大跨度橋上鋪設無砟軌道時，橋梁的伸縮、撓曲均對無砟軌道有影響，已成為中國擴大無砟軌道應用范圍的一項技術(shù)難題。因此，許多學者相繼做了一些研究，劉永存[2]根據(jù)橋梁變形曲線及車橋耦合動力響應分析結(jié)果，提出大跨度橋梁鋪設無砟軌道技術(shù)難點、技術(shù)要求與評價指標。楊艷麗[3]等提出特大橋鋪設無砟軌道時的線型控制方法，充分利用底座板和自密實混凝土層的厚度進行調(diào)整，來控制主梁以及軌道板線型。張鵬飛[4～5]等計算了列車荷載作用下無砟軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的撓曲力與位移，分析了不同車載作用長度等工況對撓曲力及位移的影響，分析了簡支橋梁上CRTSI 型無砟軌道的撓曲力與位移，并得出相應分析結(jié)論，為橋梁上CRTSI 型無砟軌道的設計及結(jié)構(gòu)安全性提供參考數(shù)據(jù)。左家強[6]對矮塔斜拉橋無砟軌道的適應性的研究得出了相應分析結(jié)果。陳嶸[7]等分析溫度荷載下梁軌耦合作用規(guī)律，得出相應分析結(jié)論，為橋上縱連板式無砟軌道無縫線路的設計、施工及后期養(yǎng)護維修提供參考。Sheng Xingwang[8]等分析了大跨度斜拉橋上無砟軌道的力學行為和疲勞性能，分析表明隨著疲勞后荷載的增加，無砟軌道的荷載-位移曲線和荷載-壓力曲線表現(xiàn)出明顯的非線性。趙國堂[9]等對不同車速下扣件支點反力和復合板與底座板下荷載橫向分布規(guī)律進行分析，得出相應分析結(jié)論，建議對無砟軌道開展針對性研究，完善無砟軌道設計參數(shù)。朱志輝[9]等通過計算列車荷載和溫度作用下CRTSI 型無砟軌道結(jié)構(gòu)和橋面板的豎向位移曲率、軌道層間壓縮量和梁端轉(zhuǎn)角，分析無砟軌道與大跨度斜拉橋間的變形適應性。

綜上所述，在以往的研究過程中，中國外學者針對無砟軌道施工技術(shù)、軌道力學性能、軌道變形等得出相應結(jié)論，而很少涉及到無砟軌道板鋪設對橋梁變形的影響。本文依托實際工程，利用有限元分析軟件Midas/Civil 建立高速鐵路大跨度梁拱組合橋及無砟軌道板的空間有限元模型，數(shù)值仿真模擬無砟軌道板鋪設的施工過程，分析無砟軌道板不同鋪設施工順序?qū)χ髁鹤冃蔚挠绊?，所得結(jié)論可為高速鐵路橋梁無砟軌道版的鋪設施工提供參考。

2 工程概況

某高速鐵路大跨度梁拱組合橋為（64+128+64）m 預應力混凝土連續(xù)梁-拱組合體系。橋梁全長257.5m，橋梁全寬11.2m。梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁。拱肋計算跨徑為128m，設計矢高f 為25.6m，拱肋中心線矢跨比1/5。全橋共設28 根吊桿，吊桿順橋向間距8.0m，無砟軌道板采用CRTSIII 型結(jié)構(gòu)形式。橋梁立面圖如圖1所示。

圖1 高速鐵路大跨度梁拱組合橋立面圖（單位：cm）

3 高速鐵路大跨度梁拱組合橋有限元模型的建立

采用有限元分析軟件Midas/Civil 建立橋梁和無砟軌道板的空間有限元模型，其中，主梁、拱肋和吊桿橫梁采用空間梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬。橫撐采用空間梁單元建立，軌道板采用空間梁單元建立在主梁的上方，根據(jù)全橋的跨度，一共建立50 塊無砟軌道板，依據(jù)設計每塊軌道板之間留有70mm 伸縮縫，軌道板節(jié)點與主梁對應節(jié)點采用剛性連接。單元的劃分由結(jié)構(gòu)特點及計算精度要求決定。邊界條件依據(jù)支座布置形式設置為：邊支點及右側(cè)中支點約束豎向、橫向平動、繞縱橋向轉(zhuǎn)動和繞豎向轉(zhuǎn)動，左側(cè)中支點約束全部平動自由度和繞縱橋向及豎向轉(zhuǎn)動。全橋有限元模型共計757 個節(jié)點和928 個單元，如圖2、圖3所示。

圖2 橋梁有限元模型

圖3 無砟軌道板有限元模型

4 無砟軌道板鋪設對主梁變形的影響

為探討無砟軌道板的鋪設過程對橋梁主梁變形的影響，對50 塊無砟軌道施工的鋪設過程進行數(shù)值仿真模擬，對其開展施工階段分析。

由于軌道板鋪設開始于橋梁主體結(jié)構(gòu)完成后，所以在橋梁主體結(jié)構(gòu)施工完后，將其成橋狀態(tài)劃分為第一個施工階段（稱為為成橋階段），而后根據(jù)實際軌道板鋪設順序依次劃分多個施工階段。

由于無砟軌道板在橋梁上可能采取的鋪設順序，考慮無砟軌道板3 種鋪設工況模擬無砟軌道板鋪設的施工過程。工況1：從橋梁跨中向兩端對稱鋪設；工況2：從橋梁兩端向跨中對稱鋪設；工況3：從橋梁一端向另一端單向鋪設。3 種工況下的施工階段劃分情況見表1所示，其中無砟軌道板的編號從橋梁左端到右端依次為1 ～50#。

表1 不同工況下的施工階段劃分情況

在3 種工況下，考慮自重荷載作用，計算不同施工階段下由各軌道板引起的主梁跨中豎向變形值，如圖4～6 所示。

圖4 工況1 下各施工階段主梁跨中豎向變形

圖5 工況2 下各施工階段主梁跨中豎向變形

圖6 工況3 下各施工階段主梁跨中豎向變形

從圖4～6 可以看出，當軌道板在橋上鋪設完成后，工況1 ～工況3 下的主梁跨中豎向變形最大值分別為4.16mm、3.41mm 和3.79mm。根據(jù)CRTSIII 型無砟軌道施工質(zhì)量驗收標準，軌道板鋪設高程允許偏差± 0.5mm。因此不能忽略軌道板鋪設時，其自重對主梁豎向變形的影響，特別是在主梁跨中位置。為解決上述問題，可以通過對無砟軌道板設置預拱度以抵消其對主梁豎向變形的影響。各塊無砟軌道板在鋪設時的預拱度值，可通過提取最后一個施工階段軌道板對應的主梁上節(jié)點豎向位移反向值來獲取。

從圖4可以看出，在工況1 下，隨著無砟軌道板的鋪設，主梁跨中的豎向撓曲變形先下?lián)显偕瞎埃渥畲笙聯(lián)现禐?.16mm；從圖5可以看出，在工況2 下，隨著無砟軌道板的鋪設，主梁跨中的豎向撓曲變形先上拱后下?lián)?，其最大下?lián)现禐?.41mm；從圖6可以看出，在工況3 下，隨著無砟軌道板的鋪設，主梁跨中豎向撓曲變形呈現(xiàn)先上拱后下?lián)显偕瞎暗内厔?，其最大下?lián)现禐?.79mm。

工況1 下的無砟軌道板鋪設順序使得橋梁主梁跨中豎向撓曲變形最大，工況2 下的無砟軌道板鋪設順序使得橋梁主梁跨中豎向撓曲變形最小。在無砟軌道實際施工鋪設時，可優(yōu)先選用從橋梁兩端向跨中對稱鋪設的施工順序，這更有利于控制無砟軌道板的鋪設精度。

5 結(jié)語

論文運用Midas/Civil 有限元軟件建立大跨度梁拱組合橋和無砟軌道板的空間有限元模型，仿真模擬了無砟軌道板的鋪設施工過程，分析了無砟軌道板三種不同鋪設方式對主梁跨中豎向變形的影響。得出如下結(jié)論：

（1）無砟軌道板在大跨度梁拱組合橋上鋪設時，其自重對主梁豎向撓曲變形的影響顯著，主梁跨中最大豎向變形可達4.16mm。為精確控制無砟軌道板鋪設時的立模標高，應對無砟軌道板的鋪設過程進行施工監(jiān)控，通過其施工階段分析，確定每塊無砟軌道板鋪設時應設置的預拱度值，以抵消無砟軌道板鋪設對主梁豎向變形的影響，保證無砟軌道板鋪設的高程精度。

（2）無砟軌道板不同的施工鋪設順序?qū)χ髁贺Q向撓曲變形的影響亦不同，當無砟軌道板從橋梁跨中向兩端對稱鋪設時，引起的主梁跨中豎向撓曲變形最大，而當無砟軌道板從橋梁兩端向跨中對稱鋪設時，引起的主梁跨中豎向撓曲變形最小。在無砟軌道的實際施工鋪設過程中，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，可優(yōu)先選用從橋梁兩端向跨中對稱鋪設的施工順序，在施工時同步對軌道板進行監(jiān)控高程，這樣更有利于控制無砟軌道板的鋪設精度。