蘇乾坤 鄧 希 盧 野 江萬紅

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)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(zhǎng)鋼軌焊接起來，將軌條盡量延長(zhǎng)，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(zhǎng)，車輛和軌道維修費(fèi)用低，建設(shè)投資附加費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，是鐵路現(xiàn)代化的一項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步，也是當(dāng)今高速鐵路設(shè)計(jì)采取的必要技術(shù)措施。

路基上鋪設(shè)無縫線路時(shí)，主要檢算溫度變化引起的鋼軌溫度應(yīng)力、列車通過時(shí)沖擊鋼軌形成的鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力和列車制動(dòng)時(shí)鋼軌內(nèi)的制動(dòng)應(yīng)力。橋上鋪設(shè)無縫線路時(shí)，除進(jìn)行上述應(yīng)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(shí)梁體的撓曲變形。橋上無砟軌道通常通過橋面預(yù)埋連接件與梁體緊密結(jié)合在一起，無砟軌道跟隨梁體變形發(fā)生隨動(dòng)變形，因其上部受無縫線路長(zhǎng)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(nèi)部形成沿橋梁走向變化的應(yīng)力。

迄今為止，關(guān)于無縫線路設(shè)計(jì)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(shè)置對(duì)無縫線路檢算結(jié)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(zhǎng)大橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)為例，分析連續(xù)梁橋及相鄰簡(jiǎn)支梁橋墩剛度、支座設(shè)置對(duì)無縫線路檢算結(jié)果的影響。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

基于有限元軟件，建立簡(jiǎn)化的線-橋-墩一體化計(jì)算模型[5]，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

檢算橋梁為(5×32) m簡(jiǎn)支梁+(90+180+90) m連續(xù)梁+(5×32) m簡(jiǎn)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(hào)橋墩剛度如表1所示。取全部橋跨進(jìn)行計(jì)算。

圖2 橋跨布置簡(jiǎn)圖(m)

表1 墩剛度表

本橋鋪設(shè)無砟軌道，設(shè)計(jì)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(shè)密度為 1 600對(duì)/km，鋼軌支點(diǎn)剛度為25 kN/mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9-10]計(jì)算得到軌底邊緣最大動(dòng)彎應(yīng)力σ底d為123.19 MPa，最大溫度拉應(yīng)力σt為94.5 MPa。鋼軌破壞主要是受拉斷裂，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，故本文只針對(duì)鋼軌的受拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算。橋上無縫線路作用在鋼軌下的應(yīng)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(jì))；

σz——列車制動(dòng)時(shí)引起的鋼軌附加力。

2 連續(xù)梁橋墩剛度的影響

6號(hào)與7號(hào)橋墩為連續(xù)梁主跨橋墩，5號(hào)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(cè)。6號(hào)橋墩上設(shè)置有活動(dòng)支座，連續(xù)梁伸縮時(shí)形成的抗力較小，對(duì)鋼軌的附加力影響較小，7號(hào)橋墩上設(shè)置有固定支座，故僅考慮5號(hào)、7號(hào)橋墩剛度變化對(duì)鋼軌應(yīng)力的影響。5號(hào)橋墩剛度變化工況和引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示，制動(dòng)力變化趨勢(shì)如圖3所示。

表2 5號(hào)橋墩剛度變化引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

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

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

圖3 5號(hào)墩剛度變化引起的最大制動(dòng)力變化趨勢(shì)圖

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

7號(hào)橋墩剛度變化工況和引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示，制動(dòng)力變化趨勢(shì)如圖4所示。

表3 7號(hào)墩剛度變化表引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

圖4 7號(hào)墩剛度變化引起的最大制動(dòng)力變化趨勢(shì)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(hào)橋墩)增加，引起鋼軌最大附加伸縮應(yīng)力增加，左入橋的鋼軌制動(dòng)力應(yīng)力增加，右入橋的鋼軌制動(dòng)應(yīng)力顯著減小。隨著主跨墩剛度的增加，各項(xiàng)應(yīng)力值變化幅度逐漸減小，鋼軌總應(yīng)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(yīng)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(hào)橋墩、7～8號(hào)墩)通常相同。本文通過改變連續(xù)梁主跨(6～7號(hào)橋墩)和邊跨的長(zhǎng)度來改變溫跨，并分析其對(duì)無縫線路鋼軌檢算結(jié)果的影響，連續(xù)梁橋跨工況和計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 連續(xù)梁橋跨工況和計(jì)算結(jié)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(yīng)力顯著減小，右入橋的鋼軌制動(dòng)力減小，鋼軌總應(yīng)力顯著減小。因?yàn)榱熊噺淖笕霕驎r(shí)，橋跨變化對(duì)在伸縮附加力處(5號(hào)墩)進(jìn)行緊急制動(dòng)并無影響，故左入橋的最大制動(dòng)力不發(fā)生變化，為17.85 MPa。溫跨減少20 m，鋼軌總應(yīng)力降低約10 MPa，即隨著溫跨的減小，鋼軌總應(yīng)力以約0.5 MPa/m的速率降低。對(duì)比工況3和工況7、工況4和工況8可知，溫跨相同時(shí)，溫跨中部活動(dòng)支座(6號(hào)墩支座)的設(shè)置位置對(duì)最大伸縮附加應(yīng)力和最大制動(dòng)應(yīng)力影響較小。

4 小阻力扣件設(shè)置的影響

最大伸縮附加應(yīng)力位于5號(hào)墩處，故將小阻力扣件布設(shè)在5號(hào)墩兩側(cè)，以減小鋼軌最大伸縮附加應(yīng)力。簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)32 m，為便于小阻力扣件布置，以16 m的整數(shù)倍設(shè)置不同工況，工況設(shè)置和計(jì)算結(jié)果如表5所示。

對(duì)比工況X-0～X-4，隨著小阻力扣件鋪設(shè)范圍的增加，鋼軌總應(yīng)力減小，但當(dāng)小阻力扣件在5號(hào)墩兩側(cè)的鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到64 m時(shí)(工況X-4)，鋼軌總應(yīng)力的減小幅度已趨于平緩。對(duì)比工況X-5～X-8和X-9～X-11，隨著連續(xù)梁側(cè)小阻力扣件鋪設(shè)范圍的增加，鋼軌總應(yīng)力減小，但當(dāng)鋪設(shè)長(zhǎng)度超過96 m時(shí)，鋼軌總應(yīng)力的減小幅度已不明顯。本橋連續(xù)梁邊跨長(zhǎng)90 m，相鄰簡(jiǎn)支梁橋跨長(zhǎng)32 m，將小阻力扣件布設(shè)在5號(hào)橋墩(伸縮附加力最大處)左側(cè)兩跨簡(jiǎn)支梁和右側(cè)連續(xù)梁邊跨時(shí)，鋼軌總應(yīng)力可顯著減小，有利于無縫線路長(zhǎng)鋼軌的受力。

表5 連續(xù)梁小阻力扣件設(shè)置工況和計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)論及建議

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

(1)連續(xù)梁大溫跨一側(cè)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(yīng)力增加。當(dāng)橋墩剛度增加至一定水平時(shí)(不同橋梁橋墩剛度和跨度增加的幅度不同)，各項(xiàng)應(yīng)力值變化不再明顯，鋼軌總應(yīng)力也逐漸趨于收斂。當(dāng)大溫跨一側(cè)邊跨墩上為固定支座時(shí)，降低其墩剛度可適當(dāng)降低鋼軌總應(yīng)力，降低主跨固定支座墩剛度對(duì)鋼軌總應(yīng)力影響較小。

(2)減小溫跨長(zhǎng)度可有效降低鋼軌總應(yīng)力。溫跨相同時(shí)，溫跨中部活動(dòng)支座的設(shè)置位置對(duì)最大伸縮附加應(yīng)力和最大制動(dòng)應(yīng)力影響較小。

(3)將小阻力扣件布設(shè)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(jiǎn)支梁相接處)的相鄰兩跨簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁邊跨(大于96 m)時(shí)，鋼軌總應(yīng)力可顯著減小。

本文的研究成果可用于指導(dǎo)長(zhǎng)大連續(xù)橋梁設(shè)計(jì)，合理設(shè)置橋墩剛度、橋跨長(zhǎng)度和小阻力扣件鋪設(shè)范圍，可減小無縫線路鋼軌總應(yīng)力，降低斷軌風(fēng)險(xiǎn)。