劉永存

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

博格板式無砟軌道源于德國，經(jīng)吸收、改進(jìn)后形成了CRTSⅡ型板式無砟軌道［1］。其中橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)。

(1)橋上底座不受橋跨的限制，為跨越梁縫的縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，橋上的軌道板與路基、隧道內(nèi)的一致，均為標(biāo)準(zhǔn)軌道板，利于工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，便于質(zhì)量控制，同時(shí)簡化軌道板的安裝和鋪設(shè)。

(2)底座在每孔橋梁固定支座上方，通過預(yù)設(shè)齒槽、錨固螺栓以保證其和橋梁間縱向的可靠連接，其余部位梁面設(shè)置“兩布一膜”滑動(dòng)層，以減少底座和橋梁間相互作用。

(3)梁縫前后3.1 m范圍的梁面上鋪設(shè)5 cm厚硬質(zhì)泡沫塑料板，以減小梁端轉(zhuǎn)角對無砟軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。

(4)底座兩側(cè)設(shè)置側(cè)向擋塊進(jìn)行橫向限位。

(5)臺(tái)后路基上設(shè)置摩擦板、端刺，使橋上縱向力不影響端刺以外路基上的軌道結(jié)構(gòu)［2-4］。

CRTSⅡ型板式無砟軌道作為一種新型軌道結(jié)構(gòu)，橋上縱連的底座是主要承重構(gòu)件，是影響結(jié)構(gòu)安全性的重要因素，其施工質(zhì)量必須得到保證。一方面，如果底座施工時(shí)混凝土澆筑段和后澆帶設(shè)置不當(dāng)，使得張拉時(shí)將橋墩拉歪，將給橋梁的安全帶來隱患;另一方面，如果底座鎖定板溫和張拉量設(shè)置不當(dāng)，輕則底座開裂，重則梁軌之間相互作用力增大，影響無砟軌道使用壽命［5］。本文就CRTSⅡ型板式無砟軌道底座施工過程進(jìn)行模擬，分析各階段底座、橋梁系統(tǒng)受力，為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。

1 底座施工概述

長大橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座無法一次施工完成，一般劃分成幾個(gè)施工段，施工段的位置及長度根據(jù)橋梁橋跨類型、施工組織能力和施工組織方案確定［6-7］。一般一個(gè)施工段長度為4～5 km，施工段的首尾位置應(yīng)設(shè)置端刺或臨時(shí)端刺，臨時(shí)端刺長約800 m，端刺或臨時(shí)端刺之間為常規(guī)區(qū)［8-9］。CRTSⅡ型板式無砟軌道底座施工工藝分以下步驟:

施工單元?jiǎng)澐帧鷾y量各澆筑段板溫和長度，計(jì)算張拉值→底座鋼筋的張拉與連接→后澆帶混凝土施工［10-11］。

2 模型建立

由于底座從澆筑、張拉到鎖定涉及到多道施工工序，每道工序中底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力體系均不一樣，因此，必須針對各道工序建立不同的模型，以確保模擬的正確性。另外，由于理論計(jì)算時(shí)，模型的建立是以某個(gè)時(shí)間點(diǎn)來進(jìn)行建模的，而實(shí)際過程中底座的澆筑、張拉和縱連是一個(gè)連續(xù)的過程，因此底座內(nèi)鋼筋和混凝土的應(yīng)力變化過程也是一個(gè)連續(xù)的過程。根據(jù)CRTSⅡ型板式無砟軌道底座施工特點(diǎn)，板－橋－墩系統(tǒng)縱向力的計(jì)算可以采用軌道－橋梁一體化有限元模型進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。該模型主要功能為計(jì)算底座施工過程中系統(tǒng)的縱向力和位移，包括底座、橋梁、橋墩、固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向受力和位移。建模時(shí)底座、橋梁采用梁單元進(jìn)行模擬，滑動(dòng)層、固結(jié)機(jī)構(gòu)則模擬成彈簧單元，將兩層梁連接成整體。

圖1 板-橋-墩一體化模型

3 底座張拉縱連受力分析

由于CRTSⅡ型板式無砟軌道底座全橋縱連，使得橋上底座具有無縫線路同樣的特點(diǎn)，為控制底座溫度應(yīng)力變化幅度，避免產(chǎn)生失穩(wěn)、斷板等現(xiàn)象，需將橋上底座在鎖定溫度范圍內(nèi)鎖定。當(dāng)?shù)鬃鶞囟鹊陀诨蚋哂阪i定溫度時(shí)，需通過張拉或降溫來實(shí)現(xiàn)鎖定。

針對底座施工過程中各個(gè)階段的受力特點(diǎn)，當(dāng)?shù)鬃础靶陆ㄅR時(shí)端刺+常規(guī)區(qū)+新建臨時(shí)端刺”來進(jìn)行施工時(shí)，將其按以下6個(gè)步驟對板－橋－墩系統(tǒng)進(jìn)行模擬和分析。

(1)澆筑底座混凝土澆筑段。

(2)將臨時(shí)端刺區(qū)用手連接成整體。

(3)張拉與臨時(shí)端刺區(qū)相鄰的兩個(gè)BL1后澆帶。

(4)張拉連接 K0、Jl、J2、J3 后澆帶。

(5)張拉常規(guī)區(qū)剩余的BL1后澆帶。

(6)底座鎖定，常規(guī)區(qū)演變成為底座一部分。

為研究底座從澆筑、張拉到鎖定整個(gè)施工流程中系統(tǒng)的受力及變形，分析時(shí)采用如下參數(shù):橋上為Ⅱ型板，位于直線平坡地段。橋跨布置為100-32 m簡支梁。其中1～25、76～100孔簡支梁上為新建臨時(shí)端刺區(qū)，26～75孔簡支梁區(qū)域?yàn)槌Ｒ?guī)區(qū)，橋墩線剛度均取800 kN/cm。底座和橋梁之間摩擦系數(shù)為0.3，底座現(xiàn)場實(shí)測溫度19.2℃，鎖定板溫TS=25℃，底座剛度折減系數(shù)取1。

3.1 澆筑底座混凝土澆筑段

該階段BL1后澆帶均處于斷開狀態(tài)。臨時(shí)端刺區(qū)混凝土澆筑段為自由混凝土澆筑段，而常規(guī)區(qū)混凝土澆筑段則關(guān)于混凝土中部先期澆筑的BL2對稱，溫度荷載作用下均將自由伸縮。溫度變化幅度取－5.8℃，此時(shí)底座受力如圖2所示。

圖2 自由伸縮下底座受力曲線

從圖2可知:常規(guī)區(qū)底座受力在剪力齒槽處產(chǎn)生突變，突變值為固結(jié)機(jī)構(gòu)受力。自由伸縮階段，底座處于斷開狀態(tài)且常規(guī)區(qū)混凝土澆筑段關(guān)于先期澆筑的BL2后澆帶對稱，墩臺(tái)及固結(jié)機(jī)構(gòu)受力均很小。

自由伸縮下底座和橋梁間縱向受力簡單，只有摩擦力，可以通過手工計(jì)算對程序進(jìn)行檢算。由于混凝土澆筑段較短，整個(gè)澆筑段將處于伸縮區(qū)，以LP1為例，若不考慮橋梁溫度變化以及墩臺(tái)線剛度的影響，則底座和橋梁間摩擦力為

程序計(jì)算所得LP1中底座和橋梁間摩擦力極值為410 kN，和手工計(jì)算結(jié)果接近，從而驗(yàn)證了程序的正確性。

3.2 用手將臨時(shí)端刺區(qū)連接成整體

臨時(shí)端刺區(qū)連接成整體后將具備初步的承載能力，可以為底座張拉提供反力。溫度變化幅度?。?.8℃，此時(shí)底座受力如圖3所示。

圖3 底座受力曲線(一)

用手將臨時(shí)端刺區(qū)連接起來后，臨時(shí)端刺將整體受力，但由于鋼板連接器后澆帶(BL1)并未澆筑和張拉，此階段底座仍處于自由伸縮狀態(tài)。若不考慮橋梁溫度變化以及墩臺(tái)線剛度的影響，當(dāng)?shù)鬃鶞囟茸兓热。?.8℃時(shí)，底座溫度力為

由于伸縮區(qū)長度

臨時(shí)端刺區(qū)將部分位于伸縮區(qū)，部分位于固定區(qū)。程序計(jì)算所得臨時(shí)端刺區(qū)底座和橋梁間摩擦力極值為925 kN，和手工計(jì)算結(jié)果接近。

3.3 張拉與臨時(shí)端刺區(qū)相鄰的兩個(gè)BL1后澆帶

取底座現(xiàn)場實(shí)測溫度為19.2℃，張拉量為:Wc=9.3 mm。此時(shí)底座受力如圖4所示。

圖4 底座受力

底座張拉采用后澆帶升溫來模擬，等效于在后澆帶處施加一集中力。張拉后底座將出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)該處墩臺(tái)和固結(jié)機(jī)構(gòu)受力也將隨之增大。應(yīng)注意張拉時(shí)整個(gè)斷面需均勻張拉，同時(shí)避免滑動(dòng)層褶皺，否則張拉時(shí)影響范圍減小，造成澆筑段局部拉長，應(yīng)力過于集中，導(dǎo)致端部混凝土拉裂。當(dāng)?shù)鬃鶞夭钶^大時(shí)，鋼筋連接器后澆帶不能通過一次張拉縮短到計(jì)算值。必須每隔24 h重復(fù)張拉一次，直到達(dá)到最終的寬度。每次張拉都要對每個(gè)鋼筋連接器后澆帶的張拉量和總的張拉量以及實(shí)際需要達(dá)到的張拉量進(jìn)行記錄。根據(jù)縱連時(shí)底座溫度T所處區(qū)間，需要縱連張拉的最少次數(shù)和時(shí)間間隔如表1所示。

表1 縱連張拉的最少次數(shù)和時(shí)間間隔

3.4 張拉連接臨時(shí)端刺區(qū)K0、Jl、J2、J3后澆帶鋼筋

取底座現(xiàn)場實(shí)測溫度為19.2℃，張拉量為:Wk0=11 mm，WJ1=12.8 mm，WJ2=9.3 mm，WJ3=3.1 mm。張拉后底座受力如圖5所示，張拉后臨時(shí)端刺區(qū)受力呈鋸齒狀，需經(jīng)過一段時(shí)間應(yīng)力才能達(dá)到均勻狀態(tài)。根據(jù)縱連時(shí)底座溫度所處區(qū)間，底座應(yīng)力均勻所需等待時(shí)間見表2。

圖5 底座受力曲線(二)

表2 底座應(yīng)力均勻所需等待時(shí)間

3.5 張拉常規(guī)區(qū)剩余的BL1后澆帶

取底座現(xiàn)場實(shí)測溫度為19.2℃，張拉量為:Wc=9.3 mm。張拉后底座受力如圖6所示。

圖6 底座受力曲線(三)

常規(guī)區(qū)BL1張拉完畢后，施工段底座張拉結(jié)束。通過張拉，底座中的受力狀態(tài)同底座由鎖定板溫降至19.2℃時(shí)受力狀態(tài)一致，如圖7所示。當(dāng)?shù)鬃鶞囟壬仙伶i定板溫時(shí)，底座受力為0，從而達(dá)到預(yù)定效果。張拉曲線中BL1后澆帶附近底座混凝土應(yīng)力集中，成鋸齒狀，需經(jīng)過一段時(shí)間后應(yīng)力才能夠均勻。而降溫曲線中由于溫度力為分布力，因此底座受力均勻。

圖7 底座降溫和底座張拉工況下底座受力對比

3.6 底座鎖定

張拉完成后隨即澆筑常規(guī)區(qū)BL1后澆帶及K0、J1后澆帶混凝土，常規(guī)區(qū)BL2后澆帶需待底座中應(yīng)力均勻后澆筑。鎖定后底座受力如圖8所示。

圖8 鎖定后底座受力曲線

通過鎖定，常規(guī)區(qū)成為底座一部分，底座施工完成。底座縱連后，常規(guī)區(qū)BL2后澆帶應(yīng)該盡快的進(jìn)行澆筑。但當(dāng)縱連在底座溫度小于鎖定溫度的情況下進(jìn)行時(shí)，必須待混凝土澆筑段內(nèi)應(yīng)力均衡后才能澆筑。等待時(shí)間如表3所示。

表3 后澆帶能澆筑所需等待時(shí)間

4 結(jié)論

利用Ansys軟件建立板－橋－墩系統(tǒng)縱向力計(jì)算模型，分析了底座從澆筑、張拉再到鎖定整個(gè)過程中的受力與變形，研究結(jié)論如下。

(1)底座鎖定板溫對于控制底座溫度應(yīng)力變化幅度，避免產(chǎn)生失穩(wěn)、斷板等問題有著至關(guān)重要的作用，因此需將橋上底座在鎖定溫度范圍內(nèi)鎖定。當(dāng)?shù)鬃鶞囟鹊陀诨蚋哂阪i定溫度時(shí)，需通過張拉或降溫來實(shí)現(xiàn)鎖定。

(2)張拉后底座將出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)注意張拉時(shí)整個(gè)斷面需均勻張拉，同時(shí)避免滑動(dòng)層褶皺，否則張拉時(shí)影響范圍減小，造成澆筑段局部拉長，應(yīng)力過于集中，導(dǎo)致端部混凝土拉裂。

(3)當(dāng)?shù)鬃c鎖定板溫相差較大時(shí)，鋼筋連接器后澆帶不能通過一次張拉縮短到計(jì)算值。必須每隔24 h重復(fù)張拉一次，直到達(dá)到最終的寬度。每次張拉都要對每個(gè)鋼筋連接器后澆帶的張拉量和總的張拉量以及實(shí)際需要達(dá)到的張拉量進(jìn)行記錄。

(4)當(dāng)?shù)鬃鶞囟刃∮阪i定板溫時(shí)，BL2后澆帶必須待混凝土澆筑段內(nèi)應(yīng)力均衡后方能澆筑。

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