鋼橋縱橫梁體系對板式無砟軌道結(jié)構(gòu)受力影響分析

李耀東，周 珂，段玉振，楊榮山

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

高速列車對運行的平穩(wěn)性、旅客乘坐舒適性和安全性要求很高。金沙江大橋是成貴線的重點工程，為提高線路的通行效率，需要盡量延長大跨橋軌道的維修周期，采用無砟軌道是實現(xiàn)該目的的有效途徑。同時采用無砟軌道可提高軌道的平順性、降低結(jié)構(gòu)恒載［1-2］，對高速行車和節(jié)約投資都有重要影響。金沙江大橋為鋼—混凝土結(jié)合橋面，橋面結(jié)構(gòu)形式較多，縱橫梁體系結(jié)合橋面是其中的一種。因此開展金沙江大橋等大跨度鋼橋無砟軌道結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。本文以金沙江大橋為例，選用梁—體—板模型對縱橫梁體系上的橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合對比研究。

1 橋梁結(jié)構(gòu)和無砟軌道結(jié)構(gòu)

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

金沙江大橋為公鐵兩用橋，所在線為四線客運專線，橋上鋪設(shè)CRTSⅢ型板式無砟軌道，正線軌道按一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路設(shè)計。梁跨布置為6×32 m簡支梁+1×(48 m+80m+48 m)連續(xù)剛構(gòu)梁+2×(4×45m)連續(xù)箱梁+1×116 m混凝土簡支系桿拱+1×120m混凝土簡支系桿拱+1×336 m鋼箱系桿拱+1×120m混凝土簡支系桿拱+1×116 m混凝土簡支系桿拱+1×(5×45m)連續(xù)箱梁+6×32 m簡支梁，全橋共33跨32墩2臺，橋跨布置如圖1所示。

1.2 無砟軌道結(jié)構(gòu)

圖1 金沙江大橋概貌

橋梁上面采用CRTSⅢ型板式無砟軌道［3］，它由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實混凝土層、隔離層、底座等組成。軌道結(jié)構(gòu)高度為729 mm。軌道板寬2 500mm，厚 210mm;自密實混凝土層厚 100mm，寬度2 500mm，采用C40混凝土;底座C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬度3 000mm，直線地段厚度167 mm。軌道板與自密實層間設(shè)門型鋼筋。自密實層設(shè)凸臺，與底座凹槽對應(yīng)設(shè)置，凹槽尺寸為600mm×600mm，凹槽周圍設(shè)橡膠墊板，軌道結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無砟軌道橫斷面(單位:mm)

2 計算模型及材料參數(shù)

為研究有縱橫梁體系時軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載和溫度荷載作用下的力學(xué)特性，建立梁—體—板模型進(jìn)行分析，即將鋼軌用梁模擬，軌道板、自密實混凝土、隔離層、凸臺周圍彈性墊層和橋面板用實體模擬，縱橫梁用板模擬。選取大橫梁在兩邊、大橫梁在中間和無縱橫梁體系三種工況進(jìn)行仿真計算。

2.1 邊界條件

1)軌道板和自密實混凝土層粘結(jié);

2)底座板凹槽內(nèi)自密實混凝土與底座板凹槽內(nèi)側(cè)緊貼的彈性橡膠墊板采用接觸分析;

3)隔離層上表面(除凹槽部分)與自密實混凝土下表面(除與凹槽對應(yīng)的部分)采用接觸分析;

4)隔離層、底座板、橋面板和縱橫梁體系進(jìn)行粘結(jié)處理;

5)橋面板兩端進(jìn)行全約束;6)鋼軌兩端進(jìn)行全約束。

2.2 模型參數(shù)的選取

CRTSⅢ型板式無砟軌道計算參數(shù)［3］如表1所示。縱橫梁參數(shù)如表2所示。

表1 CRTSⅢ型板式無砟軌道力學(xué)材料參數(shù)

表2 縱橫梁參數(shù) mm

2.3 梁—體—板仿真計算模型

為消除模型中存在的邊界效應(yīng)，選取跨中三塊軌道板和一塊橋面板作為計算模型，橋面板布置在軌道板的下面，取中間一塊軌道板為研究對象。其中橋面板總長18 m，橫隔梁間距3 m，縱隔梁長18 m，按0.5m距離布置。利用有限元軟件ANSYS建立分析模型［4］。計算模型如圖3和圖4。

2.4 荷載取值

1)列車荷載［5］

列車設(shè)計豎向荷載取單軸雙輪加載方式，根據(jù)金沙江大橋無砟軌道設(shè)計說明，豎向設(shè)計靜輪載為85 kN，動力系數(shù)取為3，設(shè)計動輪載為255 kN。取軌道板端部和軌道板中部扣件支承處為荷載作用位置，荷載作用位置如圖5所示。

2)溫度荷載

考慮溫度梯度荷載與列車荷載的共同作用，故溫度荷載取常用溫度梯度荷載。正溫度梯度荷載取為45℃/m，負(fù)溫度梯度荷載取為22℃/m，溫度梯度荷載作用范圍為軌道板頂面至自密實混凝土底面。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 正溫度梯度和輪載作用下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

在正溫度梯度荷載和輪載共同作用下，為了消除邊界影響，取中間軌道結(jié)構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行分析。計算結(jié)果如表3及表4所示。

表3 正溫度梯度和輪載作用下軌道結(jié)構(gòu)的最大豎向位移 mm

表4 正溫度梯度和輪載作用下軌道結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力MPa

根據(jù)以上計算結(jié)果可知:

1)各構(gòu)件均是無縱橫梁體系時的位移最大且遠(yuǎn)大于其他兩種工況，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁的兩種工況凈位移都比較小，鋼軌的最大垂向凈位移最大，無縱橫梁體系時最大凈位移比前兩種工況都大。

2)各軌道構(gòu)件最大拉應(yīng)力無縱橫梁體系時最大，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁體系時軌道板、底座板的最大拉應(yīng)力都沒有超過抗拉強度設(shè)計值2.7 MPa［6］，但自密實混凝土的最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過了2.7 MPa;無橫梁體系時軌道板、自密實混凝土、底座板的最大拉應(yīng)力都遠(yuǎn)超出抗拉強度設(shè)計值2.7 MPa。

3.2 負(fù)溫度梯度和輪載作用下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

在負(fù)溫度梯度荷載和輪載共同作用下，為了消除邊界影響，取中間軌道結(jié)構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行分析。計算結(jié)果如表5及表6所示。

表5 負(fù)溫度梯度和輪載作用下軌道結(jié)構(gòu)的最大豎向位移 mm

表6 負(fù)溫度梯度和輪載作用下軌道結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

根據(jù)以上計算結(jié)果可知:

1)各構(gòu)件均是無縱橫梁體系時的位移最大且遠(yuǎn)大于其他兩種工況，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁的兩種工況凈位移都比較小，鋼軌的最大垂向凈位移最大，無縱橫梁體系時最大凈位移比前兩種工況都大。

2)軌道板、自密實混凝土的最大縱橫向拉應(yīng)力位置均發(fā)生在板的上表面，底座板的最大縱橫向拉應(yīng)力發(fā)生在板端;各軌道構(gòu)件最大拉應(yīng)力的大小無縱橫梁體系時最大，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁體系時軌道板、底座板的最大拉應(yīng)力都沒有超過抗拉強度設(shè)計值2.7 MPa;但自密實混凝土的最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過了2.7 MPa;無橫梁體系時軌道板、自密實混凝土、底座板的最大拉應(yīng)力都遠(yuǎn)超出抗拉強度設(shè)計值2.7 MPa。

4 結(jié)論

本文采用有限元方法，建立了梁—體—板模型，對縱橫梁體系上的橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計算。分析了在正負(fù)兩種溫度梯度荷載和輪載共同作用下，有無縱橫梁體系三種工況下的軌道結(jié)構(gòu)的靜力性能，主要結(jié)論如下:

1)大橫梁在中間時，軌道結(jié)構(gòu)的各部件的最大垂向位移和最大垂向凈位移都較小，大橫梁在兩邊時次之，無縱橫梁體系時最大且遠(yuǎn)大于前兩種;

2)大橫梁在中間時，軌道結(jié)構(gòu)各部件的最大縱橫拉壓應(yīng)力最小，大橫梁在兩邊時次之，無縱橫梁體系時最大;壓應(yīng)力均沒有超過抗壓強度設(shè)計值27 MPa，但是自密實混凝土的拉應(yīng)力遠(yuǎn)超過抗拉強度設(shè)計值(2.7 MPa)，會產(chǎn)生開裂;

3)有縱橫梁體系時將很大程度上提高軌道結(jié)構(gòu)的受力性能，特別是大橫梁在中間時，但是在現(xiàn)有設(shè)計的縱橫梁體系下，自密實混凝土的抗拉強度超限，建議加強自密實混凝土層的抗拉性能。

［1］趙國堂.高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］閆紅亮.京津城際鐵路無砟軌道設(shè)計綜述［J］.鐵道建筑，2008(增):10-15.

［3］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.CRTSⅢ型無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及理論分析［R］.成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2010.

［4］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［5］何華武.無砟軌道技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.