不同軌道板系統(tǒng)梁體線性變化對鋼軌映射變形敏感性分析

劉麗麗,蔣麗忠,2,周旺保,2,劉 祥,吳凌旭,張?jiān)铺?/p>

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410075； 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,長沙 410075)

引言

鐵路運(yùn)輸具有安全舒適、減排高效等特點(diǎn)，在促進(jìn)地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動社會文化發(fā)展等方面具有特殊的地位和作用[1]。隨著人們對快捷生活的要求越來越高，高速鐵路里程也越來越長，并不斷向地震活躍區(qū)和極端氣候等特殊區(qū)域發(fā)展[2]。板式無砟軌道結(jié)構(gòu)作為高速鐵路的重要基本結(jié)構(gòu)形式之一，占有非常重要的地位，當(dāng)其處于極端環(huán)境中時，它們將不可避免地發(fā)生變形[3]。由于復(fù)雜的層間相互作用機(jī)理和變形協(xié)調(diào)效應(yīng)，這些累積變形將映射到鋼軌表面[4-5]。當(dāng)列車高速通過時，這些附加不平順會增加輪軌接觸面的激勵，影響列車運(yùn)行安全性和舒適性[6-9]。因此，研究軌道系統(tǒng)變形機(jī)理和抵抗基礎(chǔ)變形的性能對于高速鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

我國在借鑒國外先進(jìn)無砟軌道技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成了具有中國特色的CRTSⅠ型[10]、CRTSⅡ型[11]和CRTSⅢ[12-13]型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，無砟軌道是目前使用最多的軌道形式。國內(nèi)外大量學(xué)者對軌道板的各項(xiàng)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。DAI等[14]設(shè)計(jì)了足尺無砟軌道結(jié)構(gòu)試件，并進(jìn)行界面剪切性能和界面黏結(jié)滑移行為的研究。結(jié)果表明，砂漿層頂部和底部兩個界面的黏結(jié)強(qiáng)度存在較大差異，在砂漿層頂界面開裂前，底部界面沒有產(chǎn)生滑移位移。婁平等[15]基于有限元模型研究車輛與溫度不同荷載組合下，層間離縫對CRTSⅢ型無砟軌道結(jié)構(gòu)受力變形的影響，探究傷損演變規(guī)律和維修限值。此外許多學(xué)者也進(jìn)行了CRTSⅢ型板式無砟軌道動力特性研究[16-17]，其中，曾志平等[17]通過建立CRTSⅢ型軌道板足尺模型，開展30 t軸重列車作用下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性試驗(yàn)。結(jié)果表明，疲勞荷載作用下，CRTSⅢ型板式無砟軌道各層動力響應(yīng)呈逐漸增加之勢。此外，學(xué)者們開展了實(shí)驗(yàn)研究[18-22]和實(shí)地調(diào)查[23-24]，其中，LEE等[24]專注于軌道不平順波段分析，提出了距離波長表示法；勾紅葉[25]和陳兆偉等[26-27]提出了梁體變形與鋼軌變形間的映射關(guān)系解析解，并進(jìn)行參數(shù)分析；GALVN[28]討論了考慮沉降的列車-軌道系統(tǒng)和列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)。目前，關(guān)于CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)的研究較多，但主要集中在動力分析。

研究梁體變形對鋼軌變形的影響規(guī)律，探討3種軌道板系統(tǒng)鋼軌變形的敏感性。由于層間構(gòu)件存在相對滑移，扣件與填充層剛度具有很強(qiáng)的非線性特性，理論上推導(dǎo)解析解需作大量假設(shè)，而有限元法可以很好地避免這些問題，更真實(shí)的模擬和計(jì)算鋼軌在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形時的附加不平順。因此，采用有限元方法研究梁體變形對鋼軌變形的影響規(guī)律，分析3種軌道系統(tǒng)對梁體變形的敏感性。

1 軌道結(jié)構(gòu)

我國當(dāng)前服役的無砟軌道結(jié)構(gòu)主要分為單元板式和縱連板式兩類。

CRTSⅠ型板式無砟軌道主要構(gòu)件為：鋼軌、無擋肩彈性分開式扣件(WJ-7B型)、軌道板、低模量水泥乳化瀝青砂漿(CAM)、底座板、凸形擋臺?？奂g距一般為629 mm(不宜大于650 mm)，每塊單元板配置16組扣件；軌道板為雙向預(yù)應(yīng)力混凝土板。由于板端自由邊界的影響，易產(chǎn)生板端翹曲、板角破碎等病害現(xiàn)象，CAM的作用是緩沖協(xié)調(diào)和施工調(diào)節(jié)，提供有限的縱向、側(cè)向阻力；凸形擋臺是重要的限位裝置，承受溫度力和側(cè)向力；底座板起著定位凸形擋臺、承受并傳遞豎向水平力、抵抗并吸收下部基礎(chǔ)變形的作用。

CRTSⅡ型軌道板與CRTSⅠ型軌道板的區(qū)別是，板間采用縱連形式，調(diào)整層采用高彈模水泥乳化瀝青砂漿(CAM)。CRTSⅡ型軌道板標(biāo)準(zhǔn)板尺寸為6.45 m×2.55 m×0.2 m，每塊板上布置10個扣件，扣件間距為0.65 m。橋梁上由滑動層、鋼筋混凝土連續(xù)底座板、側(cè)向擋塊、CAM、軌道板、鋼軌、扣件等組成；在隧道、路基地段自下而上由支承層、CAM、軌道板、鋼軌、扣件等組成。底座、支承層及軌道板縱向連接，路基上設(shè)置摩擦板、端刺及過渡板等。

CRTSⅢ型軌道板是對既有無砟軌道的優(yōu)化與集成，其主要創(chuàng)新點(diǎn)為：擴(kuò)展了板下填充層材料，改變了限位方式，改善了軌道彈性及完善了設(shè)計(jì)理論體系等。CRTSⅢ型軌道板主要由混凝土底座板、自密實(shí)混凝土(SCC)填充層、軌道板、扣件、鋼軌等組成。SCC填充層是CRTSⅢ型板式無砟軌道的關(guān)鍵材料，其抗沖擊荷載性能對高速列車的運(yùn)行安全具有重要意義。底座板兩端各設(shè)置1個凹槽與SCC填充層兩端對應(yīng)位置處的凸槽相連，凹槽內(nèi)側(cè)周圍緊貼8 mm厚橡膠墊板，底座板與SCC填充層之間鋪設(shè)4 mm厚土工布；SCC填充層與軌道板之間設(shè)置U形鋼筋和鋼筋網(wǎng)片加強(qiáng)連接，采用單元板的鋪設(shè)方式。CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ型軌道板結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，3種軌道板的構(gòu)件尺寸和材料參數(shù)見表1。

表1 橋梁-軌道系統(tǒng)不同構(gòu)件尺寸和材料參數(shù)

圖1 3種軌道板結(jié)構(gòu)示意

2 軌道-橋梁系統(tǒng)模型

3種軌道系統(tǒng)簡支梁橋鋼軌跟隨梁體變形趨勢如圖2所示。以8跨32 m簡支梁橋?yàn)槔?，研究不同板式無砟軌道系統(tǒng)對梁體線性變化的敏感性[29]。利用ANSYS有限元軟件，分別建立CRTSⅠ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)和CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)有限元模型。其中，CRTSⅠ型和CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)在路基段和橋梁段全長采用單元板，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)在路基段和橋梁段全長采用縱連板[30]。鋼軌、軌道板、底座板，梁體及橋墩均采用beam3單元模擬，扣件、填充層及支座均采用combine14彈簧單元模擬，梁間距取20 mm；軌道板間距取70 mm，3個系統(tǒng)建模的相關(guān)參數(shù)見表2。CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ軌道板參數(shù)參考文獻(xiàn)[31-33]。

圖2 3種軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)中橋墩沉降對鋼軌的映射變形

表2 板式無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)構(gòu)件尺寸和材料參數(shù)

3 不同軌道系統(tǒng)對橋墩沉降的敏感性分析

3.1 單墩沉降

8跨32 m簡支梁橋首末兩跨位于路基，從左往右數(shù)第2跨右邊橋墩命名為1號橋墩，以此類推。當(dāng)3號墩沉降分別為4，8，12，16 mm時，3種板式無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形曲線和扣件內(nèi)力曲線計(jì)算結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 3號橋墩沉降鋼軌映射變形曲線

圖4 3號橋墩沉降扣件內(nèi)力曲線

從圖3、圖4可以看出，不同的軌道系統(tǒng)，發(fā)生相同的橋墩沉降時，得到鋼軌映射變形曲線幾何形狀及扣件內(nèi)力變化曲線幾何形狀大體一致。這說明，在橋墩沉降工況下，3種軌道系統(tǒng)鋼軌變形都具有良好的“跟隨性”；對比可知，沉降量越大，3種模型計(jì)算得出的鋼軌變形及扣件內(nèi)力幅值越大；通過局部放大圖可以看出，當(dāng)3號橋墩分別發(fā)生4，8，12，16 mm不同沉降量時，沉降橋墩位置處鋼軌變形幅值從小到大依次是CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)，CRTSⅠ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)和CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)，其中，CRTSⅠ型和CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌變形曲線幾乎重合；相鄰橋墩位置處的鋼軌上翹程度區(qū)別不明顯；鋼軌映射變形區(qū)域長度從長到短依次是CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)，CRTSⅠ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)和CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)，其中CRTSⅠ型和CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌變形區(qū)域長度幾乎一致，這說明CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)在發(fā)生橋墩沉降時鋼軌映射變形曲線最平緩。這是由于CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)是縱連板，縱連板在橋墩沉降工況下，底座板和橋面之間會發(fā)生脫空，從而導(dǎo)致CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)在橋墩沉降作用下，鋼軌映射變形曲線更平緩，扣件力變化趨勢遵循同樣規(guī)律。

3.2 相鄰橋墩沉降

當(dāng)3號橋墩沉降為5 mm，4號橋墩沉降分別為10，15，20 mm時，3種板式無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形曲線和扣件內(nèi)力曲線計(jì)算結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 相鄰橋墩沉降鋼軌映射變形曲線

圖6 相鄰橋墩沉降扣件內(nèi)力曲線

通過圖5可以看出，當(dāng)3號墩沉降相同時，隨著4號墩沉降增加，鋼軌變形呈線性增加，且均具有良好的“跟隨性”。從圖5局部放大圖可以看出，在相同沉降工況下，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)沉降墩位處鋼軌變形幅值最大，而在CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)中最??；同時，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的映射區(qū)域長度最長，而在CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)中最短。由圖6可以看出，扣件內(nèi)力在進(jìn)出沉降區(qū)域及沉降橋墩位置處產(chǎn)生突變；扣件內(nèi)力隨橋墩沉降量的增加而線性增加。從圖6的局部放大圖可以看出，在相同沉降工況下，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)扣件內(nèi)力幅值最小，而在CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)中最大。結(jié)果表明，當(dāng)簡支梁橋相鄰橋墩發(fā)生不均勻沉降時，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形最為平緩。

3.3 間隔橋墩沉降

當(dāng)2號墩沉降量為5 mm，4號墩沉降量分別為10，15，20 mm時，3種板式無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形曲線和扣件內(nèi)力曲線計(jì)算結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 間隔橋墩沉降鋼軌映射變形曲線

圖8 間隔橋墩沉降扣件內(nèi)力曲線

通過對比圖7、圖8可知，當(dāng)2號墩沉降量為5 mm時，隨著4號墩沉降量增大，鋼軌映射變形值和扣件內(nèi)力值也增大。從圖7局部放大圖可以看出，在相同沉降工況下，在沉降墩位置處，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形幅值最小，映射區(qū)域長度最長；CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形幅值最大，映射區(qū)域長度最短。從圖8局部放大圖可知，在相同沉降工況下，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的扣件內(nèi)力幅值在進(jìn)出沉降區(qū)域和沉降橋墩位置處最小，而在CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)中最大。這說明CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)對橋墩沉降變形敏感性最小，即抵抗橋墩沉降變形性能最好。

4 鋼軌變形對梁體錯臺的敏感性分析

4.1 單跨梁體豎向錯臺

當(dāng)?shù)?跨梁體的豎向錯臺量分別為10，15， 20 mm時，3種板式無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形曲線和扣件內(nèi)力曲線計(jì)算結(jié)果分別如圖9、圖10所示。

圖9 單跨梁體豎向錯臺鋼軌映射變形曲線

圖10 單跨梁體豎向錯臺扣件內(nèi)力曲線

從圖9、圖10可以看出，同一梁體錯臺工況發(fā)生在不同軌道橋梁系統(tǒng)中時，鋼軌映射變形曲線和扣件內(nèi)力變化曲線的幾何形狀大致相同。隨著錯臺幅值增大，鋼軌映射變形和扣件內(nèi)力幅值增大，鋼軌映射變形曲線表現(xiàn)出良好的“追隨性”。從圖9局部放大圖可以看出，對于相同的梁體錯臺工況，在梁體錯臺位置處，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形幅值最小，而CRTSⅢ型和CRTSⅠ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)基本相同。在進(jìn)出梁體錯臺區(qū)域，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌上拱程度最大，CRTSⅢ型和CRTSⅠ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌上拱程度不明顯。從圖10局部放大圖可以看出，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)扣件內(nèi)力幅值最小，其余兩者的扣件內(nèi)力幅值差異不明顯。上述結(jié)果表明，在多跨簡支梁橋體系中，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)對梁體錯臺變形的敏感性最小，具有較好的抵抗變形能力。

4.2 多跨梁體豎向錯臺

當(dāng)?shù)?跨主梁豎向錯臺量為5 mm，而第3跨梁體的豎向錯臺量分別為10，15，20 mm時，3種板式無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形曲線和扣件內(nèi)力曲線計(jì)算結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

圖11 多跨梁體豎向錯臺鋼軌變形曲線

圖12 多跨梁體豎向錯臺扣件內(nèi)力曲線

從圖11、圖12可以看出，當(dāng)?shù)?跨梁體錯臺量為5 mm，第5跨梁體錯臺量依次為10，15，20 mm時，3種軌道系統(tǒng)的鋼軌映射變形幅值和扣件內(nèi)力幅值相應(yīng)增大，即表現(xiàn)為正相關(guān)，且均具有良好的“跟隨性”。從圖11局部放大圖可以看出，對于相同的梁體錯臺工況，在進(jìn)出梁體錯臺區(qū)域，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌上拱程度最大，其余兩種系統(tǒng)的鋼軌上拱程度大致相同，均略小于CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)。在梁體錯臺位置處，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形最小，其余兩種系統(tǒng)中鋼軌映射變形大致相同，均略大于CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)。從圖12局部放大圖可以看出，在相同的梁體錯臺工況下，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)扣件內(nèi)力幅值最小，其余兩種系統(tǒng)中扣件內(nèi)力幅值差異不明顯。上述結(jié)果表明，在多跨簡支梁橋體系中，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)在多跨梁體錯臺工況下的變形最小，說明該系統(tǒng)對梁體錯臺變形的敏感性最小。

5 結(jié)論

基于高速鐵路橋梁-路基-無砟軌道系統(tǒng)層間相互作用機(jī)理和變形協(xié)調(diào)作用，結(jié)合CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型板式無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鋪設(shè)方法，建立了3種8跨32m無砟軌道-簡支梁橋系統(tǒng)ANSYS有限元模型，研究梁體幾何線形變化與鋼軌變形及扣件內(nèi)力的變化規(guī)律，所得結(jié)論如下。

(1)在梁體發(fā)生幾何變形情況下，3種系統(tǒng)鋼軌變形表現(xiàn)出良好的“跟隨性”，梁體幾何線形變化越大，鋼軌變形幅值和扣件內(nèi)力幅值越大。

(2)梁體幾何變形相同，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌變形幅值和扣件內(nèi)力幅值最小，CRTSⅢ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌變形幅值和扣件內(nèi)力幅值最大，即CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌變形對梁體幾何變形的敏感性最小。

(3)梁體幾何變形相同，CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)的鋼軌映射變形區(qū)域最長，其余兩種系統(tǒng)的鋼軌映射變形區(qū)域長度基本一致，即CRTSⅡ型軌道板-簡支梁橋系統(tǒng)底座板與橋面板之間發(fā)生脫空，列車通過時，會引起軌道動態(tài)不平順。