高速鐵路大跨度連續(xù)斜拉橋上梁端一體化裝置性能研究

周智強(qiáng)，邢書(shū)科，王兆剛，孫洪斌，董昆靈，楊榮山

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 2.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司,上海 201906;3.山東省路橋集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250101; 4.山東鐵路投資控股集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250101)

引言

大跨度斜拉橋上鋪設(shè)無(wú)縫線路可以減小下部基礎(chǔ)沉降并提高線路的平順性,但可能會(huì)在溫度升降和列車荷載等因素的作用下導(dǎo)致橋梁-軌道結(jié)構(gòu)-鋼軌之間的相互作用增大,令鋼軌產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,引起鋼軌斷軌和線路失穩(wěn)等問(wèn)題,不利于列車高速行駛[1]。目前采用的梁端伸縮裝置無(wú)法協(xié)調(diào)較大的梁軌相對(duì)位移,應(yīng)用范圍有限[2]。因此,我國(guó)科研人員根據(jù)工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn),成功研發(fā)了特有的“鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器+上承式梁端伸縮裝置”一體化結(jié)構(gòu)[3],保證列車在梁端位置行駛的可靠性和穩(wěn)定性。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)梁端一體化裝置的研究主要集中于設(shè)計(jì)、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)等方面[4-6]。劉曉光[7]認(rèn)為伸縮調(diào)節(jié)器和伸縮裝置的協(xié)同設(shè)計(jì)是保證千米級(jí)橋梁線路安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù),研究梁端區(qū)域梁軌相互作用和線橋變形映射機(jī)理能為梁端伸縮一體化裝置安全性能提供可靠的技術(shù)支持。張曉明[8]研究了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的適用于高速鐵路有砟軌道的梁端一體化設(shè)備,提出大跨度有砟軌道橋梁梁端一體化設(shè)備施工和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)要求。崔強(qiáng)[9]設(shè)計(jì)了徐州—連云港高速鐵路邳州大跨度連續(xù)梁拱橋梁端伸縮一體化裝置,并介紹其在高速鐵路無(wú)砟軌道橋梁上的鋪設(shè)技術(shù)。張明[10]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究斜拉橋上動(dòng)車組交會(huì)、啟停、制動(dòng)對(duì)梁端一體化裝置的影響。李晶晶[11]對(duì)大跨度無(wú)砟軌道鋼橋上梁端伸縮一體化裝置提出了一種設(shè)計(jì)方案,并介紹了其細(xì)節(jié)和主要功能。任化慶[12]研究梁縫伸縮對(duì)平豎曲線疊合段梁端一體化裝置的影響,并提出科學(xué)的施工技術(shù)。

我國(guó)對(duì)于梁端一體化裝置的性能研究一般集中于其材料、靜力性能等[13-14],比較缺乏梁端一體化裝置范圍內(nèi)輪軌空間幾何關(guān)系的相關(guān)研究,也缺乏梁端一體化裝置范圍內(nèi)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和方法。因此,對(duì)連續(xù)斜拉橋上梁端一體化裝置范圍內(nèi)的車輛-軌道相互作用系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究,確定它們?cè)诟鞣N狀態(tài)下的使用可靠性,對(duì)于承受移動(dòng)荷載的大跨度橋梁的發(fā)展和設(shè)計(jì)建造具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

1 工程概況

某新建高鐵全長(zhǎng)168.392 km,其一處主橋及引橋正線鋪設(shè)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道,為雙線鐵路,設(shè)計(jì)速度350 km/h,是連接兩省的重要通道。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,半結(jié)構(gòu)如圖1所示。在大橋與兩端引橋之間采用4組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和梁端伸縮裝置的一體化設(shè)備,簡(jiǎn)稱梁端一體化裝置。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋主橋+引橋整體布置半結(jié)構(gòu)Fig.1 Prestressed concrete cable-stayed bridge main bridge+approach bridge overall layout semi-structure

梁端一體化裝置中,伸縮裝置采用上承式“3-1-3”結(jié)構(gòu),共7根軌枕,其中中間1根鋼枕為懸空鋼枕、其余為長(zhǎng)桁架枕。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器全長(zhǎng)為19 700 mm,尖軌鎖定,基本軌最大伸縮為±300 mm。裝置平面布置如圖2所示,其中A-A～F-F為鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器輪軌接觸關(guān)鍵截面。

圖2 梁端一體化裝置平面布置(單位:mm)Fig.2 Plane layout of the integrated beam end device(unit: mm)

2 大跨度斜拉橋模型建立

2.1 橋梁模型

主橋主梁全長(zhǎng)1 081.7 m,計(jì)算跨度為(108+4×216+108) m。截面采用單箱雙室、變高度連續(xù)箱梁,梁底下緣線型為二次拋物線。鋼軌采用UIC60標(biāo)準(zhǔn)軌,底座板采用C40混凝土,主橋梁體采用C55混凝土,引橋梁體和軌道板采用C60混凝土,斜拉索鋼材采用Q345B。

根據(jù)材料參數(shù)建立相應(yīng)的有限元模型,導(dǎo)入U(xiǎn)niversal Mechanism軟件。鋼軌(包括尖軌和基本軌)采用梁?jiǎn)卧M,主橋和引橋的主梁部分和CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道采用板殼單元模擬,主橋斜拉索采用桿單元模擬。軌道系統(tǒng)扣件、無(wú)砟軌道和橋面的連接采用三向彈簧-阻尼單元模擬。主橋中間塔墩頂設(shè)立縱向固定支座和橫向活動(dòng)支座,其余塔墩頂設(shè)立多向活動(dòng)支座。梁端一體化裝置區(qū)域的長(zhǎng)桁架枕和活動(dòng)鋼枕均采用梁?jiǎn)卧M,道床板與長(zhǎng)桁架枕的連接和活動(dòng)鋼枕與縱梁的連接采用彈簧單元進(jìn)行模擬。大跨度斜拉橋梁端與引橋之間布置4組梁端伸縮一體化裝置,有限元模型如圖3所示。

圖3 大跨度斜拉橋主橋+引橋有限元模型Fig.3 Finite element model of main bridge+approach bridge of long-span cable-stayed bridge

2.2 車輛模型

本文采用高速列車CRH2C動(dòng)車組,設(shè)計(jì)速度350 km/h。每節(jié)車有1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架和4個(gè)輪對(duì),總計(jì)7個(gè)剛體。每個(gè)剛體有3個(gè)平動(dòng)自由度(伸縮、橫移、沉浮),和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭),總計(jì)6個(gè)自由度。因此每節(jié)車有42個(gè)自由度,高速列車8輛編組動(dòng)車組共計(jì)336個(gè)自由度,編組模型如圖4所示。

圖4 CRH2C動(dòng)車組8輛車編組模型Fig.4 CRH2C EMU 8-car formation model

3 梁端軌道變形分析

3.1 溫度荷載工況

按TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]計(jì)算,將溫度荷載分為升溫和降溫兩種工況。工況一:升溫組合,斜拉索(+30 ℃),主梁(橫向10～20 ℃,垂向0～20 ℃),墩塔(橫向20～25 ℃),軌道混凝土結(jié)構(gòu)(+25 ℃),鋼軌(+45.5 ℃)。工況二:考慮0.5倍溫度負(fù)效應(yīng)降溫組合:斜拉索(-35 ℃),主梁橫向(-15～-20 ℃),墩塔橫向(-20～-22.5 ℃),軌道混凝土結(jié)構(gòu)(-27.5 ℃),鋼軌(-46.1 ℃)。

繪制溫度荷載工況下主橋一跨和引橋區(qū)域的左線鋼軌變形曲線,如圖5和圖6所示。

圖6 降溫工況左線鋼軌變形曲線Fig.6 Deformation curve of left rail under cooling condition

升溫工況下,左、右鋼軌的垂向變形和橫向變形趨勢(shì)基本一樣,鋼軌最大垂向變形為10.65 mm,最大橫向變形為6.44 mm。但在梁端一體化裝置處鋼軌的變形有明顯的突變,說(shuō)明在升溫工況下,梁縫位置鋼軌和尖軌與基本軌交接處鋼軌結(jié)構(gòu)比較薄弱。

降溫工況下,左、右鋼軌的變形整體趨勢(shì)與升溫基本相反,鋼軌最大垂向變形為3.23 mm,最大橫向變形為3.45 mm。相比于升溫工況,降溫工況的鋼軌垂、橫向變形較小。

3.2 梁端轉(zhuǎn)角工況

大跨度橋梁在列車荷載、梁體徐變上拱、溫度和橋墩沉降不均等不良因素作用下,很容易產(chǎn)生梁端豎向轉(zhuǎn)角[16]。根據(jù)我國(guó)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[17],無(wú)砟軌道相鄰兩片梁之間梁端轉(zhuǎn)角限值為3‰rad,以此計(jì)算得出主橋梁端轉(zhuǎn)角的極值為2‰rad,規(guī)范中要求350 km/h無(wú)砟軌道橋梁的梁端轉(zhuǎn)角不得大于1‰rad,因此主橋的梁端轉(zhuǎn)角最大值取為1‰rad,分為下?lián)虾头磸潈煞N工況進(jìn)行分析。

對(duì)大跨度斜拉橋兩端同時(shí)施加最大梁端下?lián)限D(zhuǎn)角或反彎轉(zhuǎn)角,鋼軌變形如圖7和圖8所示。

圖7 梁端下?lián)瞎r左線鋼軌變形曲線Fig.7 Deformation curve of left rail under beam end buckling condition

圖8 梁端反彎工況左線鋼軌變形曲線Fig.8 Deformation curve of left rail under reverse bending condition of beam end

最大梁端下?lián)瞎r下,左右鋼軌的垂向變形和橫向變形趨勢(shì)基本一致,鋼軌的最大垂向變形為14.45 mm,最大橫向變形為0.45 mm。但在梁端一體化裝置處鋼軌的變形有明顯的突變,說(shuō)明對(duì)主橋施加最大的梁端下?lián)限D(zhuǎn)角時(shí),梁端一體化裝置區(qū)域的鋼軌垂向變形受梁端轉(zhuǎn)角影響較大。

梁端反彎工況下,鋼軌變形的趨勢(shì)與下?lián)瞎r基本相反,最大垂向變形為15.71 mm,最大橫向變形為0.44 mm。梁端反彎工況比下?lián)瞎r的鋼軌垂向變形較大,兩者的鋼軌橫向變形基本一致。

4 梁端一體化裝置行車響應(yīng)

當(dāng)列車高速通過(guò)梁端一體化裝置時(shí),溫度和梁端轉(zhuǎn)角等都會(huì)使輪軌相互作用力增大,影響梁端一體化裝置的安全性能和行車舒適性[18]。因此,有必要對(duì)梁端一體化裝置行車過(guò)程中的響應(yīng)進(jìn)行研究。根據(jù)TB10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[19],有關(guān)梁端一體化裝置動(dòng)力性能評(píng)價(jià)規(guī)范指標(biāo)如表1所示。

表1 梁端一體化裝置動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Dynamic performance evaluation index of beam-end integrated device

4.1 梁端一體化裝置輪軌接觸關(guān)系

在車-線-橋耦合系統(tǒng)中,采用B-樣條插值法得到鋼軌關(guān)鍵橫斷面的型面,尖軌全長(zhǎng)為11 200 mm,在距尖軌前端距離為100,3 100,4 900,6 700,7 900,8 500 mm,分別設(shè)置關(guān)鍵斷面為A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F。

左右兩側(cè)鋼軌廓形一致,在導(dǎo)入變截面軌道時(shí)將左軌型面鏡像就可得右軌型面。以左側(cè)LMA磨耗型踏面為參考,各關(guān)鍵截面輪軌接觸如圖9所示。

圖9 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器關(guān)鍵截面輪軌接觸(單位:mm)Fig.9 Rail expansion adjuster key section wheel-rail contact(unit: mm)

4.2 車-線-橋梁端性能分析

本文采用德國(guó)低干擾軌道不平順譜,軌底坡為1/40,軌距為1 435 mm,高速列車組以350 km/h經(jīng)過(guò)主橋梁端時(shí)梁端一體化裝置的峰值響應(yīng)如表2所示。活動(dòng)鋼枕垂、橫向加速度峰值分別為38.92 m·s-2和1.33 m/s2;鋼軌垂、橫向加速度峰值分別為67.82 m·s-2和2.97 m·s-2;連接梁與活動(dòng)鋼枕的垂、橫向傳導(dǎo)力的最大值分別為23.73 kN和0.71 kN。梁端一體化裝置的安全性指標(biāo)均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表2 車-線-橋梁端耦合系統(tǒng)裝置峰值響應(yīng)Tab.2 Vehicle-wire-bridge terminal coupling device peak response

4.3 升溫變形影響

由于溫度變形對(duì)混凝土橋梁橋面影響較大,進(jìn)而影響高速鐵路的行駛安全,且升溫工況比降溫工況影響大[20]。因此保持其余參數(shù)不變,軌道不平順譜采用升溫工況溫度變形疊加下的德國(guó)低干擾軌道不平順譜。高速列車組以350 km/h通過(guò)梁端,提取梁端伸縮一體化裝置動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù),如表3所示。

表3 溫度變形下車-線-橋梁端耦合系統(tǒng)裝置動(dòng)力響應(yīng)Tab.3 Dynamic response of vehicle-wire-bridge coupling system to temperature deformation

相比于僅施加德國(guó)低干擾軌道不平順譜,采用升溫工況溫度變形疊加后的梁端一體化裝置各部件響應(yīng)均有一定上升,且垂向加速度上升量明顯,活動(dòng)鋼枕處垂向加速度從38.92 m·s-2上升至48.69 m·s-2,增加25.1%;鋼軌垂向加速度從67.82 m·s-2上升至97.26 m·s-2,增加43.4%,但梁端一體化裝置的安全性指標(biāo)仍滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 反彎轉(zhuǎn)角變形影響

過(guò)大的梁端轉(zhuǎn)角會(huì)顯著影響軌道結(jié)構(gòu),不利于軌道結(jié)構(gòu)的正常工作,甚至影響列車高速行駛,且反彎工況影響大于下?lián)瞎r[21]。因此保持其余參數(shù)不變,軌道不平順譜采用最大梁端反彎轉(zhuǎn)角疊加下德國(guó)低干擾軌道不平順譜。列車組以350 km/h通過(guò)梁端,提取梁端伸縮一體化裝置動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù),如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)角變形下車-線-橋梁端耦合系統(tǒng)裝置動(dòng)力響應(yīng)Tab.4 Dynamic response of vehicle-wire-bridge coupling system to angular deformation

相比于僅施加德國(guó)低干擾軌道不平順譜,采用反彎轉(zhuǎn)角變形疊加后的梁端一體化裝置各部件響應(yīng)均有一定上升,且垂向加速度上升量明顯,活動(dòng)鋼枕處垂向加速度從38.92 m·s-2上升至52.41 m·s-2,增加了37.2%,鋼軌垂向加速度從67.82 m·s-2上升至87.81 m·s-2,增加了39.5%,但梁端一體化裝置的安全性指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)。相比升溫變形,反彎轉(zhuǎn)角對(duì)活動(dòng)鋼枕的影響更大,對(duì)活動(dòng)鋼枕處鋼軌的影響量小。

4.5 梁端伸縮裝置不同拉伸狀態(tài)動(dòng)力分析

梁端一體化裝置中梁端伸縮裝置在升溫或降溫的影響下會(huì)進(jìn)行壓縮或拉伸[22],活動(dòng)鋼枕與固定軌枕的間距也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化,影響了梁端伸縮裝置對(duì)列車組的支承作用,進(jìn)而影響列車的安全性和舒適性,因此有必要研究不同拉伸狀態(tài)梁端伸縮裝置的動(dòng)力性能。極限拉伸或壓縮狀態(tài)下的梁端伸縮裝置分別如圖10和圖11所示。

圖10 梁端伸縮裝置極限拉伸狀態(tài)Fig.10 Ultimate tensile state of beam end expansion device

圖11 梁端伸縮裝置極限壓縮狀態(tài)Fig.11 Limit compression state of beam end expansion device

列車組以350 km/h通過(guò)梁端,提取梁端伸縮裝置動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù),如表5所示。對(duì)于梁端伸縮裝置的響應(yīng),極限拉伸狀態(tài)最大,活動(dòng)鋼枕加速度為62.39 m·s-2;極限壓縮狀態(tài)最小,活動(dòng)鋼枕加速度為40.64 m·s-2。這證明在極限壓縮狀態(tài)的活動(dòng)鋼枕與固定軌枕的間距變小,相應(yīng)的支撐剛度變大,起到了更好的支撐作用。3種伸縮狀態(tài)的梁端伸縮裝置響應(yīng)均滿足安全指標(biāo)規(guī)范要求。

表5 不同伸縮狀態(tài)下梁端伸縮裝置動(dòng)力響應(yīng)Tab.5 Dynamic response of beam end expansion device under different expansion states

5 結(jié)論

本文基于梁端車-線-橋耦合模型,對(duì)速度350 km/h下CRH2C動(dòng)車組列車通過(guò)梁端時(shí)梁端一體化裝置的響應(yīng)進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論。

(1)在溫度或梁端轉(zhuǎn)角變形作用下,梁端一體化裝置位置處鋼軌有較為明顯的變形,反彎工況垂向變形最高達(dá)15.71 mm,接近規(guī)范限值。應(yīng)定期對(duì)梁端變形情況進(jìn)行檢測(cè)。

(2)采用疊加溫度升溫變形或梁端反彎轉(zhuǎn)角變形的軌道不平順譜的梁端一體化裝置響應(yīng)比僅采用德國(guó)低干擾軌道不平順譜的大,說(shuō)明軌道不平順譜變差,則結(jié)構(gòu)響應(yīng)也會(huì)隨之變大,且對(duì)振動(dòng)加速度的影響較為明顯,鋼枕垂向加速度從67.82 m·s-2分別上升至97.26 m·s-2和87.81 m·s2,影響量達(dá)43.4%和39.5%。應(yīng)在養(yǎng)護(hù)維修中保證橋上線路的高平順性以提高行車安全性。

(3)梁端一體化裝置中梁端伸縮裝置在極限拉伸狀態(tài)下支承剛度最低,動(dòng)力響應(yīng)最大,活動(dòng)鋼枕加速度達(dá)62.39m·s-2,但仍在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范限值以內(nèi)。