郭成滿，任娟娟，楊榮山，劉 勇

(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)

橋梁溫度跨度對(duì)雙塊式無砟軌道無縫線路的影響研究

郭成滿，任娟娟，楊榮山，劉 勇

(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)

為研究橋梁溫度跨度對(duì)橋上雙塊式無砟軌道無縫線路的影響，運(yùn)用線板橋墩一體化模型，計(jì)算不同溫度跨度下，分別采用常阻力和小阻力扣件時(shí)的鋼軌縱向力、道床板縱向力、抗剪凸臺(tái)縱向力、梁軌相對(duì)位移以及鋼軌斷縫，分析橋梁溫度跨度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形的影響。結(jié)果表明：(1)隨著橋梁溫度跨度的增加，鋼軌伸縮、撓曲、制動(dòng)附加力和梁軌相對(duì)位移均增大；道床板、抗剪凸臺(tái)縱向力和鋼軌斷縫保持不變。(2)扣件阻力減小時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)縱向力均減??；但梁軌相對(duì)位移和鋼軌斷縫增大。(3)為保證鋼軌強(qiáng)度要求，當(dāng)橋上鋪設(shè)常阻力扣件時(shí)，橋梁溫度跨度限值可取135m；當(dāng)橋上鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，橋梁溫度跨度限值可取250m。

雙塊式無砟軌道；橋上無縫線路；溫度跨度

目前，雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)大量運(yùn)用于我國(guó)鐵路橋上無縫線路，武廣客運(yùn)專線上的王灌沖特大橋溫度跨度達(dá)195 m，軌道幾何狀態(tài)良好，未出現(xiàn)軌向不良、軌道結(jié)構(gòu)破壞、鋼軌碎彎等病害[1]；鄭西客運(yùn)專線上渭南二跨渭河特大橋，溫度跨度達(dá)736 m，在運(yùn)營(yíng)期間，梁端附近由于梁軌相對(duì)位移過大出現(xiàn)軌下膠墊竄出等隱患(圖1)[2]，膠墊竄出后，軌道結(jié)構(gòu)剛度增大，造成輪軌動(dòng)力作用增大，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的沖擊加劇，加速軌道結(jié)構(gòu)的損壞，影響行車的安全性與舒適性?？梢?，對(duì)于長(zhǎng)大混凝土橋上無縫線路，橋梁溫度跨度過大會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響[3-5]。本文將采用Ansys有限元計(jì)算方法，探討橋梁溫度跨度對(duì)橋上雙塊式無砟軌道無縫線路的影響，并初步提出橋梁溫度跨度的合理限值，以期指導(dǎo)工程應(yīng)用。

圖1 軌下膠墊竄出

1 計(jì)算模型與參數(shù)選取

1.1 計(jì)算模型

橋上無縫線路與路基上不同，其鋼軌除受溫度力作用之外，還受橋上附加縱向力作用。梁因溫度變化而產(chǎn)生伸縮，在列車荷載作用下梁因撓曲而產(chǎn)生位移，通過梁軌間的相互作用，使鋼軌受到縱向力的作用[6-10]?；跇蛏蠠o縫線路基本原理以及橋上雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)建立如圖2所示線-板-橋-墩一體化計(jì)算模型，分析橋梁溫度跨度對(duì)橋上雙塊式無砟軌道無縫線路的影響。

1.2 計(jì)算參數(shù)

橋梁以5-32 m簡(jiǎn)支梁+(L1+L2+L1) m連續(xù)梁+5-32 m簡(jiǎn)支梁為例，支座布置如圖3所示。隨著墩臺(tái)縱向剛度的增加，鋼軌伸縮力和撓曲力變化不大，而制動(dòng)力明顯減小[12]，故本文計(jì)算時(shí)取墩臺(tái)縱向剛度的最小值。橋臺(tái)縱向剛度取3 000 kN/cm[13]，雙線32 m簡(jiǎn)支梁橋墩縱向剛度取350 kN/cm[13]，雙線連續(xù)梁橋墩縱向剛度取1 500 kN/cm[12]，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示[14]，連續(xù)梁橋跨如表2所示[11]。

本文扣件均采用WJ-8型扣件，扣件間距0.65 m，扣件垂向剛度為35 kN/mm，縱向阻力如圖4所示，常阻力扣件極限位移為2 mm[14]，小阻力扣件的極限位移為0.5 mm[12]。道床板與底座間的摩擦阻力0.5×(60×2+2 500×28×0.26)×9.8=9.5 kN/m，限位凹槽四周橡膠墊板剛度180 kN/mm[12]。

圖2 鋼軌-道床板-橋梁-墩臺(tái)一體化計(jì)算模型

圖3 橋梁支座布置形式

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表2 連續(xù)梁橋跨 m

圖4 WJ-8有載時(shí)車輛下、無載時(shí)扣件阻力

1.3 荷載

根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，對(duì)于溫度荷載，取橋梁升溫30 ℃，道床板升溫30 ℃，鋼軌升溫50 ℃；對(duì)于列車荷載，高速客運(yùn)專線采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載；對(duì)于制動(dòng)荷載，制動(dòng)率取0.164，制動(dòng)長(zhǎng)度400 m，加載時(shí)，車頭作用在伸縮力最大位置處[9，14]；橋上鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，只在連續(xù)梁段進(jìn)行鋪設(shè)。

2 橋梁溫度跨度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

2.1 橋梁溫度跨度對(duì)鋼軌縱向力的影響

橋上無縫線路鋼軌縱向除受溫度力外，還受伸縮、撓曲和制動(dòng)附加力的作用，其中伸縮力最大值發(fā)生在連續(xù)梁梁端處，撓曲力最大值發(fā)生在連續(xù)梁跨中處，制動(dòng)力最大值發(fā)生在制動(dòng)起點(diǎn)處(即連續(xù)梁梁端處)。其各項(xiàng)極值與溫度跨度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 溫度跨度與鋼軌縱向力的關(guān)系

由圖5可知：溫度力與伸縮附加力之和隨著溫度跨度增加而線性增大，鋪設(shè)常阻力扣件時(shí)增長(zhǎng)梯度為4.86 kN/m，鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)增長(zhǎng)梯度為3.23 kN/m。撓曲附加力、制動(dòng)附加力也隨溫度跨度的增加而增大；但當(dāng)溫度跨度增大到一定值時(shí)，制動(dòng)附加力增長(zhǎng)梯度變小，其原因是橋梁跨度已超過其制動(dòng)長(zhǎng)度。相比于常阻力扣件，橋上鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，溫度力與伸縮附加力之和、制動(dòng)附加力、撓曲附加力都變小，原因是扣件縱向阻力減小時(shí)，梁軌間的相互作用減弱，由此產(chǎn)生的附加力也會(huì)減小。所以，鋪設(shè)小阻力扣件能有效減少梁軌間相互作用。

2.2 基于鋼軌強(qiáng)度下的溫度跨度限值研究

根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，在鋼軌強(qiáng)度檢算時(shí)，鋼軌附加力取伸縮力和撓曲力的較大值，并疊加制動(dòng)力。由圖5可知，附加力應(yīng)取伸縮力和制動(dòng)力之和。

本文計(jì)算基于鄭西客運(yùn)專線，其車型為CRH3動(dòng)車組，其中軸重150 kN，固定軸距2.5 m，運(yùn)行速度350 km/h，無砟軌道支撐剛度取23 kN/mm。結(jié)合以上參數(shù)按規(guī)范計(jì)算可知[14]，列車運(yùn)行時(shí)動(dòng)彎應(yīng)力為100 MPa。由鋼軌的允許強(qiáng)度為352 MPa可得，鋼軌剩余允許縱向力為1 952 kN。圖6為鋼軌縱向力(即溫度力、伸縮力與制動(dòng)力之和)與溫度跨度的關(guān)系。

圖6 鋼軌縱向力與溫度跨度的關(guān)系

為保證鋼軌強(qiáng)度，鋼軌縱向力應(yīng)小于其縱向力限值1 952 kN，結(jié)合圖6可知：當(dāng)橋上鋪設(shè)常阻力扣件時(shí)，橋梁溫度跨度限值可達(dá)135 m，當(dāng)橋上鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，橋梁溫度跨度限值可達(dá)250 m。

2.3 橋梁溫度跨度對(duì)道床板受力的影響

橋上雙塊式無砟軌道道床板采用單元板式結(jié)構(gòu)，道床板長(zhǎng)5～7 m，本文道床板長(zhǎng)度取6.4 m，板縫取0.1 m[15]。溫度荷載作用下，橋梁伸縮帶動(dòng)道床板產(chǎn)生位移，由于鋼軌、道床板、橋梁間的約束作用，從而在道床板中產(chǎn)生縱向力，圖7是道床板最大縱向力與溫度跨度的關(guān)系。

圖7 道床板最大縱向力與溫度跨度關(guān)系

由圖7可知：隨著溫度跨度的增加，道床板最大縱向力基本保持不變，這是由于道床板上最大縱向力為其上所有扣件最大縱向阻力之和，當(dāng)溫度跨度較大時(shí)，一部分道床板上的所有扣件阻力均達(dá)到最大值，因此，道床板上的最大縱向力保持不變，扣件阻力越小，道床板最大縱向阻力越小。此時(shí)，道床板最大縱向力的極值為107 kN，對(duì)應(yīng)道床板應(yīng)力為0.14 MPa，道床板采用C40混凝土，其抗拉強(qiáng)度1.71 MPa，故道床板偏安全。

2.4 橋梁溫度跨度對(duì)抗剪凸臺(tái)受力的影響

橋上雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)底座上設(shè)限位凹槽，道床板相應(yīng)位置設(shè)抗剪凸臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)傳遞水平力和限位作用?？辜敉古_(tái)通過箍筋與道床板連接，與底座板之間的接觸面上采用彈性墊片。溫度荷載作用下，橋梁伸縮帶動(dòng)道床板與底座間的相對(duì)滑動(dòng)，將會(huì)在抗剪凸臺(tái)上產(chǎn)生較大的縱向力。圖8表示在溫度荷載作用下工況1的連續(xù)梁上抗剪凸臺(tái)縱向力的分布情況，其中抗剪凸臺(tái)最大縱向力值發(fā)生在連續(xù)梁的兩端一定范圍內(nèi)。圖9為抗剪凸臺(tái)最大縱向力與溫度跨度的關(guān)系。

圖8 連續(xù)梁橋上抗剪凸臺(tái)縱向力分布

圖9 抗剪凸臺(tái)最大縱向力與溫度跨度的關(guān)系

由圖9可知，隨著溫度跨度的增大，抗剪凸臺(tái)最大縱向力保持不變；但是扣件阻力減小時(shí)，抗剪凸臺(tái)最大縱向力也隨之減小。

抗剪凸臺(tái)橫斷面尺寸為600 mm×600 mm，鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋，鋼筋用量為12φ12 mm，采用C40混凝土澆筑[16]。由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知[17]，抗剪凸臺(tái)跨高比l0/h=1<5，故抗剪凸臺(tái)宜按深受彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，深受彎構(gòu)件的抗剪截面應(yīng)滿足以下條件。

當(dāng)hw/b≤4時(shí)：

V≤1/60×(10+l0/h)fcβcbh0

當(dāng)hw/b≥6時(shí)：

V≤1/60×(7+l0/h)fcβcbh0

當(dāng)4

按線性內(nèi)插法取用。

對(duì)于抗剪凸臺(tái)hw/b=h0/b=520/600=0.87<4。

所以抗剪承載力為

[V]=1/60×(10+l0/h)βcfcbh0=1 025 kN

由圖9可知，抗剪凸臺(tái)最大縱向力為160 kN，遠(yuǎn)小于抗剪凸臺(tái)的抗剪承載力，故抗剪凸臺(tái)較安全。

3 橋梁溫度跨度對(duì)梁軌相對(duì)位移的影響

由于溫度荷載取的是年溫差，故溫度荷載作用下梁軌相對(duì)位移是一年的累積變形；而制動(dòng)荷載作用下，梁軌相對(duì)位移是快速的，對(duì)于有砟軌道的橋上無縫線路，其快速梁軌相對(duì)位移的限值為4 mm；目前，對(duì)于橋上無砟軌道，梁軌相對(duì)位移的限值不確定，還有待研究。

由圖10可知：隨著溫度跨度的增加，溫度荷載作用下，最大梁軌相對(duì)位移隨之增大；列車制動(dòng)時(shí)，最大梁軌快速相對(duì)位移也隨之增大，但溫度跨度達(dá)到一定值時(shí)，梁軌快速相對(duì)位移增長(zhǎng)梯度變小。相比于常阻力扣件，鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，溫度荷載作用下梁軌相對(duì)位移最大值以及列車制動(dòng)時(shí)快速梁軌相對(duì)位移最大值均增大。

圖10 最大梁軌相對(duì)位移與溫度跨度關(guān)系

4 橋梁溫度跨度對(duì)鋼軌斷縫的影響

規(guī)范規(guī)定無砟軌道一般情況鋼軌斷縫容許值為70 mm，特殊情況下為90 mm[14]。鋼軌斷縫值的計(jì)算關(guān)系到行車安全，是橋上無縫線路設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。在鋼軌最大降溫條件下，若一根鋼軌折斷，相鄰軌條會(huì)通過限制墩頂縱向位移而阻止鋼軌斷縫的繼續(xù)擴(kuò)大。斷軌位置依據(jù)規(guī)范設(shè)定在伸縮附加力最大位置處(即連續(xù)梁的活動(dòng)端處)，將其中一根鋼軌在此處折斷，其他鋼軌保持不變，考慮鋼軌降溫50 ℃。圖11表示鋼軌斷縫值與溫度跨度的關(guān)系。

圖11 鋼軌斷縫值與溫度跨度關(guān)系

由圖11可知：鋼軌斷縫值隨著溫度跨度的增加幾乎不變；相比于常阻力扣件，鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，鋼軌斷縫值變大。對(duì)于常阻力扣件，鋼軌斷縫值均小于其限值70 mm，對(duì)于小阻力扣件(因?yàn)闇囟冉?0 ℃，可看作特殊情況)，鋼軌斷縫值小于在特殊情況下的鋼軌斷縫限值90 mm。

5 結(jié)論

(1)隨著橋梁溫度跨度的增加，鋼軌伸縮、撓曲、制動(dòng)附加力和梁軌相對(duì)位移均不斷增大，制動(dòng)附加力以及制動(dòng)時(shí)梁軌相對(duì)位移的增長(zhǎng)梯度在溫度跨度達(dá)到一定值后減??；道床板、抗剪凸臺(tái)縱向力不變。

(2)橋上采用小阻力扣件可降低鋼軌最大縱向附加力以及軌道結(jié)構(gòu)的受力，同時(shí)又增大了梁軌相對(duì)位移和鋼軌斷縫值，故扣件縱向阻力不宜過小。

(3)通過控制鋼軌強(qiáng)度要求，橋上雙塊式無砟軌道無縫線路鋪設(shè)常阻力扣件時(shí)，橋梁溫度跨度限值建議為135 m，而鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，橋梁溫度跨度限值建議為250 m。

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Research on Effects of Bridge Temperature Span on Continuous Welded Rail and Double Block Ballastless Track

GUO Cheng-man， REN Juan-juan， YANG Rong-shan， LIU Yong

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

In order to study the effects of bridge temperature span on continuous welded rail and double block ballastless track， a line-slab-bridge-pier integration model is established to calculate the longitudinal force of the rail， the longitudinal force of the track slab， the longitudinal force of the shear cam， relative displacement between bridge and rail， and rail cracks with constant resistance and small resistance fasteners at different temperature span， and analyze the impact of bridge temperature span on the strength and stability of track structure. The results show that (1) with the increase of temperature span， the additional longitudinal force of the rail and relative displacement between bridge and rail all increase， but the longitudinal force of the track slab and shear cam and rail cracks stay unchanged; (2) when the fastening resistance decreases， the longitudinal forces of track structure all decrease， but the relative displacement between bridge and rail and rail cracks increase; (3) in order to ensure the strength of the rail， when the fasteners with constant resistance are installed， the limit of temperature span may reach 135 m; when the fasteners with small resistance are fixed， the limit of temperature span can reaches 250 m.

Double block ballastless track; CWR on bridge; Temperature span

2014-05-27；

2014-06-04

中國(guó)鐵路總公司科技開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2013G008-C)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金科技創(chuàng)新項(xiàng)目(A0920502051308-46)

郭成滿(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：1158131160@qq.com。

1004-2954(2015)03-0059-05

U213.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.014