復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋隧相連區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)溫度適應(yīng)性研究

侯博文，趙聞強(qiáng)，高 亮，蔡小培，郄錄朝，徐 旸

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044；2.北京市軌道交通線路工程安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100044；3.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司 智慧交通研究分公司, 浙江 杭州 310030；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081)

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橫跨中國(guó)第一階梯與第二階梯，線路八起八伏，地勢(shì)高差極大，80%以上將以隧道和橋梁的方式建設(shè)。復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路軌道結(jié)構(gòu)需適應(yīng)高烈度活動(dòng)斷裂帶超長(zhǎng)隧道、超長(zhǎng)大坡道、高墩大跨橋梁等多種復(fù)雜線下基礎(chǔ)，同時(shí)面臨著強(qiáng)紫外線、高日溫差、隧道內(nèi)高巖溫高濕等多重極端嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)[1]。復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路獨(dú)有的嚴(yán)苛線路條件為線路帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，其面臨的復(fù)雜溫度環(huán)境[2]，更為橋隧相連區(qū)域軌道選型帶來了新的技術(shù)難題。

相關(guān)研究資料表明，橋隧相連區(qū)域的軌道結(jié)構(gòu)需要滿足一定的剛度和平順性要求[3]，除了需要對(duì)橋隧相連區(qū)域進(jìn)行剛度過渡設(shè)計(jì)外[4-5]，更需要考慮到復(fù)雜溫度環(huán)境下鋼軌爬行、溫度力不均等因素對(duì)線路整體平順性的影響。復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路處于高寒高海拔區(qū)域，年溫差極大，導(dǎo)致其所處溫度環(huán)境十分復(fù)雜[2]；同時(shí)山谷相連，橋隧相連區(qū)域較為普遍，因此開展復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋隧相連區(qū)域軌道及無縫線路對(duì)溫度的適應(yīng)性至關(guān)重要。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域展開了許多研究。曾志平等[6]通過建立鋼軌位移微分方程，推導(dǎo)了橋隧過渡段軌溫與鋼軌縱向位移的映射關(guān)系。曾志平等[7]對(duì)某橋隧過渡段的軌溫和縱向變形開展了連續(xù)監(jiān)測(cè)。于向東等[8]分析了橋隧過渡段RC拱橋上無縫線路縱向力的分布特征。李國(guó)龍等[9]研究了無砟軌道溫度翹曲變形對(duì)橋隧過渡段車線動(dòng)力性能的影響。張向民等[10]對(duì)青藏鐵路高寒地區(qū)風(fēng)火山隧道進(jìn)行了軌溫長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分析了隧道口軌溫分布特征。戴公連等[11]對(duì)橋隧過渡段無砟軌道縱向溫度梯度特征進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有研究表明，橋隧相連區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性研究，不僅要關(guān)注橋梁段復(fù)雜溫度條件對(duì)線路整體受力均衡性的影響，隧道口縱向溫度梯度效應(yīng)同樣不可忽略[12]。但目前研究大多只單一關(guān)注了隧道外溫度或隧道口溫度帶來的荷載效應(yīng)，橋隧相連區(qū)域隧道內(nèi)外溫度環(huán)境共同作用對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響還有待進(jìn)一步分析。

針對(duì)以上問題，本文結(jié)合復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路艱險(xiǎn)山區(qū)對(duì)線路的服役要求，基于有限元法建立了橋隧相連區(qū)域軌道-下部基礎(chǔ)空間精細(xì)化建模，同時(shí)考慮了隧道外橋上復(fù)雜溫差環(huán)境和隧道口縱向溫度梯度的影響，分別研究了當(dāng)隧道內(nèi)采用雙塊式無砟軌道時(shí)，橋梁鋪設(shè)無砟軌道及有砟軌道帶來的影響，提出了橋隧相連區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)選型建議，旨在為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路艱險(xiǎn)山區(qū)的橋隧相連區(qū)域軌道選型提供理論參考。

1 橋隧相連區(qū)域數(shù)值計(jì)算模型

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路艱險(xiǎn)山區(qū)面臨高寒缺氧、超長(zhǎng)隧道、大范圍無人區(qū)等條件，給養(yǎng)護(hù)維修提出了巨大挑戰(zhàn)，這就決定了線路需要采用少維修或免維修的結(jié)構(gòu)型式[9]。根據(jù)重載、客貨共線等線路的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[13-14]，隧道內(nèi)可鋪設(shè)無砟軌道來達(dá)到少維修的目的；但橋梁區(qū)域軌道暴露于外界環(huán)境之中，直接經(jīng)受日照、大風(fēng)等影響，環(huán)境溫度變化劇烈。無砟軌道與橋梁同屬混凝土結(jié)構(gòu)，與橋上采用有砟軌道相比，復(fù)雜溫度環(huán)境下無砟軌道線路面臨的溫度效應(yīng)將更為復(fù)雜[15-16]，因此橋上軌道結(jié)構(gòu)選型還需通過進(jìn)一步研究后確定。

基于此，本文綜合工程條件適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，隧道內(nèi)軌道選用施工便捷、整體性好的雙塊式無砟軌道，只在沉降縫處將道床板斷開[17]。橋梁上軌道類型選用雙塊式無砟軌道與有砟軌道兩種結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析無縫線路和軌下結(jié)構(gòu)的受力情況。

1.1 隧道內(nèi)無砟軌道模型

隧道內(nèi)雙塊式無砟軌道包括鋼軌、扣件、道床板、SK-Ⅱ軌枕等結(jié)構(gòu)，道床板直接澆筑于仰拱混凝土回填層上[18-19]。建模時(shí)將鋼軌視為離散點(diǎn)支承的無限長(zhǎng)歐拉梁；扣件系統(tǒng)采用彈簧-阻尼單元進(jìn)行模擬[20]；道床板、軌枕及仰拱等均采用實(shí)體單元模擬，按照實(shí)際幾何特征進(jìn)行建模。具體建模參數(shù)見表1。

隧道洞口及隧道內(nèi)道床伸縮縫(即隧道沉降變形縫位置)會(huì)在道床板端部仰拱回填層植入銷釘以加強(qiáng)道床板與基礎(chǔ)間的連接，因此對(duì)隧道內(nèi)無砟軌道與下部仰拱節(jié)點(diǎn)自由度耦合來表征其良好的層間黏結(jié)關(guān)系。此外，建模時(shí)忽略隧道口軌道底部混凝土順坡的設(shè)置，道床板厚度統(tǒng)一選為260 mm。

表1 隧道內(nèi)雙塊式無砟軌道建模參數(shù)

1.2 橋梁區(qū)段無砟軌道模型

為減小梁軌間溫度效應(yīng)，橋梁上雙塊式無砟軌道設(shè)置為單元式結(jié)構(gòu)，道床板與底座之間設(shè)有隔離層，并通過凹槽限位，底座通過預(yù)埋鋼筋與橋面連接[18]。道床板長(zhǎng)度為6.5 m，其余參數(shù)與表1一致；隔離層采用接觸單元進(jìn)行模擬。將道床板與底座間法向離散為法向與切向兩類，法向的接觸行為定義為

(1)

式中：P為接觸應(yīng)力；d為接觸面間的間隙，正值表示分離，負(fù)值表示侵入。

接觸面之間的法向接觸力只存在壓力，且兩者不允許侵入、貫穿；切向則采用簡(jiǎn)化的庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5；底座與橋梁采用共節(jié)點(diǎn)建模表征其良好的黏結(jié)關(guān)系。

1.3 橋梁區(qū)段有砟軌道模型

有砟軌道包括鋼軌、扣件、軌枕、道床等結(jié)構(gòu)，建模時(shí)將有砟道床視為連續(xù)彈性體[21]。根據(jù)道床與軌枕、橋梁間的接觸特點(diǎn)，采用與橋上雙塊式無砟軌道道床板-底座間相同的接觸關(guān)系進(jìn)行建模。具體建模參數(shù)見表2[22]。

表2 有砟軌道建模參數(shù)

1.4 橋隧相連區(qū)域整體模型

在建立橋隧相連區(qū)域整體模型時(shí)，橋梁地段參考復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路拉林段[23]，選取單線簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析。簡(jiǎn)支梁橋上部結(jié)構(gòu)為雙片式預(yù)制后張T梁，梁高為2.5 m，長(zhǎng)為32.6 m，梁面寬為4.5 m，計(jì)算跨度為2.5 m。對(duì)橋梁主要采用實(shí)體單元對(duì)梁身進(jìn)行模擬，考慮其實(shí)際截面參數(shù)，線脹系數(shù)與軌道混凝土一致，將支座采用單節(jié)點(diǎn)連接單元(即接地彈簧)進(jìn)行模擬，其中固定支座約束其三向自由度，滑動(dòng)支座在縱向設(shè)置線性剛度。模型總長(zhǎng)度為150 m，建立的橋隧相連區(qū)域軌道-下部基礎(chǔ)空間精細(xì)化分析模型見圖1。值得說明的是，模型中隧道結(jié)構(gòu)及周圍土體只起到支承軌道，提供軌道下基礎(chǔ)剛度的作用，不參與溫度效應(yīng)的計(jì)算，故在此不再對(duì)其參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 橋隧相連區(qū)域軌道-下部基礎(chǔ)空間精細(xì)化模型

為驗(yàn)證模型計(jì)算溫度效應(yīng)的可靠性，基于所建立的橋隧相連區(qū)域分析模型，取文獻(xiàn)[6]中相同計(jì)算工況(軌溫線性，扣件縱向阻力非線性，軌溫過渡區(qū)長(zhǎng)為20 m，軌溫差取30 ℃的參數(shù))，計(jì)算得到鋼軌縱向位移的數(shù)值解，并與文獻(xiàn)[6]中的解析解進(jìn)行對(duì)比見圖2。由圖2可知，本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[6]結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型的可靠性。

圖2 計(jì)算模型的驗(yàn)證

1.5 溫度荷載的施加

對(duì)于隧道外溫度荷載，參考TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]和既有線路監(jiān)測(cè)結(jié)果[10-11,25]，鋼軌按升溫50 ℃進(jìn)行選取，無砟軌道及橋梁按升溫30 ℃進(jìn)行選取[26]。

對(duì)于隧道內(nèi)溫度荷載，根據(jù)高原隧道內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究資料[10-11]，隧道中部的溫度較隧道外的溫度在變化上具有滯后性，致使長(zhǎng)大隧道隧道口氣溫會(huì)有明顯的縱向梯度分布。在施加隧道口縱向溫度梯度荷載時(shí)，參考文獻(xiàn)[10，25]，隧道內(nèi)外軌溫差40 ℃(隧道外高于隧道內(nèi))；隧道內(nèi)無砟軌道按整體升溫10 ℃進(jìn)行選取。溫度過渡區(qū)設(shè)置在隧道內(nèi)，長(zhǎng)為20 m，得到的溫度荷載圖示見圖3。

圖3 橋隧相連區(qū)域溫度荷載圖示

2 無縫線路力學(xué)特性分析

2.1 無縫線路變形分布

橋上鋪設(shè)不同軌道的情況下，橋隧相連區(qū)域的鋼軌位移分布(取橋上一跨梁范圍)見圖4。圖4中藍(lán)色虛線區(qū)域?yàn)闃蛄?隧道交界處。由圖4可知，進(jìn)入隧道后兩方案的鋼軌位移基本趨于一致。但在橋梁區(qū)段處有較大的差異。

圖4 鋼軌位移分布

由圖4(a)可知，縱向溫度梯度荷載使得兩種軌道方案的鋼軌縱向位移的峰值均出現(xiàn)在隧道里的溫度過渡區(qū)內(nèi)。采用小阻力扣件情況下，有砟軌道方案的鋼軌縱向位移明顯大于無砟軌道方案，達(dá)到了5.4 mm。由圖4(b)可知，受到下部軌道、橋梁變形協(xié)調(diào)關(guān)系的影響，鋼軌出現(xiàn)了一定程度的垂向變形，在進(jìn)入隧道后逐漸降低為0。無砟軌道方案的橋上鋼軌垂向變形受到了來自底座凹槽的影響，出現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)較短的不均勻變形，有砟道床變形則與橋梁溫度撓曲基本呈1∶1傳遞，這是由于其連續(xù)彈性體的假定所決定的，其量值不作為選型指標(biāo)。進(jìn)一步提取梁-軌相對(duì)位移見圖5。

圖5 梁-軌縱向相對(duì)位移分布

由圖5可知，梁-軌縱向相對(duì)位移沿橋跨周期性分布，最大值均位于梁端處。這也與文獻(xiàn)[27]中橋上無砟軌道簡(jiǎn)支梁段梁-軌縱向相對(duì)位移分布規(guī)律相一致。有砟軌道方案最大縱向相對(duì)位移約11.5 mm，較無砟軌道方案增大約21.1%。

2.2 無縫線路應(yīng)力分布

橋隧相連區(qū)域的鋼軌縱向應(yīng)力分布見圖6。由圖7可知，橋上有砟軌道方案縱向應(yīng)力分布較為平緩，最大可達(dá)108.4 MPa。相較有砟軌道方案，橋上無砟軌道方案鋼軌應(yīng)力受下部結(jié)構(gòu)影響存在波動(dòng)，且峰值出現(xiàn)在梁縫處為134.4 MPa。進(jìn)入隧道后兩方案鋼軌應(yīng)力基本趨于一致。

圖6 鋼軌縱向應(yīng)力分布

3 軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

3.1 軌道結(jié)構(gòu)變形分布

橋隧相連區(qū)域無砟軌道變形分布特征見圖7。由圖7(a)可知，橋上鋪無砟軌道方案時(shí)，溫度荷載影響下道床板出現(xiàn)一定的上拱變形，受到底座凹槽的約束影響，其道床板垂向位移峰值可達(dá)2.3 mm。由圖7(b)可知，橋上雙塊式底座與橋梁共同伸縮變形，從而帶動(dòng)道床板縱向位移產(chǎn)生周期性變化。兩種方案隧道內(nèi)道床板縱向變形基本一致。

而橋上雙塊式無砟軌道道床板與底座間為垂向弱連接，橋上道床板與底座間可能因變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致板下離縫見圖7(c)。由圖7(c)可知，最大離縫量出現(xiàn)在梁縫位置，約0.8 mm。受凹槽限位影響，離縫量分布線形呈現(xiàn)為多個(gè)尖銳凸起，在行車條件下因車輛荷載壓實(shí)作用可能會(huì)帶來中短波的動(dòng)態(tài)不平順。

橋上雙塊式無砟軌道道床板-底座的縱向相對(duì)位移見圖7(d)。由圖7(d)可知，道床板-底座縱向相對(duì)位移峰值出現(xiàn)在梁縫位置，最大可達(dá)0.2 mm。道床板-底座縱向相對(duì)位移曲線在單跨梁范圍內(nèi)出現(xiàn)一定的錯(cuò)動(dòng)性波動(dòng)，波動(dòng)位置與底座凹槽位置一致，說明小阻力扣件條件下道床板的伸縮仍受到底座凹槽的約束作用。

圖7 無砟軌道變形分布特征

3.2 軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

進(jìn)一步提取道床板縱向應(yīng)力分布如圖8。由圖8可知，但在小阻力扣件條件下，兩方案道床板應(yīng)力分布差別不大，在溫度荷載下橋上雙塊式無砟軌道道床板受到凹槽的約束，縱向應(yīng)力出現(xiàn)小幅波動(dòng)。橫向應(yīng)力規(guī)律基本一致，在此不再列出。

圖8 道床板縱向應(yīng)力分布特征

4 橋隧相連區(qū)域軌道選型分析

橋上采用不同軌道形式改變了線路的整體傳力特征。為綜合對(duì)比軌道形式對(duì)橋上各結(jié)構(gòu)的受力差異，本文還額外計(jì)算了兩種軌道的常阻力扣件方案，扣件阻力取為24 kN/m[20]。將主要力學(xué)指標(biāo)匯總見表3。

由表3可知，橋上有砟軌道方案能夠顯著減小鋼軌應(yīng)力，即使是使用常阻力扣件的有砟軌道方案，其鋼軌縱向壓應(yīng)力也較無砟軌道方案更低。此外，盡管橋上雙塊式無砟軌道已經(jīng)采用了隔離層、單元化等降低溫度效應(yīng)的措施，但還是存在較為復(fù)雜的層間相互作用。在各層變形協(xié)調(diào)關(guān)系的影響下，道床與底座間出現(xiàn)離縫，橋上鋼軌也存在不均勻變形，這些因素都可能增加行車條件下的動(dòng)態(tài)不平順。盡管采用小阻力扣件的有砟軌道較相同條件下的無砟軌道存在更大的縱向位移，但在采用常阻力扣件后，原本相對(duì)較大的鋼軌縱向位移峰值也大大降低，整體縱向穩(wěn)定性更佳。

綜合來看，在隧道內(nèi)鋪設(shè)無砟軌道的前提下，建議橋上鋪設(shè)有砟軌道能夠減小溫度效應(yīng)，提供更好的平順性。因此在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋上線路，尤其在涉及到復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)線路上存在的大跨懸索橋、大跨鋼桁拱橋等特殊橋梁結(jié)構(gòu)形式時(shí)，建議鋪設(shè)有砟軌道。但有砟軌道后期維護(hù)工作量相對(duì)較高，下階段還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)一步研究道床固化等措施。

表3 不同軌道鋪設(shè)方案主要力學(xué)指標(biāo)匯總

5 結(jié)論

針對(duì)橋隧相連區(qū)域軌道溫度適應(yīng)性問題，本文基于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路服役環(huán)境特征建立了精細(xì)的分析模型，綜合隧道內(nèi)外溫度環(huán)境特點(diǎn)，分析了橋隧相連區(qū)域鋪設(shè)不同形式軌道后的溫度適應(yīng)性，給出艱險(xiǎn)山區(qū)橋隧相連區(qū)域軌道選型建議，主要結(jié)論如下：

(1)橋梁區(qū)段的溫度環(huán)境和隧道口溫度梯度作用都對(duì)軌道受力產(chǎn)生影響，在進(jìn)行橋隧相連區(qū)域軌道選型時(shí)，兩者的荷載效應(yīng)均不可忽略。

(2)橋上采用有砟軌道后線路所受溫度效應(yīng)有所下降，鋼軌整體變形更為平緩，應(yīng)力顯著降低。有砟軌道的鋼軌縱向位移相對(duì)較大，但采用常阻力扣件后能夠改善該問題。

(3)橋上鋪設(shè)無砟軌道后，受多層結(jié)構(gòu)間變形協(xié)調(diào)關(guān)系影響，橋上鋼軌變形曲線相對(duì)更不均勻，道床板與底座間存在離縫，常阻力扣件條件下最大離縫高度為1.6 mm，影響了軌道的平順性。

(4)建議在艱險(xiǎn)山區(qū)橋隧相連區(qū)域橋上，尤其是大跨懸索橋、大跨鋼桁拱橋等特殊橋梁上鋪設(shè)有砟軌道，下階段還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)一步研究道床固化等措施。