李平卓

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司線路站場設(shè)計研究處,武漢 430063)

滬寧城際軌道交通設(shè)計最高運行速度350 km/h,采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu),扣件采用WJ-7B型彈性分開式扣件?？奂缀跏荂RTSⅠ型板式無砟軌道彈性和調(diào)整能力的唯一提供者,其結(jié)構(gòu)的強度、耐久性和彈性直接關(guān)系到高速列車運行的安全及舒適性,同時也會影響到運營養(yǎng)護(hù)維修的工作量及頻率,因此必須保證扣件在高速列車運行中發(fā)揮足夠的作用。對于無砟軌道而言,扣件一方面承受來自列車荷載、無縫線路等直接作用,另一方面因無砟軌道結(jié)構(gòu)變形引起扣件附加受力也是其受力的重要組成部分。特別是位于橋上梁縫處的扣件附加作用力更為突出,按照目前國內(nèi)無砟軌道設(shè)計的要求,梁縫相鄰扣件橫向及豎向錯位變形不得大于1 mm,橋梁梁端轉(zhuǎn)角不得大于1‰。對于一般橋梁地段扣件附加受力均較少,但對于類似滬寧城際婁蘊特大橋112 m提籃拱橋(圖1)這類特殊結(jié)構(gòu)而言,由于提籃拱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需要,其梁端與支座距離達(dá)到了2 m,在同樣的橋梁變形下,梁端扣件的受力更為不利,因此必須對這類橋梁結(jié)構(gòu)梁端扣件的附加受力進(jìn)行計算分析,以保證在各種工況下,扣件具備足夠的可靠性,同時也期為類似結(jié)構(gòu)的扣件受力提供借鑒和參考。

圖1 婁蘊特大橋112 m提籃拱橋立面(單位：m)

1 梁端扣件受力機理及計算模型

1.1 受力機理

橋梁受荷載作用以及其他一些影響因素后將引起梁端位移,這種位移的存在將對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的有砟軌道上,由于道砟的流動特性對梁端軌道結(jié)構(gòu)傳力有一定放散作用,梁端軌道結(jié)構(gòu)所受附加力較小,梁端變形對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響可以忽略。但是在無砟軌道上,軌道系統(tǒng)與橋梁處于較大的剛性連接狀態(tài),橋梁的微小變形都將對軌道系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此,在無砟軌道橋梁上必須考慮梁端結(jié)構(gòu)變形對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。

影響軌道結(jié)構(gòu)受力的梁端結(jié)構(gòu)變形包括：梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角、梁縫兩側(cè)支座截面豎向相對位移。

(1)梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角

橋梁由于列車荷載、施工誤差、橋墩的不均勻沉降等因素的作用,在橋梁墩臺處會產(chǎn)生各種類型的梁端轉(zhuǎn)角。在橋臺處會發(fā)生一側(cè)橋梁轉(zhuǎn)角情況,在橋墩處會發(fā)生兩側(cè)橋梁對稱轉(zhuǎn)動以及兩側(cè)橋梁非對稱轉(zhuǎn)動的情況,這些轉(zhuǎn)角都將對無砟軌道扣件系統(tǒng)受力造成一定的影響。圖2為橋臺處橋梁轉(zhuǎn)動示意圖。

圖2 橋臺處橋梁轉(zhuǎn)動示意

在相鄰橋跨(梁-梁、梁-臺)間,當(dāng)一側(cè)梁體(橋臺)保持初始未發(fā)生變形,另一側(cè)梁體在梁端產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角時,支座外側(cè)梁體上抬,通過梁體懸出段上扣件系統(tǒng)帶動鋼軌向上位移,使得梁端上鋼軌產(chǎn)生局部隆起現(xiàn)象,如圖3所示。鋼軌局部隆起將導(dǎo)致軌面在高低上出現(xiàn)不平順,影響高速行車和軌道結(jié)構(gòu)的使用要求。同時,梁端轉(zhuǎn)角帶來的鋼軌撓曲(或微小的以梁長為波長的不平順)需通過扣件系統(tǒng)傳遞,并迫使鋼軌實現(xiàn)。橋上扣件系統(tǒng),特別是梁端扣件可能會出現(xiàn)不均勻的拉壓力,這種不均勻的拉壓力如果不加以控制,很可能將導(dǎo)致扣件系統(tǒng)的失效。

圖3 梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角帶動軌道變形示意

引起梁端支座截面產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角的主要因素有：列車豎向靜活載作用引起的梁端轉(zhuǎn)角、徐變上拱引起的梁端轉(zhuǎn)角、相鄰墩臺的不均勻沉降差異引起的梁端轉(zhuǎn)角、橋梁上下梁面的梯度溫差引起的梁端轉(zhuǎn)角等。

(2)梁端豎向相對位移

由于橋梁支座的彈性作用,在列車荷載作用下,有荷載一側(cè)橋梁發(fā)生彈性變形,另一側(cè)沒有變形,這樣就容易在梁縫處產(chǎn)生豎向相對位移,此外支座壓縮、施工誤差等因素都有可能引起豎向相對位移,也會對軌道結(jié)構(gòu)的局部受力產(chǎn)生影響。

在相鄰橋跨(梁-梁、梁-臺)間,當(dāng)一側(cè)梁體(橋臺)保持初始未發(fā)生變形狀態(tài),另一側(cè)梁體在梁端產(chǎn)生豎向相對位移時,梁體通過扣件系統(tǒng)帶動鋼軌整體向下位移,使得相鄰梁端上鋼軌產(chǎn)生局部隆起現(xiàn)象,如圖4所示。鋼軌產(chǎn)生的豎向變形通過各個扣件節(jié)點進(jìn)行傳遞和分配,由此在梁端伸縮縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)鋼軌支點處產(chǎn)生鋼軌附加上拔力或下壓力。

圖4 豎向相對位移帶動軌道變形示意

引起橋梁豎向相對位移的主要因素有：坡道橋梁的整體溫度差導(dǎo)致橋梁整體長度發(fā)生變化引起的豎向相對位移、同一橋墩的兩支座的彈性壓縮引起的豎向相對位移等。

1.2 計算模型

梁端軌道結(jié)構(gòu)的常用計算方法有單元荷載法和實際荷載法,考慮到實際荷載法適應(yīng)性強,特別是采用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化編程技術(shù),能根據(jù)各種實際荷載工況實現(xiàn)自動建模、劃分單元、建立剛度矩陣、自動求解和結(jié)果輸出,且計算結(jié)果準(zhǔn)確性更高,因此采用實際荷載法進(jìn)行建模計算。

婁蘊特大橋112 m提籃拱兩端縫寬0.150 m,提籃拱梁端距離支座2 m,梁縫處扣件間距650 mm,其余扣件617 mm。考慮到WJ-7B型扣件配套W1型彈條和X2型彈條時扣壓力的彈條剛度曲線有一定差別,其中W1型彈條扣壓力和彈程分別為18 kN、14 mm,X2型彈條對應(yīng)12 kN、12 mm,因此計算模型按照表1中的3種方案進(jìn)行檢算,圖5為婁蘊特大橋112 m提籃拱扣件系統(tǒng)受力分析模型。

表1 扣件彈條類型布置方案

圖5 婁蘊特大橋112 m提籃拱扣件系統(tǒng)受力分析模型

2 計算荷載及組合

2.1 計算荷載

根據(jù)婁蘊特大橋112 m提籃拱橋梁設(shè)計計算提供資料,在各種荷載作用下的梁端轉(zhuǎn)角及豎向變形計算數(shù)值見表2。

表2 婁蘊特大橋112 m提籃拱梁端轉(zhuǎn)角及豎向變形

注：轉(zhuǎn)角數(shù)值為正時表示梁端向上轉(zhuǎn),為“-”表示梁端向下。

2.2 荷載組合

根據(jù)各種作用工況,設(shè)計采用的計算荷載組合方式見表3,其中組合3為最不利荷載組合方式。

表3 梁端扣件受力檢算荷載組合

3 計算結(jié)果

將扣件布置方案模型按照計算荷載組合方式經(jīng)行模擬計算得到梁端扣件受力計算結(jié)果(表4),當(dāng)采用W1型彈條和X2型彈條時,WJ-7B型扣件的允許上拔力分別為18 kN和12 kN。從計算結(jié)果看出僅扣件布置方案三能夠滿足設(shè)計要求,即梁縫處梁端第一組扣件采用W1型彈條,其余扣件采用X2型彈條。

表4 梁端扣件受力計算結(jié)果

考慮到3種扣件布置方案扣件縱向阻力值也不相同,在此將無縫線路橋墩附加力的計算結(jié)果做對比參考(表5),從表5計算結(jié)果中可以得出扣件布置方案二、三對橋墩附加作用力較小,而采用方案一時橋墩附加作用力最大的結(jié)論。

表5 無縫線路橋墩附加力計算結(jié)果對比

綜合扣件梁端扣件受力分析以及對橋墩附加作用力的計算結(jié)果,扣件布置方案三能夠滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過對滬寧城際軌道交通婁蘊特大橋112 m提籃拱橋梁端扣件在各種荷載組合及扣件組合方式下的上拔力計算分析,主要得到以下結(jié)論：

(1)推薦采用扣件布置方案三作為工程實施方案,即梁縫處梁端第1組扣件采用W1型彈條,其余扣件采用X2型彈條；

(2)梁端轉(zhuǎn)角及豎向位移變形能夠產(chǎn)生較大的扣件附加上拔力,設(shè)計時應(yīng)該充分考慮其影響,采用合理的方式減少扣件附加上拔力,如減少梁端距離支座的長度、減少荷載作用下橋梁的撓曲變形、橋梁支座布置與線路坡度一致等；

(3)相同梁端轉(zhuǎn)角及豎向位移變形作用下,全橋采用W1型大扣壓力彈條比采用X2型小扣壓力扣件引起的扣件上拔力大；

(4)采用僅在端部設(shè)置W1型大扣壓力彈條,其余地段采用X2型小扣壓力彈條的扣件組合方式與全橋均采用X2小扣壓力彈條的扣件組合方式對扣件上拔力計算結(jié)果影響很小。

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