蘇乾坤 鄧 希 盧 野 江萬紅

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

為消除鐵路線路鋼軌接頭帶來的不良影響，可將多根長鋼軌焊接起來，將軌條盡量延長，形成跨區(qū)間無縫線路?？鐓^(qū)間無縫線路具有行車平穩(wěn)性好，軌道幾何狀態(tài)易保持，鋼軌使用壽命長，車輛和軌道維修費用低，建設投資附加費用低等優(yōu)勢，是鐵路現(xiàn)代化的一項重大技術進步，也是當今高速鐵路設計采取的必要技術措施。

路基上鋪設無縫線路時，主要檢算溫度變化引起的鋼軌溫度應力、列車通過時沖擊鋼軌形成的鋼軌動彎應力和列車制動時鋼軌內的制動應力。橋上鋪設無縫線路時，除進行上述應力檢算外，還需考慮橋梁在升降溫荷載作用下梁體的伸縮變形和列車荷載通過時梁體的撓曲變形。橋上無砟軌道通常通過橋面預埋連接件與梁體緊密結合在一起，無砟軌道跟隨梁體變形發(fā)生隨動變形，因其上部受無縫線路長軌條的約束，不能完全釋放梁體變形帶來的鋼軌附加力，從而在鋼軌內部形成沿橋梁走向變化的應力。

迄今為止，關于無縫線路設計和檢算的研究成果較為豐富[1-4]。但考慮橋墩剛度及支座設置對無縫線路檢算結果綜合性影響的研究較少。本文基于有限元法和梁軌相互作用理論[5-6]，以山區(qū)某高速鐵路長大橋梁設計參數(shù)為例，分析連續(xù)梁橋及相鄰簡支梁橋墩剛度、支座設置對無縫線路檢算結果的影響。

1 計算模型及參數(shù)

基于有限元軟件，建立簡化的線-橋-墩一體化計算模型[5]，如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖

檢算橋梁為(5×32) m簡支梁+(90+180+90) m連續(xù)梁+(5×32) m簡支梁，主橋位于曲線上，曲線半徑8 000 m，橋跨布置如圖2所示，0～13號橋墩剛度如表1所示。取全部橋跨進行計算。

圖2 橋跨布置簡圖(m)

表1 墩剛度表

本橋鋪設無砟軌道，設計速度350 km/h，未被平衡的超高值取40 mm，扣件采用WJ-8型扣件，軌枕鋪設密度為 1 600對/km，鋼軌支點剛度為25 kN/mm。根據(jù)相關規(guī)范[9-10]計算得到軌底邊緣最大動彎應力σ底d為123.19 MPa，最大溫度拉應力σt為94.5 MPa。鋼軌破壞主要是受拉斷裂，其抗壓強度遠大于抗拉強度，故本文只針對鋼軌的受拉強度進行檢算。橋上無縫線路作用在鋼軌下的應力滿足：

σ=σ底d+σt+σf+σz≤[σ]

(1)

式中：σf——橋梁伸縮引起的鋼軌附加力(因橋梁撓曲帶來的鋼軌附加力較小，此處忽略不計)；

σz——列車制動時引起的鋼軌附加力。

2 連續(xù)梁橋墩剛度的影響

6號與7號橋墩為連續(xù)梁主跨橋墩，5號橋墩為連續(xù)梁邊跨橋墩且位于連續(xù)梁溫跨較大的一側。6號橋墩上設置有活動支座，連續(xù)梁伸縮時形成的抗力較小，對鋼軌的附加力影響較小，7號橋墩上設置有固定支座，故僅考慮5號、7號橋墩剛度變化對鋼軌應力的影響。5號橋墩剛度變化工況和引起的鋼軌應力計算結果如表2所示，制動力變化趨勢如圖3所示。

表2 5號橋墩剛度變化引起的鋼軌應力計算結果表

注：1.橋墩剛度變化是相對于原橋墩剛度2 744 kN/cm(工況5號-5)所發(fā)生的加減變化；

2.最大制動力分別考慮了列車從左入橋和右入橋時，在最大伸縮力處緊急制動所產(chǎn)生的制動力，且僅將左入橋和右入橋中較大的制動力納入應力合計中。

圖3 5號墩剛度變化引起的最大制動力變化趨勢圖

由表2和圖3中鋼軌應力的計算結果可知，連續(xù)梁大溫跨一側邊跨墩剛度(5號墩)增加，引起鋼軌最大附加伸縮應力增加，左入橋的鋼軌制動力應力先減小后增加(存在一個最小值)，右入橋的鋼軌制動應力增加。隨著邊跨墩剛度的增加，各項應力值變化幅度均逐漸減小，當墩剛度增加至 1 500 kN/cm(工況5號-8)時，總應力增加值小于1 MPa，變化幅度不再明顯，鋼軌總應力也逐漸趨于收斂。因此，當連續(xù)梁大溫跨一側邊跨橋墩上為固定支座時，減小橋墩剛度，可降低鋼軌總應力。

7號橋墩剛度變化工況和引起的鋼軌應力計算結果如表3所示，制動力變化趨勢如圖4所示。

表3 7號墩剛度變化表引起的鋼軌應力計算結果表

圖4 7號墩剛度變化引起的最大制動力變化趨勢圖

由表3和圖4可知，連續(xù)梁主跨固定支座橋墩剛度(7號橋墩)增加，引起鋼軌最大附加伸縮應力增加，左入橋的鋼軌制動力應力增加，右入橋的鋼軌制動應力顯著減小。隨著主跨墩剛度的增加，各項應力值變化幅度逐漸減小，鋼軌總應力也逐漸趨于收斂。因此，增加連續(xù)梁固定支座墩剛度，可降低鋼軌總應力，但效果并不顯著。

3 橋跨的影響

本文所述連續(xù)梁為3跨，為使連續(xù)梁承載分布均勻，連續(xù)梁的兩邊跨(5～6號橋墩、7～8號墩)通常相同。本文通過改變連續(xù)梁主跨(6～7號橋墩)和邊跨的長度來改變溫跨，并分析其對無縫線路鋼軌檢算結果的影響，連續(xù)梁橋跨工況和計算結果如表4所示。

表4 連續(xù)梁橋跨工況和計算結果表

由表4可知，從工況1至工況6，連續(xù)梁主跨逐漸減小，溫跨隨之減小，引起鋼軌最大伸縮附加應力顯著減小，右入橋的鋼軌制動力減小，鋼軌總應力顯著減小。因為列車從左入橋時，橋跨變化對在伸縮附加力處(5號墩)進行緊急制動并無影響，故左入橋的最大制動力不發(fā)生變化，為17.85 MPa。溫跨減少20 m，鋼軌總應力降低約10 MPa，即隨著溫跨的減小，鋼軌總應力以約0.5 MPa/m的速率降低。對比工況3和工況7、工況4和工況8可知，溫跨相同時，溫跨中部活動支座(6號墩支座)的設置位置對最大伸縮附加應力和最大制動應力影響較小。

4 小阻力扣件設置的影響

最大伸縮附加應力位于5號墩處，故將小阻力扣件布設在5號墩兩側，以減小鋼軌最大伸縮附加應力。簡支梁長32 m，為便于小阻力扣件布置，以16 m的整數(shù)倍設置不同工況，工況設置和計算結果如表5所示。

對比工況X-0～X-4，隨著小阻力扣件鋪設范圍的增加，鋼軌總應力減小，但當小阻力扣件在5號墩兩側的鋪設長度達到64 m時(工況X-4)，鋼軌總應力的減小幅度已趨于平緩。對比工況X-5～X-8和X-9～X-11，隨著連續(xù)梁側小阻力扣件鋪設范圍的增加，鋼軌總應力減小，但當鋪設長度超過96 m時，鋼軌總應力的減小幅度已不明顯。本橋連續(xù)梁邊跨長90 m，相鄰簡支梁橋跨長32 m，將小阻力扣件布設在5號橋墩(伸縮附加力最大處)左側兩跨簡支梁和右側連續(xù)梁邊跨時，鋼軌總應力可顯著減小，有利于無縫線路長鋼軌的受力。

表5 連續(xù)梁小阻力扣件設置工況和計算結果表

5 結論及建議

本文以(90+180+90)m長大連續(xù)梁為例，研究長大連續(xù)梁橋橋墩剛度、橋跨布置和小阻力扣件設置對無縫線路鋼軌強度的影響， 得出主要結論如下：

(1)連續(xù)梁大溫跨一側邊跨橋墩剛度或主跨固定支座橋墩剛度增加，引起鋼軌最大附加伸縮應力增加。當橋墩剛度增加至一定水平時(不同橋梁橋墩剛度和跨度增加的幅度不同)，各項應力值變化不再明顯，鋼軌總應力也逐漸趨于收斂。當大溫跨一側邊跨墩上為固定支座時，降低其墩剛度可適當降低鋼軌總應力，降低主跨固定支座墩剛度對鋼軌總應力影響較小。

(2)減小溫跨長度可有效降低鋼軌總應力。溫跨相同時，溫跨中部活動支座的設置位置對最大伸縮附加應力和最大制動應力影響較小。

(3)將小阻力扣件布設在連續(xù)梁鋼軌伸縮力附加力最大處(通常位于連續(xù)梁與簡支梁相接處)的相鄰兩跨簡支梁和連續(xù)梁邊跨(大于96 m)時，鋼軌總應力可顯著減小。

本文的研究成果可用于指導長大連續(xù)橋梁設計，合理設置橋墩剛度、橋跨長度和小阻力扣件鋪設范圍，可減小無縫線路鋼軌總應力，降低斷軌風險。