張捍東

（昌九城際鐵路股份有限公司，南昌 330002）

大跨度橋梁中主跨超過200 m的高速鐵路橋上均采用有砟軌道。為消除高速鐵路線路上的限速點(diǎn)，避免無砟軌道線路中出現(xiàn)一小段有砟軌道的情況，使全線軌道類型統(tǒng)一，因此，在大跨度斜拉橋上鋪設(shè)無砟軌道成為無縫線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵課題之一［1］。

關(guān)于橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)縱向力方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了研究。盧耀榮等［2］運(yùn)用梁軌相互作用原理建立了混凝土連續(xù)梁橋上無縫線路的縱向力計(jì)算方法。UIC將歐洲學(xué)者的相關(guān)研究成果濃縮至UIC 774?3《軌道/橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中［3］。徐慶元等［4］基于商用有限元軟件建立了梁-軌縱向相互作用三維有限元模型，并對(duì)高速鐵路梁-軌縱向相互作用進(jìn)行了研究。徐錫江［5］基于梁軌相互作用和有限元方法，建立了大跨橋上縱連板式軌道縱向力計(jì)算模型，計(jì)算了制動(dòng)力等工況下橋上縱向附加力，并分析了各種參數(shù)變化對(duì)橋上縱向附加力的影響。閆斌等［6-8］建立了可進(jìn)行溫度、活載和地震響應(yīng)分析的梁-軌系統(tǒng)力學(xué)模型，對(duì)高速鐵路中的簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁及斜拉橋進(jìn)行了分析，并探討了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)梁-軌系統(tǒng)受力的影響。蔡小培等［9］對(duì)高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無砟軌道無縫線路的靜力學(xué)特性和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究。張鵬飛等［10］建立了橋上CRTSⅢ型板式無砟軌道無縫線路模型，研究了溫度荷載作用下橋梁與軌道結(jié)構(gòu)的伸縮力和位移。戴公連等［11］研究了大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道制撓工況和斷軌工況下受力特性。Place等［12］介紹了中國(guó)臺(tái)灣在梁-軌相互作用分析方面的工程案例。關(guān)于大跨度斜拉橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)縱向力的相關(guān)研究鮮有涉及。

本文以昌贛客運(yùn)專線贛州贛江特大橋主跨300 m混合梁斜拉橋?yàn)槔?，建立充分考慮橋塔、拉索、梁體、支座、墩臺(tái)、剪力釘、底座板、減振彈性墊層、軌道板、扣件、軌道等結(jié)構(gòu)的高速鐵路大跨度斜拉橋-無砟軌道精細(xì)化仿真模型，探討軌道系統(tǒng)在溫度荷載、豎向荷載和制動(dòng)荷載作用下的縱向受力特性。

1 工程概況

贛州贛江特大橋主橋采用（35+40+60+300+60+40+35）m混合梁斜拉橋，結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，塔梁分離，主塔與主梁之間設(shè)置液壓阻尼器、橫向設(shè)置抗風(fēng)支座。橋塔采用人字形索塔，全高120.6 m，橋面以上塔高88.0 m，橋塔基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。斜拉橋共設(shè)48對(duì)鍍鋅平行鋼絲拉索，斜拉索在邊跨錨固點(diǎn)的間距為10.5 m，在主跨錨固點(diǎn)的間距為12.0 m。橋梁結(jié)構(gòu)立面見圖1，橋墩編號(hào)從左至右為P32?P39。

圖1 橋梁立面（單位：m）

主橋邊跨采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁全高4.5 m，寬16.5 m，見圖2。

圖2 邊跨截面（單位：cm）

主橋跨中采用鋼箱-混凝土板結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，結(jié)合梁寬16.28 m，中心梁高4.475 m。其中，鋼箱梁高4.2 m，預(yù)制板厚0.3 m，局部加厚至0.5 m，見圖3。

圖3 跨中截面（單位：cm）

全橋采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，底座板現(xiàn)場(chǎng)澆筑，通過預(yù)埋套筒與梁體連接。底座板與軌道板之間設(shè)置減振彈性墊層，軌道板和鋼軌采用WJ?8B型扣件連接，橋梁兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，見圖4。

圖4 橋上無砟軌道（單位：mm）

2 大跨度斜拉橋-無砟軌道系統(tǒng)仿真模型

CHN60軌采用梁?jiǎn)卧M，WJ?8B型扣件采用非線性彈簧模擬。全橋扣件包括小阻力扣件和常阻力扣件，常阻力扣件用于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。常阻力扣件和小阻力扣件的彈簧變形-阻力關(guān)系分別為［13］：

式中：r1、r2分別為常阻力扣件和小阻力扣件縱向阻力，kN；x1為鋼軌與承軌臺(tái)之間的相對(duì)縱向位移，mm。

扣件橫向阻力采用試驗(yàn)擬合結(jié)果，即

式中：r3為扣件橫向阻力，kN；x2為鋼軌與承軌臺(tái)之間的相對(duì)橫向位移，mm。

采用線性彈簧單元模擬墊板和彈條豎向剛度，扣件的豎向剛度為35 kN/mm。

橋上軌道板采用C40混凝土，全橋縱連板式鋪設(shè)，分塊澆筑，雙層配筋。軌道板長(zhǎng)5.92 m，板寬2.80 m。在伸縮調(diào)節(jié)器范圍內(nèi)板高0.29 m，其他位置板高0.26 m，軌道板之間間隔為0.08 m。

底座板采用C40混凝土，板長(zhǎng)和板寬與對(duì)應(yīng)的軌道板相同，板高0.24 m。每塊底座板縱向設(shè)2個(gè)凹槽，對(duì)應(yīng)軌道板位置設(shè)置2個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)和凹槽之間設(shè)置減振彈性墊層，其橫縱向剛度均采用線性彈簧模擬，取180 kN/mm。

在橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器范圍內(nèi)，軌道板和底座板之間設(shè)置聚丙烯土工布，其摩擦因數(shù)為0.7～0.8，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位移為0.5 mm，見圖5。在橋梁其他位置，軌道板和底座板之間設(shè)置減振彈性墊層，其豎向剛度逐級(jí)過渡，以10塊軌道板為1個(gè)鋪設(shè)單元，從0.1 N/mm3過渡至0.025 N/mm3再過渡至0.1 N/mm3，見圖6。減振彈性墊層橫、縱向剛度取13 kN/mm。

圖5 聚丙烯土工布摩擦因數(shù)

圖6 彈性墊層剛度

圖7 有限元模型

有限元模型（圖7）中的橋塔、軌道板、底座板、混凝土橋面均采用非線性纖維梁?jiǎn)卧M，鋼筋混凝土材料采用Takeda滯回模型模擬，并用Mander?Confined模型模擬箍筋的約束作用。為了能夠正確模擬橋梁雙線鐵路、斜拉索以及橋墩的空間位置，在橋梁中性軸處采用帶鋼臂的梁?jiǎn)卧M橋梁主體。由于橋梁結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，邊跨橋墩的縱向剛度取0，索塔和梁體之間采用滑動(dòng)支座。

3 溫度荷載作用下無砟軌道縱向力

在橋-軌系統(tǒng)仿真模型上施加溫度荷載，根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］，分別在邊跨混凝土梁體上加載30℃，在中跨鋼-混梁體上加載50℃，得到無砟軌道伸縮力包絡(luò)圖，見圖8。溫度作用下墩頂水平力見表1。由于大橋縱向基本對(duì)稱，因此表中只列出左側(cè)橋墩，后文同理。

圖8 無砟軌道伸縮力包絡(luò)圖

表1 溫度作用下墩頂水平力 kN

由圖8可知，在溫度荷載作用下，跨中鋼軌應(yīng)力達(dá)到最大值130.03 MPa，軌道板和底座板跨中均出現(xiàn)應(yīng)力最大值，分別為0.48，20.03 MPa。軌道板和底座板在跨中的長(zhǎng)度（5.25 m）比普通板短，且在中跨鋼混結(jié)合梁體上施加的溫度比邊跨高20℃，因此無砟軌道結(jié)構(gòu)在邊跨的縱向力均比跨中縱向力小。

由表1可知，最大水平力出現(xiàn)在塔墩P35，其值為1 880.8 kN。

4 豎向荷載作用下無砟軌道縱向力

根據(jù)鐵路列車荷載圖式的要求，在模型上施加64 kN/m的豎向荷載，加載長(zhǎng)度取300 m，得到無砟軌道撓曲力包絡(luò)圖，見圖9。豎向荷載作用下墩頂水平力見表2。

圖9 無砟軌道撓曲力包絡(luò)圖

表2 豎向荷載作用下墩頂水平力 kN

由圖9可知，軌道結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橋塔附近，鋼軌、軌道板和底座板的拉應(yīng)力最大值分別為17.81，0.22，3.05 MPa，橋梁跨中拉應(yīng)力基本為0。軌道結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在橋梁跨中，鋼軌、軌道板和底座板分別為15.02，0.14，2.05 MPa。

由表2可知，最大水平力出現(xiàn)在塔墩P35，其值為6 195.8 kN。

5 列車制動(dòng)作用下無砟軌道縱向力

參照 UIC 774?3［3］制動(dòng)系數(shù)通常取 0.164。偏安全考慮，本文輪軌黏著系數(shù)取0.25，制動(dòng)力取16 kN/m。在仿真模型上施加16 kN/m的列車制動(dòng)荷載，得到無砟軌道制動(dòng)力包絡(luò)圖，見圖10。制動(dòng)荷載作用下墩頂水平力見表3。

圖10 無砟軌道制動(dòng)力包絡(luò)圖

表3 制動(dòng)荷載作用下墩頂水平力 kN

由圖10可知，軌道結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橋梁跨中，鋼軌、軌道板和底座板的拉應(yīng)力最大值分別為14.20，0.10，1.14 MPa。軌道結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橋塔附近，鋼軌、軌道板和底座板的壓應(yīng)力最大值分別為13.50，0.15，2.12 MPa。

由表3可知，最大水平力出現(xiàn)在塔墩P35，其值為3 293.361 kN。

6 縱向力檢算

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，該橋軌道縱向力主要由溫度荷載控制。參照TB 10015—2012，由撓曲力、伸縮力和制動(dòng)力包絡(luò)圖可知：鋼軌最大拉應(yīng)力為145.2 MPa，出現(xiàn)在主跨跨中附近，滿足規(guī)范要求；軌道板和底座板最大拉應(yīng)力分別為0.3，2.2 MPa，出現(xiàn)在邊跨跨中附近，可能出現(xiàn)開裂。

7 結(jié)論

1）在溫度荷載作用下，鋼軌縱向應(yīng)力相對(duì)較大，最大拉應(yīng)力為130.03 MPa。左塔墩頂水平力最大值為1 880.8 kN。

2）在豎向荷載作用下，鋼軌、軌道板和底座板的拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橋塔附近，壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中附近，其中鋼軌壓應(yīng)力最大值為15.02 MPa，底座板拉應(yīng)力最大值為3.05 MPa。左塔墩頂水平力最大值為6 195.8 kN。

3）在列車制動(dòng)力作用下，鋼軌、軌道板和底座板的拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中附近，壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橋塔附近。鋼軌拉應(yīng)力最大值為14.20 MPa，壓應(yīng)力最大值為13.50 MPa。底座板拉應(yīng)力最大值為1.14 MPa，壓應(yīng)力最大值為2.12 MPa。左塔墩頂水平力最大值為3 293.4 kN。