何建平

（中國鐵路南昌局集團有限公司 南昌高鐵維修段，江西 南昌 330100）

1 研究背景及方法

連續(xù)梁上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為單元布置，夏季及冬季現(xiàn)場出現(xiàn)了梁端及板端較大縱向位移變化，而溫度應力產(chǎn)生的梁端及板端縱向位移勢必影響軌道結構性能，嚴重時甚至產(chǎn)生膠接絕緣接頭拉開、軌距塊拉裂以及軌下膠墊竄出，影響行車及軌道結構耐久性。因此，研究溫度變化下梁與板的縱向變化情況對養(yǎng)護維修有較大的指導意義[1-4]。

選取合福高鐵（32+48+32）、（40+56+40）、（40+64+40）、（32+78+32）及（60+100+60）m共5種不同形式的連續(xù)梁，采用梁-板理論，利用現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)及建立有限元力學計算模型進行分析，從溫度應力及自重作用下研究其對梁及板縱向的影響。

2 梁-板理論

彈性地基梁板理論計算模型見圖1。梁板理論的計算模型物理概念清楚，與無砟軌道實際情況更加接近，適應性更強，計算參數(shù)便于測定，且與疊合梁理論中的計算參數(shù)可方便換算。

圖1 彈性地基梁板理論計算模型

對于橋梁上雙塊式軌道這種無中間層的結構，可根據(jù)道床板與底座的界面連接狀況按照位移一致的原則等效為單層板，與上部鋼軌、下部橋梁一起構成梁板模型，橋墩采取支座約束進行計算。

將鋼軌視為3D彈性梁，道床板和底座視為一個結構曲殼，橋梁視為一個結構曲殼，鋼軌與道床板間通過扣件系統(tǒng)建立橫向、縱向和垂向彈簧連接，道床板與橋梁間通過建立橫向、縱向和垂向剛性連接，即協(xié)同變形，橋梁下部通過與支座建立約束，從左往右依次簡化為垂向、橫向位移約束的活動支座和垂向、橫向、縱向位移約束的固定支座，具體支座布置形式為活動支座1—固定支座—活動支座2—活動支座3。

3 有限元計算力學模型

計算模型為（32+48+32）、（40+56+40）、（40+64+40）、（32+78+32）及（60+100+60）m共5種連續(xù)梁，梁-板耦合計算模型見圖2、圖3，計算參數(shù)均按照規(guī)范要求選取。

4 計算結果及分析

4.1 板端縱向位移

通過對梁-板有限元力學計算模型施加升溫30 ℃、升溫20 ℃、升溫10 ℃、施工溫度、降溫10 ℃、降溫20 ℃、降溫30 ℃，板端縱向位移變化量見表1（正值為板端間距變小方向，負值為板端間距變大方向）。

圖2 梁-板耦合計算模型

圖3 有限元計算結果

表1 板端縱向位移變化量mm

由計算結果可知，不同升降溫變化，在固定支座處附近板縱向位移量較小，除（60+100+60）m連續(xù)梁溫度變化30 ℃有10.24 mm位移、溫度變化20 ℃有6.83 mm位移，其余各種連續(xù)梁型溫度變化下位移均在5 mm范圍內(nèi)；而在活動支座處有較大縱向位移，升、降溫越大，縱向位移量越大，活動支座3附近縱向位移量均超過5 mm，（32+48+32）m連續(xù)梁活動支座3附近有最大縱向位移，20 ℃其值可達15.43 mm、30 ℃其值可達23.15 mm。不同形式連續(xù)梁板端升、降溫縱向位移絕對值見圖4。

現(xiàn)場累計實測溫度變化20 ℃情況下，合福高鐵豐溪河特大橋（40+64+40）m連續(xù)梁活動支座變化20 mm，豐溪河特大橋（32+48+32）m連續(xù)梁活動支座變化19 mm，饒北河2號特大橋（60+100+60）m連續(xù)梁活動支座變化10 mm，芹口特大橋（40+56+40）m連續(xù)梁活動支座變化14 mm。

4.2 梁端縱向位移

梁端縱向位移變化量見表2（正值為梁端間距變小方向，負值為梁端間距變大方向），升、降溫不同形式梁4個支座附近梁位移情況見圖5。梁與板的縱向位移情況基本一致，其縱向位移絕對值與板情況一致。

現(xiàn)場累計實測溫度變化20 ℃情況下，合福高鐵建甌建溪大橋（60+100+60）m連續(xù)梁活動支座變化9 mm，南鋁1號大橋（48+80+48）m連續(xù)梁活動支座變化15 mm，信江特大橋（60+100+60）m連續(xù)梁活動支座變化10 mm。

圖4 升、降溫20、10℃不同形式連續(xù)梁板端縱向位移絕對值

連續(xù)梁型/m 支座類型 升溫30 ℃ 升溫20 ℃ 升溫10 ℃ 施工溫度下 降溫10 ℃ 降溫20 ℃ 降溫30 ℃

表2 梁端縱向位移變化量mm

圖5 升、降溫20、10℃不同形式連續(xù)梁端縱向位移

4.3 鋼軌軸向應力

升溫及降溫鋼軌軸向應力峰值見表3。按60軌截面積77.45 cm2計算，升、降溫20 ℃（77 MPa應力）情況下拉應力及壓力可達596.36 kN，按照TB/T 2975—2010《鐵路鋼軌膠接絕緣接頭技術條件》，夾板抗拉強度≥900 MPa，絕緣套管壓縮強度（軸向）138 MPa，常溫固化環(huán)氧黏結劑剪切強度≥26 MPa，夾板抗拉強度≥900 MPa，螺栓不低于10.9S級高強度螺栓（按0.6剪切應力系數(shù)計算，其剪切應力達540 MPa）。由表3可知，5種連續(xù)梁在固定支座附近溫度變化有較大的拉壓應力，膠接絕緣接頭布置在附近，梁-板伸長區(qū)極有可能降溫20 ℃以上先產(chǎn)生黏結劑剪切破壞，黏結失效繼而產(chǎn)生絕緣套管剪切破壞；如果日溫度在施工溫度上下變化，拉壓應力反復交替，膠接絕緣接頭黏結劑及絕緣套管將會產(chǎn)生疲勞效應，性能下降，直至發(fā)生破壞。

5 結論

連續(xù)梁上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道受整體升溫及降溫影響，會產(chǎn)生梁-板縱向位移以及鋼軌縱向應力。根據(jù)理論計算及現(xiàn)場實測，可以得出：

表3 鋼軌軸向應力峰值 MPa

（1）不同形式連續(xù)梁溫度變化后板端位移不同，（32+48+32）m連續(xù)梁升溫及降溫30 ℃最大位移為23.15 mm，（40+56+40）m連續(xù)梁升溫及降溫30℃最大位移為21.06 mm，（40+64+40）m連續(xù)梁升溫及降溫最大位移為21.16 mm，（32+78+32）m連續(xù)梁升溫及降溫20 ℃最大位移為22.92 mm，（60+100+60）m連續(xù)梁升溫及降溫30 ℃最大位移為15.04 mm，現(xiàn)場實測與理論計算結果較為一致，梁端縱向位移與軌道板一致。

（2）梁-板因溫度變化，板端縱向位移可達23.15 mm，如果連續(xù)梁上鋼復合膠墊與鋼軌摩擦系數(shù)過大，極限情況可想象成膠墊與鋼軌底部因銹蝕黏結在一起，將導致膠墊竄出，因此應加強連續(xù)梁上板縱向位移較大區(qū)域扣件系統(tǒng)的養(yǎng)護維修。

（3）連續(xù)梁地段升、降溫30 ℃（50 MPa應力）情況下鋼軌拉力及壓力可達596.36 kN。

（4）不同形式連續(xù)梁溫度變化后鋼軌縱向應力不同，膠接絕緣接頭布置在附近，梁-板伸長區(qū)極有可能降溫20 ℃以上先產(chǎn)生黏結劑剪切破壞，黏結失效繼而產(chǎn)生絕緣套管剪切破壞。另外，如果日溫度在施工溫度上下變化，拉壓應力反復交替，膠接絕緣接頭將可能產(chǎn)生疲勞效應，性能下降，也可能發(fā)生破壞。在梁-板伸長區(qū)如果布置有膠接絕緣接頭，溫度明顯變化情況下應作為薄弱設備加強檢修，尤其是在車站岔區(qū)前后未設置小阻力扣件線路區(qū)段，在溫度變化幅度較大的春秋季節(jié)、極端溫度條件下應縮短檢查周期和做好預防性應急處置方案。