既有橋嵌入式軌道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

祝朋瑋

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510045）

1 引言

現(xiàn)代有軌電車多采用傳統(tǒng)軌道交通的軌道系統(tǒng)模式，即鋼軌-扣件-軌枕-道床系統(tǒng)。該系統(tǒng)雖然成熟可靠，但其所需結(jié)構(gòu)高度高、適應(yīng)性差，且由于其點(diǎn)支撐的特性，在混合路權(quán)段使用時(shí)極易出現(xiàn)瀝青鋪裝層壓潰破損、扣件罩破壞等病害。嵌入式軌道系統(tǒng)采用連續(xù)支撐取代傳統(tǒng)扣件系統(tǒng)的點(diǎn)支持模式，有效解決了上述問題，同時(shí)其具有良好的減振降噪效果，目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車建設(shè)中。

但當(dāng)嵌入式軌道在橋梁，尤其是長(zhǎng)大連續(xù)橋梁上應(yīng)用時(shí)，軌-橋相互作用復(fù)雜，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。本文針對(duì)某地有軌電車項(xiàng)目跨越既有橋段嵌入式軌道結(jié)構(gòu)，根據(jù)無縫線路軌-橋相互作用機(jī)理，建立嵌入式軌道-橋梁有限元模型，分析溫度荷載作用下軌-橋相互作用力及相對(duì)位移，為該段嵌入式軌道設(shè)計(jì)提供必要的理論支撐和優(yōu)化建議。

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

某地有軌電車跨既有橋段下部基礎(chǔ)為5聯(lián)連續(xù)梁橋，橋梁跨徑為5×18 m+6×18 m+3×38 m+5×18 m+4×18 m，采用板式橡膠支座，橋面鋪設(shè)瀝青混凝土層。橋梁建設(shè)年代久遠(yuǎn)，對(duì)后加外部荷載敏感。嵌入式軌道系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 既有橋嵌入式軌道系統(tǒng)示意圖（單位：mm）

本文以上述實(shí)際案例為基礎(chǔ)，采用梁軌相互作用理論，建立5×18 m+6×18 m+3×38 m+5×18 m+4×18 m連續(xù)梁-有軌電車嵌入式軌道模型，如圖2所示。

圖2 模型示意圖

道床與橋梁量體之間采用膨脹螺栓連接，當(dāng)梁體受溫度荷載作用產(chǎn)生伸縮變形時(shí)，道床受約束同步變形，兩者間變形差極小，可將兩者視為統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體。既有橋兩端分別建立50 m路基段，用以消除邊界效應(yīng)的影響。

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 鋼軌

本工程鋼軌采用60R2槽型鋼軌，模型中采用BEAM3梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 60R2槽型鋼軌性能參數(shù)表

2.2.2 槽內(nèi)材料

槽內(nèi)高分子材料為鋼軌提供垂向和橫向支撐，并提供縱向阻力以阻止鋼軌與道床間發(fā)生相對(duì)位移。根據(jù)相關(guān)測(cè)試結(jié)果，嵌入式軌道系統(tǒng)垂向剛度取60 kN/mm、橫向剛度取44 kN/mm、縱向阻力取20 kN/mm。

2.2.3 橋梁

橋梁采用BEAM3梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其主要性能參數(shù)見表2。

表2 橋梁性能參數(shù)表

3 工況設(shè)置

3.1 溫度荷載參數(shù)

依據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，某地最高軌溫59.1℃，最低軌溫0.00℃，年最大軌溫差為59℃。鎖定軌溫按（30±5）℃執(zhí)行，最大溫升34.1℃，最大溫降35℃。橋梁梁體年溫差按30℃執(zhí)行。

3.2 工況設(shè)置

采用單因素變量法，對(duì)伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析溫度荷載作用下軌-橋相互作用力及相對(duì)位移。

1）全線采用無縫線路，無伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置。

2）全線采用無縫線路，梁縫處增設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器裝置。

4 結(jié)論與分析

4.1 無伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置

全線采用無縫線路，無伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置時(shí)，鋼軌伸縮力、墩臺(tái)縱向受力、鋼軌位移、橋梁位移及梁軌相對(duì)位移如圖3～圖5示。

圖3 鋼軌伸縮力（1）

圖4 墩臺(tái)縱向受力（1）

圖5 工況位移（1）

從圖3～圖5可見：

1）鋼軌最大伸縮力-558.99 kN，經(jīng)強(qiáng)度檢算：軌頭強(qiáng)度為353.84 MPa、軌底強(qiáng)度為350.04 MPa，均小于鋼軌容許強(qiáng)度。

2）墩臺(tái)縱向受力最大266.592 kN，可滿足橋梁專業(yè)要求。

3）鋼軌最大位移7.520 mm、橋梁最大位移-20.123 mm、梁軌相對(duì)最大位移17.482 mm。

胡燚斌、馮青松等[1-9]實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)梁軌相對(duì)位移達(dá)到7.66 mm時(shí)，槽內(nèi)鋼軌兩側(cè)高分子材料產(chǎn)生局部破壞現(xiàn)象。本工況下梁軌相對(duì)最大位移可達(dá)17.482 mm，遠(yuǎn)超上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，極易促使高分子材料產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，進(jìn)而影響工程安全服役性能。

4.2 梁縫處增設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器裝置

由3.1節(jié)可知，梁縫處鋼軌位移、橋梁位移、梁軌相對(duì)位移均比較大，尤其各梁縫處梁軌相對(duì)位移均突破了嵌入式軌道鋼槽內(nèi)高分子材料安全服役所允許的最大值。為解決上述問題，可在各梁縫處增設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器。

此工況條件下，鋼軌伸縮力、墩臺(tái)縱向受力、鋼軌位移、橋梁位移及梁軌相對(duì)位移如圖6～圖8所示。

圖6 鋼軌伸縮力（2）

圖7 墩臺(tái)縱向受力（2）

圖8 工況位移（2）

從圖6～圖8可見：

1）鋼軌最大伸縮力459.70 kN，經(jīng)強(qiáng)度檢算：軌頭強(qiáng)度為346.92 MPa、軌底強(qiáng)度為342.19 MPa，均小于鋼軌容許強(qiáng)度。

2）墩臺(tái)縱向受力最大4 kN，可滿足橋梁專業(yè)要求。

3）鋼軌最大位移-18.067 mm、橋梁最大位移-22.614 mm、梁軌相對(duì)最大位移4.551 mm。梁軌相對(duì)位移可滿足嵌入式軌道鋼槽內(nèi)高分子材料安全服役所要求。

5結(jié) 論

1）對(duì)于某工程既有多聯(lián)橋梁，在溫度荷載作用下，鋼軌強(qiáng)度、橋梁墩臺(tái)受到的縱向阻力均可滿足要求。

2）在做特殊設(shè)計(jì)條件下，梁軌最大相對(duì)位移可達(dá)17.482mm，遠(yuǎn)超槽內(nèi)鋼軌兩側(cè)高分子材料安全服役所允許值，極易造成高分子材料撕裂破壞現(xiàn)象，影響工程安全。

3）梁縫處增設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器可以有效降低梁軌相對(duì)位移，確保滿足高分子材料安全服役要求。

4）嵌入軌道系統(tǒng)縱向阻力大，鋼軌與梁體（道床）之間的相對(duì)位移直接影響了槽內(nèi)高分子材料的安全服役性能，是有軌電車橋上嵌入式軌道無縫線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。