趙坪銳，劉 觀，胡 佳

(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)

CRTSⅡ型板式軌道在橋梁上是跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)的［1］，該結(jié)構(gòu)可極大地改善梁端扣件的受力狀態(tài)［2，3］，但梁端位移(轉(zhuǎn)角和錯(cuò)臺(tái))將對(duì)連續(xù)軌道板和底座產(chǎn)生不利影響，因此在梁端各1.45 m范圍內(nèi)鋪設(shè)了高強(qiáng)度擠塑板(以下簡稱擠塑板)，壓縮彈性模量38～42 MPa［4］，依靠擠塑板的塑性變形能力將梁端的突變型位移緩解為漸變位移，從而減少軌道板和底座板內(nèi)的附加彎矩。擠塑板的鋪設(shè)范圍、彈性模量將對(duì)其緩解突變位移的能力造成影響，著重研究擠塑板彈性模量對(duì)軌道受力的影響并提出其合理的彈性模量范圍。

1 擠塑板在梁端的鋪設(shè)方案

橋上 CRTSⅡ型板式軌道梁端擠塑板［4，5］的設(shè)置有2種形式:

(1)在底座板范圍內(nèi)的梁面上設(shè)置加高平臺(tái)，在梁端1.45 m范圍內(nèi)，預(yù)留5 cm深的凹槽，嵌入擠塑板，該方案可保證底座等厚度連續(xù)鋪設(shè)，如圖1(a)所示;

(2)橋面平整，擠塑板直接鋪設(shè)于梁端各1.45 m范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)底座厚度由19 cm減薄為14 cm，如圖1(b)所示。

圖1 梁端擠塑板鋪設(shè)方案(單位:cm)

(a)方案中，底座連續(xù)鋪設(shè)，便于鋼筋布設(shè)和混凝土施工;而(b)方案中底座斷面被削弱，并且此處除承受巨大的溫度力外，還將承受梁端位移引起的附加彎矩和附加拉力作用，需在削弱的斷面上布置更多的鋼筋，承受更大的作用力，布筋將非常困難，在CRTSⅡ型板式軌道中宜采用(a)方案。

針對(duì)梁端位置處的軌道結(jié)構(gòu)(圖1(a))建立如圖2所示的疊合梁模型，分析梁端位置處擠塑板彈性模量對(duì)軌道受力的影響，其中鋼軌、軌道板和底座均用梁單元模擬，扣件和水泥乳化瀝青砂漿層均用線性彈簧模擬;扣件為雙層彈性小阻力扣件［2］，間距0.6 m，扣件剛度為31 kN/mm，軌道板、底座板及砂漿彈模分別取 3.6×104MPa、3.25×104MPa 及9 000 MPa［7］。梁面滑動(dòng)層和擠塑板的支承作用采用單向受壓彈簧模擬。

圖2 梁端軌道受力計(jì)算模型

2 輪載作用時(shí)擠塑板彈性模量的影響

取擠塑板彈性模量為10 MPa，當(dāng)1.5倍靜輪載依次自梁端向跨中方向逐枕加載時(shí)，距離梁端不同部位處的軌道各部件位移如圖3所示?？梢钥闯觯捎跀D塑板位置支承相對(duì)較弱，相同荷載作用下的軌道位移較大，列車荷載作用于梁縫中心時(shí)位移最大，列車通過時(shí)將產(chǎn)生剛度不平順，影響列車運(yùn)行舒適性甚至安全性。

為分析不同擠塑板彈性模量對(duì)輪載作用效果的影響，固定輪載作用位置在梁縫處，取0.1～100 MPa的不同彈性模量進(jìn)行分析比較，軌道內(nèi)力與位移最大值比較如圖4所示。

圖3 輪載作用于不同位置處的軌道各部件位移分布

圖4 擠塑板彈性模量對(duì)軌道位移及內(nèi)力的影響

隨著擠塑板彈性模量的增大，鋼軌、軌道板和底座板的位移均隨之減小，且位移減小的速度逐漸放緩，當(dāng)擠塑板彈性模量超過10 MPa以上時(shí)，軌道板位移在整個(gè)鋼軌下沉中所占的比例已非常小，軌道板和底座板的位移幾乎一致。從減少剛度不平順的角度出發(fā)，擠塑板彈性模量不宜低于10 MPa。

鋼軌、軌道板和底座板彎矩隨擠塑板彈性模量的增大而減小，軌道板和底座板彎矩受擠塑板彈性模量影響的程度更高，在所分析的0.1～100 MPa范圍內(nèi)，鋼軌彎矩變化不到17%，而0.1 MPa時(shí)的軌道板和底座板彎矩約為100 MPa時(shí)的18倍。從改善軌道板和底座板承受列車荷載的條件出發(fā)，擠塑板彈性模量宜適當(dāng)提高，擠塑板彈性模量20 MPa以上時(shí)，軌道板和底座板彎矩已很小，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響已很小。

隨擠塑板彈性模量的增大，扣件壓力稍有增大，而水泥乳化瀝青砂漿層和橋梁頂面(含梁端擠塑板范圍)最大壓力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當(dāng)擠塑板彈性模量較小時(shí)，擠塑板變形較大，并在擠塑板的上下接觸表面出現(xiàn)較大的應(yīng)力峰值，而隨著擠塑板彈性模量的增大，擠塑板承受的壓力逐漸增大，從而在荷載作用點(diǎn)處的擠塑板上的壓力可增大至大于其他位置處的梁頂面壓力。從改善砂漿層和擠塑板受力角度出發(fā)，應(yīng)適當(dāng)增大梁端擠塑板彈性模量，不宜低于10 MPa。

3 梁端位移時(shí)擠塑板彈性模量的影響

橋梁在活載作用下將發(fā)生撓曲，在梁端處表現(xiàn)為轉(zhuǎn)角，支座和墩臺(tái)的豎向位移差則表現(xiàn)為錯(cuò)臺(tái)。擠塑板的主要作用在于緩解梁端位移對(duì)連續(xù)底座板和軌道板的影響，根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》［5］，取梁端轉(zhuǎn)角0.001 rad、錯(cuò)臺(tái)1 mm進(jìn)行計(jì)算，以考察擠塑板對(duì)梁端位移的緩解作用。

3.1 梁端轉(zhuǎn)角

當(dāng)梁端對(duì)稱發(fā)生0.001 rad的轉(zhuǎn)角時(shí)，不同擠塑板彈性量時(shí)的軌道最大內(nèi)力如圖5所示。與列車荷載作用效果相反，隨著擠塑板彈性模量的提高，鋼軌彎矩隨之小幅增大，而軌道板和底座板彎矩則先降低后增大，且增大的速率較快。當(dāng)擠塑板彈性模量較低時(shí)，軌道自重將引起板內(nèi)較大的彎矩，而彈性模量較高時(shí)，轉(zhuǎn)角所引起的軌道板和底座板彎曲程度將超過自重引起的彎曲程度，從而表現(xiàn)出先降低后增大的變化規(guī)律，不同彈性模量時(shí)的軌道板彎矩分布如圖6所示。

圖5 0.001 rad轉(zhuǎn)角作用下擠塑板彈性模量的影響

圖6 對(duì)稱梁端轉(zhuǎn)角時(shí)的軌道板彎矩分布

擠塑板彈性模量太大，將引起軌道板和底座板內(nèi)較大的附加彎矩作用，且梁端轉(zhuǎn)角同樣是由于列車荷載作用引起，其引起的軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)力同樣屬于疲勞作用，應(yīng)引起足夠重視。與列車荷載作用效果相比，當(dāng)擠塑板彈性模量較低時(shí)，兩者處于相同量級(jí)上，而當(dāng)擠塑板彈性模量較高時(shí)，梁端轉(zhuǎn)角引起的彎矩明顯大于列車荷載引起的。

3.2 錯(cuò)臺(tái)

由于列車荷載作用及墩臺(tái)不均勻沉降在梁縫處引起錯(cuò)臺(tái)時(shí)，同樣會(huì)引起軌道內(nèi)產(chǎn)生附加彎矩，發(fā)生1 mm錯(cuò)臺(tái)時(shí)，不同擠塑板彈性模量對(duì)軌道內(nèi)力的影響如圖7所示。

圖7 發(fā)生錯(cuò)臺(tái)時(shí)擠塑板彈性模量對(duì)軌道內(nèi)力的影響

隨著擠塑板彈性模量的增大，鋼軌、軌道板和底座板內(nèi)彎矩先減小、后增大，當(dāng)彈性模量在2～5 MPa時(shí)達(dá)到最小值，其中鋼軌的彎矩量值最小，變化也較小，軌道板和底座板量值相差不大，隨擠塑板彈性模量的變化較快。

4 輪載與梁端位移共同作用時(shí)擠塑板彈性模量的影響

前面分別分析了列車荷載和梁端位移對(duì)軌道的影響，對(duì)于列車荷載作用而言，宜采用較大的擠塑板彈性模量，以減少剛度不平順及軌道內(nèi)力，但在梁端位移作用下，擠塑板彈性模量大，則意味著更大的軌道板和底座板附加彎矩，只有將兩者結(jié)合，才能得到較為合理的擠塑板彈性模量。列車荷載和梁端位移共同作用時(shí)的軌道內(nèi)力如圖8(a)所示。

可以看出，鋼軌彎矩隨擠塑板彈性模量的增大而降低，軌道板和底座板彎矩則是先降低后增大，在彈模為2 MPa時(shí)取得極小值。鋼軌彎矩主要表現(xiàn)在輪載作用彎矩，其大小主要受輪載、鋼軌抗彎剛度和扣件剛度控制，板下一定長度范圍內(nèi)的軟弱支承對(duì)鋼軌受力影響不大，而軌道板和底座板彎矩更符合梁端位移的影響變化規(guī)律。

在常見的32 m簡支箱梁上，ZK活載作用下的梁端轉(zhuǎn)角約為0.000 56 rad［6］，錯(cuò)臺(tái)值也可忽略不計(jì)，在此不利情況下，輪載與梁端位移共同作用下的軌道板彎矩與擠塑板彈性模量的關(guān)系如圖8(b)所示?？梢钥闯鲈诖饲闆r下，當(dāng)擠塑板彈性模量為10 MPa時(shí)，軌道板受力最小，提高擠塑板彈性模量可降低鋼軌彎矩，小幅增加軌道板和底座板彎矩，從受力合理性方面考慮，擠塑板彈性模量應(yīng)在10～50 MPa范圍內(nèi)。

圖8 輪載與梁端位移共同作用時(shí)擠塑板彈性模量對(duì)軌道內(nèi)力的影響

5 結(jié)語

本文針對(duì)梁端局部范圍內(nèi)的橋上CRTSⅡ型板式軌道建立了疊合梁分析模型，對(duì)擠塑板彈性模量進(jìn)行了參數(shù)分析，通過分析結(jié)論如下。

(1)擠塑板區(qū)域?yàn)檐浫踔С械囟?，輪載作用時(shí)將引起較大的鋼軌下沉位移和較大的軌道內(nèi)力，為保證行車的舒適性和安全性，擠塑板彈性模量不宜低于10 MPa。

(2)擠塑板可將突變形的梁端位移在一定長度范圍內(nèi)圓順化，改善軌道受力狀態(tài)。在規(guī)范所允許的荷載范圍內(nèi)，梁端轉(zhuǎn)角引起的軌道彎矩大于錯(cuò)臺(tái)所引起的。擠塑板彈性模量較小時(shí)，輪載引起的彎矩與梁端位移引起的相當(dāng)，而擠塑板彈性模量較大時(shí)，梁端位移引起的彎矩遠(yuǎn)大于輪載引起的，成為設(shè)計(jì)的控制因素。

(3)當(dāng)梁端位移和輪載共同作用時(shí)，鋼軌彎矩受輪載控制，而軌道板和底座板彎矩則受控于梁端位移，在常用32 m梁的實(shí)際變形情況下，擠塑板彈性模量為10～50 MPa時(shí)，軌道受力較為合理，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制在此范圍內(nèi)。其他橋梁應(yīng)根據(jù)實(shí)際的橋梁梁端位移選擇合適的擠塑板彈性模量，梁端位移較大時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低擠塑板彈性模量，梁端位移較小時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高擠塑板彈性模量。

(4)除擠塑板彈性模量外，擠塑板的鋪設(shè)長度及其與底座板的接觸狀態(tài)等也將影響到軌道的受力，采用其他鋪設(shè)參數(shù)或?qū)壍肋M(jìn)行維修而改變其鋪設(shè)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體實(shí)施情況合理選取擠塑板彈性模量。

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