焦 雷，曲 村，楊志遠(yuǎn)

(1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100037； 4. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，廈門 361000)

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，以橋代路、節(jié)約耕地成為我國(guó)鐵路重要的設(shè)計(jì)理念之一，鐵路建設(shè)中橋梁的比例普遍較高[1-3]。

我國(guó)鐵路橋梁的基本型式為簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋。簡(jiǎn)支梁橋兩端的橋墩上一般分別設(shè)置一個(gè)固定支座和一個(gè)活動(dòng)支座；連續(xù)梁橋一般只在中間的一個(gè)橋墩上設(shè)置固定支座，其余的中間橋墩和邊墩上都設(shè)置活動(dòng)支座。由于活動(dòng)支座處總是存在一定的摩阻力，在溫度荷載和列車荷載作用下，會(huì)給橋梁、軌道及無(wú)縫線路的力學(xué)特性帶來(lái)一些影響[4-11]，可能造成受力與變形增大。

一般說(shuō)來(lái)，橋梁的上部結(jié)構(gòu)為一大質(zhì)量的整體。理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，上部的橋梁結(jié)構(gòu)在溫度荷載、列車豎向荷載和制動(dòng)荷載的共同作用下會(huì)產(chǎn)生平面運(yùn)動(dòng)。因此，活動(dòng)支座處的摩阻力將會(huì)通過(guò)主梁的傳遞，對(duì)固定支座所承受的作用力產(chǎn)生影響。

目前，我國(guó)已陸續(xù)制定了《新建鐵路橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函〔2003〕205號(hào))、《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函〔2004〕157號(hào))、《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函〔2005〕285號(hào))、《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10082—2017)、《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)〔2007〕47號(hào))、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009)、《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10015—2012)、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)等，這些規(guī)范在不同的時(shí)期規(guī)定了橋上無(wú)縫線路縱向力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，反映了我國(guó)橋上無(wú)縫線路的發(fā)展歷程。

但由于現(xiàn)有的鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)活動(dòng)支座處的摩阻力并沒有特殊的規(guī)定，因此在進(jìn)行常規(guī)的理論仿真分析時(shí)一般不考慮活動(dòng)支座處摩阻力的影響，僅考慮固定支座所在橋墩沿橋縱向與梁體固結(jié)，然而，這種算法上的簡(jiǎn)化可能會(huì)使溫度和車輛荷載作用下橋上無(wú)縫線路計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生比較大的偏差。為更加真實(shí)地反映實(shí)際情況，參考國(guó)外規(guī)范的要求[12-13]，在分析溫度荷載和車輛荷載對(duì)橋上無(wú)縫線路的作用時(shí)，應(yīng)該考慮活動(dòng)支座對(duì)橋梁墩臺(tái)的摩擦作用。為此，本文對(duì)活動(dòng)支座摩阻力對(duì)梁軌相互作用的影響進(jìn)行了研究，分析了考慮摩阻力后相關(guān)參數(shù)對(duì)梁軌相互作用的影響。

本文通過(guò)建立考慮活動(dòng)支座摩阻力和不考慮活動(dòng)支座摩阻力的兩種鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路精細(xì)化空間耦合仿真模型[14-16]，研究活動(dòng)支座處摩阻力對(duì)梁軌相互作用的影響，并對(duì)今后分析橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)時(shí)是否考慮活動(dòng)支座處的摩阻力提供建議和參考依據(jù)。

1 模型建立和參數(shù)選取

本文以鋪設(shè)CRTS Ⅰ 型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)大橋梁((60+100+60)m連續(xù)梁)為例進(jìn)行計(jì)算分析，兩側(cè)各考慮5跨32 m簡(jiǎn)支梁作為輔助跨，并且建立了相似參數(shù)的雙塊式和CRTS Ⅱ 型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)大橋梁仿真模型[17-18]，計(jì)算并進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1.1 模型主要部件組成

在溫度荷載和列車荷載作用下，鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、縱向傳力機(jī)構(gòu)(包括扣件)、CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)(包括軌道板、凸形擋臺(tái)、樹脂填充層、砂漿層、底座板等)、橋梁結(jié)構(gòu)(包括梁體、橋墩)等部件組成。本文對(duì)各部件利用有限元模型分別進(jìn)行模擬，所建立的鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路有限元模型如圖1所示。鋪設(shè)雙塊式和CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路有限元模型如圖2所示。橋梁模型示意如圖3所示。

圖1 鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路有限元模型

圖2 鋪設(shè)雙塊式和CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路有限元模型

圖3 橋梁模型示意

1.2 單元模擬和參數(shù)選取

(1) 鋼軌主要考慮其承受溫度變化和車輛豎向及制動(dòng)荷載的作用，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

(2) 扣件主要考慮其限制鋼軌位移與變形的作用，采用彈簧單元進(jìn)行模擬。

(3) 軌道板、凸形擋臺(tái)、樹脂填充層、CA(水泥瀝青)砂漿層和底座板等主要考慮其外形尺寸和材料屬性，均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其中，軌道板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60；凸形擋臺(tái)采用C40級(jí)混凝土，半徑為260 mm；樹脂填充層厚度為40 mm，彈性系數(shù)取10±2 kN/mm；CA砂漿層厚度為50 mm；底座板采用C40級(jí)混凝土。

(4) 橋梁主要考慮其外形尺寸和材料屬性，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，橋墩采用彈簧單元進(jìn)行模擬。

1.3 活動(dòng)支座處的摩阻力系數(shù)

考慮活動(dòng)支座處的摩阻力系數(shù)分別取為0、0.005、0.01、0.02和0.04，基本上可以包括所有類型支座的摩阻力系數(shù)。

2 活動(dòng)支座摩阻力影響分析

2.1 溫度荷載作用影響分析

計(jì)算工況：以鋼軌降溫 50 ℃ 為例，軌道板、底座板參照最新規(guī)范考慮降溫 30 ℃，橋梁也考慮適宜的溫度荷載[19]。在考慮活動(dòng)支座摩阻力系數(shù)分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對(duì)位移如圖4所示，鋼軌伸縮附加力如圖5所示；溫度荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖4 梁軌相對(duì)位移1

圖5 鋼軌伸縮附加力

表1 溫度荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果

分析圖4、圖5和表1可知，在溫度荷載作用下，隨著活動(dòng)支座摩阻力系數(shù)由0至0.04逐漸增大，梁軌相對(duì)位移和橋梁伸縮位移有所減小，說(shuō)明活動(dòng)支座摩阻力在一定程度上限制了梁軌的變形；鋼軌伸縮力略有減??；無(wú)砟軌道各部件(包括軌道板、凸形擋臺(tái)和底座板)受到的應(yīng)力基本不變；長(zhǎng)大連續(xù)梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯增大，兩側(cè)作為輔助跨的簡(jiǎn)支梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯減小。對(duì)比模型計(jì)算得到的規(guī)律與此相同。說(shuō)明在溫度荷載作用下，活動(dòng)支座處的摩阻力對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的受力影響較小，而對(duì)所在橋梁墩臺(tái)的縱向力影響較大。

2.2 列車豎向荷載作用影響分析

計(jì)算工況：列車豎向荷載采用0.8UIC活載即ZK標(biāo)準(zhǔn)荷載，不考慮列車速度系數(shù)的沖擊作用。在考慮活動(dòng)支座摩阻力系數(shù)分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對(duì)位移如圖6所示，鋼軌撓曲附加力如圖7所示；列車豎向荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖6 梁軌相對(duì)位移2

圖7 鋼軌撓曲附加力

表2 在列車豎向荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果

分析圖6、圖7和表2可知，在列車豎向荷載作用下，隨著活動(dòng)支座摩阻力系數(shù)由0至0.04逐漸增大，鋼軌垂向位移略有減小，但幅度不大；梁軌相對(duì)位移變化不大；橋梁跨中撓度也略有減??；鋼軌撓曲力略有增大；無(wú)砟軌道部分部件(包括軌道板和底座板)受到的應(yīng)力略有增大，而凸形擋臺(tái)受到的應(yīng)力略有減??；橋梁支座受力逐漸增大。對(duì)比模型計(jì)算得到的規(guī)律與此相同。說(shuō)明活動(dòng)支座摩阻力對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形影響較小，對(duì)橋梁墩臺(tái)的縱向力影響較大。

2.3 列車制動(dòng)力作用影響分析

計(jì)算工況：列車豎向荷載不變，輪軌黏著系數(shù)取為0.164[20]。在考慮活動(dòng)支座摩阻力系數(shù)分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對(duì)位移如圖8所示，鋼軌制動(dòng)附加力如圖9所示；列車制動(dòng)力作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖8 梁軌相對(duì)位移3

表3 列車制動(dòng)力作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果

分析圖8、圖9和表3可知，在列車制動(dòng)力作用下，隨著活動(dòng)支座摩阻力系數(shù)由0至0.04逐漸增大，梁軌相對(duì)位移有所減??；橋梁縱向位移逐漸減??；鋼軌受到的制動(dòng)力、無(wú)砟軌道各部件(包括軌道板、凸形擋臺(tái)和底座板)受到的應(yīng)力都有所減??；橋梁支座縱向力明顯減小。對(duì)比模型計(jì)算得到的規(guī)律與此相同。說(shuō)明活動(dòng)支座處的摩阻力對(duì)軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形都有一定的約束作用，而在鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算中，不考慮活動(dòng)支座處存在的摩阻力也是偏于安全的。

圖9 鋼軌制動(dòng)附加力

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的精細(xì)化空間耦合仿真模型及對(duì)比模型，分析了活動(dòng)支座處的摩阻力對(duì)軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 在溫度荷載作用下，活動(dòng)支座處的摩阻力在一定程度上限制了軌道與橋梁結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響不大，但對(duì)橋梁墩臺(tái)的縱向力有一定影響，長(zhǎng)大連續(xù)梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯受其影響，設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。因此，在今后的橋梁設(shè)計(jì)中，建議在連續(xù)梁的設(shè)計(jì)中選用抗縱向變形能力較大的固定支座。

(2) 在列車豎向荷載作用下，活動(dòng)支座處的摩阻力對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形影響較小，只是影響了橋梁固定支座所在橋墩的縱向受力，設(shè)計(jì)也可能會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。因此，在以后的橋梁設(shè)計(jì)中，也建議選用抗縱向變形能力較大的固定支座。

(3) 在列車制動(dòng)力作用下，活動(dòng)支座處的摩阻力對(duì)軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形都有一定的約束作用，因此在鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的橋上無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算中，不考慮活動(dòng)支座處的摩阻力是偏于安全的。

(4) 簡(jiǎn)支梁橋兩端的橋墩上一般都分別設(shè)置一個(gè)固定支座和一個(gè)活動(dòng)支座，從整體上講，是否考慮活動(dòng)支座摩阻力，橋墩提供的總剛度都不變，所以影響不大；連續(xù)梁橋一般只在中間的一個(gè)橋墩上設(shè)置固定支座，其余的中間橋墩和邊墩上都設(shè)置活動(dòng)支座，橋墩剛度未被計(jì)入，所以在后續(xù)研究中，還應(yīng)重點(diǎn)考慮長(zhǎng)大連續(xù)梁橋的活動(dòng)支座摩阻力對(duì)梁軌間縱向力傳遞的影響。