橋隧過渡段無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性研究

郭 杰,王森榮,3,楊榮山

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

無砟軌道具有一系列優(yōu)點，如高穩(wěn)定性、高平順性以及少維修等，因而，廣泛地應(yīng)用于高速鐵路無縫線路中[1-2]。伴隨著高速鐵路運營里程逐年增加，我國隧道建設(shè)也取得突破進(jìn)展，其里程亦逐年增加[3-4]。預(yù)計到2030年，我國鐵路隧道建設(shè)將迎來新的里程碑，總里程將突破3萬km[5]。由于無砟軌道結(jié)構(gòu)高度較有砟軌道低，可在一定程度上減少隧道開挖斷面面積并減少維修工作量，故無砟軌道結(jié)構(gòu)已成為隧道段鐵路優(yōu)選的軌道結(jié)構(gòu)方案[6]。

橋上無縫線路因特殊的縱向力學(xué)作用關(guān)系而備受設(shè)計、施工和運維人員的重視，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究[7-10]。饒惠明[11]對橋隧過渡段軌溫和鋼軌橫向變形進(jìn)行測試，表明橋隧過渡段鋼軌存在“碎彎”現(xiàn)象，鋼軌“碎彎”最大波幅為2 mm，波長為4倍扣件間距；曾志平等[12-13]對橋隧過渡段軌溫與鋼軌縱向位移進(jìn)行測試，得到了軌溫和鋼軌縱向位移的分布規(guī)律，并研究了鋼軌縱向位移影響因素；于向東等[14]研究了拱橋和隧道過渡段的鋼軌溫度力和鋼軌縱向位移的分布特征，研究表明鋼軌縱向力學(xué)特性受鋼軌溫差影響較大；還有學(xué)者對隧道內(nèi)外氣溫和軌溫進(jìn)行測試和分析[15]。我國長期的鐵路運營實踐和監(jiān)測結(jié)果表明，隧道洞口一般存在10～50 m的氣溫過渡段[16]。

以上研究主要測試和分析了橋隧過渡段軌溫和氣溫，對橋隧過渡段無縫線路尤其是無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性研究較少，尚無對橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性的研究。為彌補(bǔ)這一研究不足，對筆架山隧道內(nèi)外進(jìn)行了為期2年的氣溫監(jiān)測，并建立橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)有限元計算模型，分析橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性影響因素，以期為橋隧過渡段無砟軌道無縫線路設(shè)計和維護(hù)提供一定理論依據(jù)。

1 隧道氣溫監(jiān)測

1.1 氣溫監(jiān)測點布置

筆架山隧道洞口附近氣溫監(jiān)測共布置8個氣溫監(jiān)測點，見圖1。其中，在隧道洞口外1 m和隧道洞口處各布置1個氣溫監(jiān)測點以監(jiān)測隧道洞口外氣溫，隧道內(nèi)300 m范圍內(nèi)每50 m布置1個氣溫監(jiān)測點以監(jiān)測隧道內(nèi)的氣溫。氣溫監(jiān)測設(shè)備采用Davis氣象站，其溫度監(jiān)測范圍在-40～60 ℃，誤差不超過0.5 ℃。

1.2 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測時間約為2年，數(shù)據(jù)龐大。由于隧道內(nèi)部50 m外各監(jiān)測點氣溫相差不大，隧道洞口外10 m與隧道洞口監(jiān)測點氣溫也相差不大，且長期的現(xiàn)場監(jiān)測和實踐結(jié)果表明，8:00和14:00一般分別為一天氣溫的最低值和最高值，故為使敘述簡明扼要，僅分析隧道洞口外10 m、隧道內(nèi)50 m處和隧道內(nèi)250 m處8:00和14:00的監(jiān)測結(jié)果。8:00和14:00隧道內(nèi)外氣溫見圖2、圖3。將隧道外10 m的氣溫減去隧道內(nèi)50 m的氣溫得到隧道內(nèi)外氣溫差，見圖4。

圖3 14:00隧道內(nèi)外各測點氣溫

圖4 隧道內(nèi)外氣溫差

由圖2～圖4可知，筆架山隧道內(nèi)外氣溫隨季節(jié)呈周期變化。監(jiān)測時間內(nèi)，筆架山隧道最高和最低氣溫分別為43 ℃和-14 ℃。隧道外10 m氣溫波動幅值較大，隧道內(nèi)250 m處氣溫波動幅值較小，表明越往隧道內(nèi)部，氣溫波動越小。夏季隧道外氣溫高于隧道內(nèi)，表現(xiàn)為，氣溫差為正值，冬季則相反，且夏季14:00氣溫差最大，最大氣溫差為23 ℃左右。

為得到隧道洞口氣溫過渡段長度，以隧道洞口外10 m氣溫最高一天的14:00氣溫為例，隧道內(nèi)外各監(jiān)測點氣溫見圖5。

圖5 14:00各監(jiān)測點氣溫

由圖5可知，從隧道外10 m至隧道內(nèi)250 m距離內(nèi)，筆架山隧道最高和最低氣溫分別為43 ℃和18 ℃，隧道內(nèi)外氣溫差為25 ℃。從隧道洞口至隧道內(nèi)50 m的距離內(nèi)，氣溫由42 ℃下降至20 ℃，下降了22 ℃之多，而從隧道內(nèi)50 m至200 m這150 m的距離內(nèi)，氣溫下降至18 ℃，僅下降了2 ℃，表明超過隧道洞口50 m后，氣溫下降非常緩慢。隧道內(nèi)150 m后，氣溫不再變化?？芍P架山隧道氣溫過渡段長度為50 m。

2 有限元模型及溫度荷載

2.1 有限元模型

模型中，鋼軌、軌道板和梁體采用梁單元模擬，扣件縱向阻力采用非線性彈簧單元模擬，極限位移為2 mm，極限縱向阻力為24 kN/m/軌[17]。樹脂視為僅受壓縱向傳力部件，采用非線性彈簧單元模擬，其剛度為80 kN/mm[18]。CA砂漿的縱向阻力采用非線性彈簧單元模擬，其值為6.3 kN/m，極限位移為0.2 mm[19-20]。橋臺縱向剛度為3 000 kN/cm，簡支梁固定墩水平剛度為350 kN/cm[17]。橋上過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)模型見圖6。

圖6 橋隧過渡段CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)模型

以5×32 m簡支梁為研究對象，橋梁左側(cè)路基段長100 m，右側(cè)隧道長150 m，模型總長約415 m。橋梁固定墩在左側(cè)，活動墩在右側(cè)。隧道過渡段長50 m。有限元模型分為3個區(qū)段，隧道洞口外路基與橋上高溫區(qū)、隧道洞口處氣溫過渡段和隧道內(nèi)低溫區(qū)。

2.2 溫度荷載

由1.2節(jié)監(jiān)測結(jié)果可知，隧道內(nèi)外最大氣溫差為23 ℃，而最高軌溫比最高氣溫高20 ℃，且隧道內(nèi)軌溫與氣溫相差不大[16]。為考慮更不利工況，隧道內(nèi)外最大鋼軌溫差取45 ℃。隧道洞口外最高軌溫取60 ℃，超過隧道過渡段50 m后最大軌溫取15 ℃，過渡段軌溫則按線性變化。結(jié)合既有研究[14]，隧道內(nèi)外軌道板最大溫差取20 ℃，由于隧道內(nèi)一般不考慮軌道結(jié)構(gòu)溫度作用，故超過隧道過渡段50 m后不考慮軌道板溫差作用，過渡段軌道板溫差按線性變化。溫度荷載計算工況有2種，見表1，工況1不考慮隧道內(nèi)外溫差。

表1 溫度荷載工況 ℃

3 計算結(jié)果及分析

3.1 隧道內(nèi)外溫差影響

工況1和工況2荷載作用下鋼軌縱向位移和橋上鋼軌附加縱向力分別見圖7、圖8。

圖7 橋隧過渡段鋼軌縱向位移(不同溫度荷載工況)

圖8 橋上鋼軌附加縱向力(不同溫度荷載工況)

由圖7、圖8可知，工況1即不考慮隧道內(nèi)外溫差時，鋼軌最大縱向位移出現(xiàn)在第3跨簡支梁處，為2.94 mm。工況2考慮隧道內(nèi)外溫差時鋼軌縱向位移由第1跨梁至第5跨梁逐漸累積增大，鋼軌最大縱向位移出現(xiàn)在第5跨簡支梁處，為4.32 mm，較工況1增大46.9%，表明隧道內(nèi)外溫差導(dǎo)致鋼軌縱向位移顯著增大。由鋼軌縱向位移分布特征可知，高溫季節(jié)臨近隧道洞口簡支梁上的鋼軌爬行量較大，應(yīng)加強(qiáng)對此處鋼軌爬行量監(jiān)測。

工況1和工況2鋼軌最大附加力出現(xiàn)位置一樣，但量值不同，兩種工況下鋼軌最大附加拉力分別為163.5 kN和172.5 kN，工況2較工況1增大5.5%，鋼軌最大附加壓力分別為173.3 kN和119.2 kN，工況2較工況1減小31.2%。由于鋼軌附加拉力有所增大，故在橋隧過渡段無砟軌道無縫線路設(shè)計時應(yīng)考慮隧道內(nèi)外溫差影響。

3.2 過渡段長度影響

隧道洞口過渡段長度與隧道長度、方向和通風(fēng)條件有關(guān)，一般為10～50 m。為分析過渡段長度l對無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性的影響，過渡段長度分別取25，50，75，100 m。工況2荷載作用下鋼軌縱向位移和橋上鋼軌附加縱向力分別見圖9、圖10，各計算項目最值匯總見表2。

圖9 橋隧過渡段鋼軌縱向位移(不同過渡段長度)

圖10 橋上鋼軌附加縱向力(不同過渡段長度)

表2 計算結(jié)果匯總(不同過渡段長度)

由圖9、圖10和表2可知，隨著過渡段長度增大，鋼軌最大縱向位移逐漸減小，但減小速度逐漸變慢，鋼軌最大縱向位移逐漸由第5跨簡支梁向中間跨簡支梁移動，表明鋼軌縱向位移累積效應(yīng)逐漸減弱。過渡段長25 m的鋼軌最大縱向位移為過渡段長100 m的2倍，表明隧道洞口過渡段長度越短，鋼軌爬行量越大。故對于過渡段長度較短的隧道，高溫季節(jié)越應(yīng)加強(qiáng)對臨近隧道洞口簡支梁上的鋼軌爬行量監(jiān)測。

隨著過渡段長度增大，鋼軌最大附加拉力逐漸減小，而鋼軌最大附加壓力增大，且過渡段長度對鋼軌附加壓力影響較鋼軌附加拉力顯著。過渡段長度越長，鋼軌附加壓力越大，但增大速度逐漸變慢，過渡段長度為100 m的鋼軌最大附加壓力為過渡段長25 m的2倍。

3.3 扣件阻力影響

為分析不同扣件縱向阻力對橋隧過渡段無砟軌道無縫線路縱向力學(xué)特性的影響，過渡段范圍內(nèi)扣件縱向阻力r取8～24 kN/m/軌，其他區(qū)域扣件縱向阻力為24 kN/m/軌。過渡段長度為50 m，荷載仍取工況2，不同扣件縱向阻力時鋼軌縱向位移和橋上鋼軌附加縱向力分別見圖11、圖12，各計算項目最值匯總見表3。

圖11 橋隧過渡段鋼軌縱向位移(不同扣件縱向阻力)

圖12 橋上鋼軌附加縱向力(不同扣件縱向阻力)

表3 計算結(jié)果匯總(不同扣件縱向阻力)

由圖11、圖12和表3可知，隨著扣件縱向阻力增大，鋼軌最大縱向位移和最大附加拉力逐漸減小，但減小速度逐漸變慢，鋼軌最大附加壓力則逐漸增大?？奂v向阻力對鋼軌最大縱向位移和最大附加壓力影響顯著，扣件縱向阻力由8 kN/m/軌增大至24 kN/m/軌時，鋼軌最大縱向位移和最大附加壓力分別減小1.5倍和增大2.31倍，變化顯著。

4 結(jié)論

通過對筆架山隧道內(nèi)外進(jìn)行2年的氣溫監(jiān)測，得到隧道內(nèi)外氣溫分布規(guī)律，并建立橋隧過渡段無砟軌道無縫線路縱向計算模型，分析了橋隧過渡段縱向力學(xué)特性影響因素，得出以下結(jié)論。

(1)筆架山隧道最高和最低氣溫分別為43 ℃和-14 ℃，隧道內(nèi)外最大氣溫差為23 ℃，隧道氣溫過渡段長50 m。

(2)考慮隧道內(nèi)外溫差時鋼軌縱向位移顯著增大，高溫季節(jié)應(yīng)加強(qiáng)對臨近隧道洞口簡支梁上鋼軌爬行量監(jiān)測，鋼軌附加拉力有所增大，在橋隧過渡段無砟軌道無縫線路設(shè)計時應(yīng)考慮隧道內(nèi)外溫差影響。

(3)隧道過渡段長度和扣件縱向阻力對鋼軌縱向位移和鋼軌附加壓力影響顯著，鋼軌縱向位移隨過渡段長度和扣件縱向阻力增大而顯著減小，鋼軌附加壓力則隨過渡段長度和扣件縱向阻力增大而顯著增大。