張世杰,孫 立,楊艷麗,李秋義,崔國慶

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線站處,武漢 430063)

1 概述

雷大橋特大橋位于武廣客運(yùn)專線新郴州站北端,里程:D K 1 853+965.95～D K 1 854+561.57,橋梁全長 595.62 m,橋跨布置為1-24 m簡支梁 +2-32 m簡支梁 +(40+64+40)m連續(xù)梁 +5-32 m簡支梁 +6×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,其中 18號(hào)道岔板式無砟軌道位于 6×32 m連續(xù)梁上。雷大橋特大橋在整橋上設(shè)置長為 700 m的連續(xù)底座板帶,支座布置及道岔和橋梁相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 雷大橋特大橋支座布置及道岔和橋梁相對(duì)位置

底座板被延長至橋臺(tái)與路基中端刺連接見圖2(梁端摩擦板長度 39.2 m,摩擦板端部設(shè)置端刺錨固),端刺前后各設(shè)置 4排 φ 28 mm抗剪鋼筋連接軌道板和底座板。底座板由橋上一直延伸到路基上端刺的后面,并通過 5 m的過渡段,過渡到區(qū)間雙塊式無砟軌道系統(tǒng),5 m過渡段內(nèi)設(shè)置抗剪箍筋。在橋梁的固定支座處,底座板與橋梁進(jìn)行錨固連接。

底座板和橋面之間設(shè)置滑動(dòng)層(兩布一膜),道岔板和底座板之間設(shè)置砂漿墊層并通過銷釘連接。整個(gè)橋面采用 3面排水措施,并在梁面和加高層上噴涂防水材料。

圖2 雷大橋特大橋梁端端刺縱斷面結(jié)構(gòu)

雷大橋特大橋在決定整橋采用底座板縱連道岔板上橋方案以前已經(jīng)完成架梁,在固定支座位置,橋梁沒有預(yù)留剪力齒槽結(jié)構(gòu),為了把底座板縱向力傳遞給橋梁,在連續(xù)梁和簡支梁固定支座位置設(shè)置縱向固定裝置(耳板)與防撞墻連接見圖3。底座板邊緣每隔一定距離設(shè)置一個(gè)橫向固定裝置,橫向固定裝置與防撞墻之間設(shè)置限位板以允許縱向自由滑動(dòng)。

圖3 縱、橫向固定裝置示意

2 計(jì)算原理

橋上 CRTSⅡ型板式無砟軌道,整橋底座板縱連,兩端底座板越過橋臺(tái)和路橋過渡段的端刺連接。作用在底座板的溫度力和制動(dòng)力通過摩擦板及端刺傳遞到與橋梁工程相連接的路基中。將道岔、無砟軌道和橋梁作為一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng),根據(jù)道岔—橋梁相互作用原理,建立“岔—板—梁—墩”一體化有限元計(jì)算模型,基于 A N S Y S二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行道岔—橋梁相互作用非線性有限元分析。

3 力學(xué)模型

利用有限元方法建立“岔—板—梁—墩”相互作用的一體化模型,把橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、軌道板(由標(biāo)準(zhǔn)軌道板或道岔板、砂漿調(diào)整層和底座組成,亦稱道床板)和梁體組成三層結(jié)構(gòu)體系,道岔和軌道板之間的扣件采用彈簧模擬,軌道板和梁體通過彈簧連接。力學(xué)分析模型如圖4所示。該模型的特點(diǎn)是道岔板、底座板、橋梁采用實(shí)體模型,能夠比較真實(shí)反應(yīng)道岔板、底座板、橋梁結(jié)構(gòu)的特性。

4 計(jì)算方法

圖4 雷大橋特大橋連續(xù)梁上道岔區(qū)有限元模型

應(yīng)用有限單元法,利用 A N S Y S軟件開放的體系結(jié)構(gòu),基于 A N S Y S二次開發(fā)技術(shù)編制了梁軌相互作用非線性有限元程序,采用 A P D L(A N S Y S參數(shù)化設(shè)計(jì)語言)來控制程序流程,自動(dòng)完成有限元建模、荷載的施加、方程的求解。岔板橋墩空間一體化模型見圖5,采用牛頓迭代法求解。

5 計(jì)算分析

底座板降溫 -54℃,橋梁降溫 -30℃,底座板剛度折減系數(shù)取為 r=1.0,底座板和橋摩擦板摩擦系數(shù)取 μ=1,無制動(dòng)荷載。

5.1 1#道岔受力和變形(見圖6～圖8)

尖軌端前為 3個(gè)承軌臺(tái)為坐標(biāo) O點(diǎn),X代表縱向線路長度,下同。

5.2 2#道岔受力和變形(見圖9～圖11)

圖5 岔—板—橋—墩空間一體化模型

圖6 鋼軌縱向力

圖7 鋼軌縱向位移

圖8 尖軌、心軌與軌道板相對(duì)位移

5.3 基本軌與軌道板相對(duì)位移(見圖12)

5.4 墩臺(tái)及縱向固定裝置縱向力(見圖13、圖14)

5.5 計(jì)算結(jié)果(見表1)

6 結(jié)論

圖9 鋼軌縱向力

圖10 鋼軌縱向位移

圖11 尖軌、心軌與軌道板相對(duì)位移

本文通過建立雷大橋特大橋橋上道岔區(qū)板式無砟軌道整橋有限元模型,分析橋上 18號(hào)左開單渡線、縱向固定裝置、橋墩和端刺受力及變形,經(jīng)過計(jì)算分析,主要得出以下結(jié)論:

1)1#道岔和 2#道岔鋼軌拉力最大值都出現(xiàn)在連續(xù)梁的梁端,溫度引起的附加力為 113.2 k N,由于鋼軌和底座板共同承擔(dān)縱向力傳遞作用,可見縱連底座板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于減小鋼軌附加力。

圖12 基本軌與軌道板相對(duì)位移

圖13 墩臺(tái)縱向力

圖14 縱向固定裝置縱向力

2)1#道岔較 2#道岔尖軌和心軌尖端絕對(duì)位移、尖軌和心軌尖端與軌道板相對(duì)位移要大,這跟道岔在整橋上布置位置有關(guān)。雷大橋特大橋橋上道岔緊跟路基(廣州向)相連接,底座板在路基上被固結(jié),導(dǎo)致 1#道岔尖軌和心軌尖端與軌道板相對(duì)位移較 2#道岔大。

3)1#道岔較 2#道岔轍跟和轍岔傳力部件受力相差不大,可見 18號(hào)單渡線布置在 6×32.6 m梁上,固定支座在連續(xù)梁中間,道岔整體受力比較均勻,對(duì)道岔的受力及變形是有利的。

4)6×32.6 m梁左端第一跨簡支梁縱向固定裝置受力較大,在道岔和底座板的共同作用下,通過底座板向簡支梁上傳遞的力較大,導(dǎo)致簡支梁橋墩受力較大,在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意加強(qiáng)連續(xù)梁相鄰簡直梁縱向固定裝置布置長度或增加剪力齒槽排數(shù)。

表1 伸縮力計(jì)算結(jié)果

5)雷大橋整橋底座板縱連,兩端底座板越過橋臺(tái)和路橋過渡段的端刺連接。作用在底座板的溫度力和制動(dòng)力通過摩擦板及端刺傳遞到與橋梁工程相連接的路基中,為了確保能將存在的力傳遞至路基中,在摩擦板下設(shè)置了小端刺,大、小端刺除承受底座板中的縱向力以外,縱向上受到路基土體的縱向阻力和路基土體自重產(chǎn)生的摩擦力,在豎向上受到土體支撐以達(dá)到平衡。

6)從道岔與底座板的相對(duì)位移分析,轉(zhuǎn)轍器和轍叉部分相對(duì)位移均遠(yuǎn)小于允許值,橋上縱連底座板式結(jié)構(gòu)對(duì)減少道岔變形比較有利。

綜上所述,雷大橋道岔板上橋采用縱連底座板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了 CRTSⅡ型板設(shè)計(jì)上的空缺。通過計(jì)算分析認(rèn)為,橋上道岔鋪設(shè)在縱連底座板結(jié)構(gòu)上,對(duì)道岔自身的受力和變形是有利的,對(duì)今后 CRTSⅡ型板在國內(nèi)推廣使用具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]中國鐵道科學(xué)研究院.京津城際鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)原理與方法總結(jié)[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院,2007.

[2]鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R].北京:鐵道部工程管理中心,2008.