郝曉成 米洋

中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308

無縫線路軌道結(jié)構(gòu)由于沒有鋼軌普通接頭，平順性大幅提高，軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性增強(qiáng)，成為現(xiàn)代軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-3］。隨著我國(guó)軌道設(shè)備質(zhì)量不斷提升，既有線軌道無縫化改造成為線路提質(zhì)增效的重要手段。既有線不可避免地存在多聯(lián)大跨度鋼桁橋，相比普通橋上無縫線路，其梁軌相互作用更為復(fù)雜。鋼桁橋橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案成為制約既有線軌道無縫化改造的主要因素。

梁軌相互作用是橋上無縫線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［4-5］通過鋼軌軸向平衡微分方程研究了橋上無縫線路的附加力。文獻(xiàn)［6-8］針對(duì)斜拉橋、懸索橋等不同橋型的橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究。既有研究大多針對(duì)新建線路橋上無縫線路，而鮮有既有線鋼桁橋明橋面橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案的研究。

本文基于一多聯(lián)大跨度鋼桁橋上無縫線路，建立線-橋-墩一體化模型，提出全橋鋪設(shè)常阻力扣件、連續(xù)梁邊跨及相鄰簡(jiǎn)支梁鋪設(shè)小阻力、連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)零阻力扣件、連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器、連續(xù)梁跨中鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器五種設(shè)計(jì)方案。通過進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算，對(duì)比得出橋上無縫線路最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以期為鐵路鋼桁橋上無縫線路設(shè)計(jì)檢算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 模型及方案設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算模型

橋上無縫線路計(jì)算模型如圖1 所示。將鋼軌、橋梁離散成有限個(gè)梁?jiǎn)卧?；扣件及道床縱向阻力特征采用非線性彈簧單元來模擬；橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向剛度采用線性彈簧單元來模擬。模型中，考慮連續(xù)梁兩側(cè)各5 跨簡(jiǎn)支梁范圍內(nèi)的鋼軌及扣件單元，以消除邊界條件對(duì)橋上無縫線路縱向力和位移計(jì)算的影響。

圖1 線-橋-墩一體化計(jì)算模型

模型中，橋梁的縱向位移及制（啟）動(dòng)力是主動(dòng)作用，通過梁軌間的縱向約束帶動(dòng)長(zhǎng)軌條發(fā)生縱向位移，在長(zhǎng)軌條中產(chǎn)生縱向附加力；同時(shí)梁軌間的縱向約束力以相反方向作用在橋梁上，并傳遞至固定支座上，帶動(dòng)墩臺(tái)產(chǎn)生縱向位移，使橋梁翼緣的縱向位移發(fā)生改變。可見，線、橋、墩是相互作用的耦合系統(tǒng)。通過求解該系統(tǒng)的平衡位置，即可得到鋼軌中的縱向力、位移，橋梁縱向位移，墩臺(tái)縱向力及位移。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

1）軌道參數(shù)：60 kg/m鋼軌；Ⅲ型混凝土軌枕；彈條Ⅴ型扣件及小阻力扣件；鋼橋明橋面采用木枕，K型扣件；最高軌溫60.9 ℃，最低軌溫-22.2 ℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫（29 ± 5）℃。

2）溫度荷載：有砟軌道鋼梁溫差取25 ℃；混凝土梁溫差取15 ℃；無砟軌道混凝土梁溫差取30 ℃。

3）列車設(shè)計(jì)荷載：既有鋼桁橋采用圖2 所示的中—活載；輪軌黏著系數(shù)取0.164，荷載加載長(zhǎng)度不超過400 m；設(shè)計(jì)軸重為25 t。

圖2 中—活載（尺寸單位：m）

4）道床及扣件縱向阻力：對(duì)于有砟橋，約束阻力為道床阻力；對(duì)于明橋面，約束阻力為扣件阻力?？奂暗来沧枇⒖糡B 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》。

1.3 設(shè)計(jì)方案

該橋梁全長(zhǎng)2.883 km，孔跨布置為55 × 32 m簡(jiǎn)支T 梁+（48+3 × 64+48）m 連續(xù)鋼桁梁+24 × 32 m 簡(jiǎn)支T梁，橋梁位于直線及半徑1 000 m 的曲線上。為消除邊界效應(yīng)影響，按5 × 32 m+（48+3 × 64+48）m+5 × 32 m進(jìn)行計(jì)算。

為得出多聯(lián)大跨度鋼桁梁橋上無縫線路最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)五種方案（圖3）的鋼軌強(qiáng)度、軌道穩(wěn)定性和斷縫值進(jìn)行檢算。

圖3 多聯(lián)大跨度鋼桁梁橋上無縫線路方案設(shè)計(jì)（單位：m）

方案一：全橋鋪設(shè)常阻力扣件。

方案二：連續(xù)梁邊跨及相鄰簡(jiǎn)支梁鋪設(shè)小阻力扣件，其余地段鋪設(shè)常阻力扣件方案。

方案三：連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)零阻力扣件，其余地段鋪設(shè)常阻力扣件方案。

方案四：連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器，其余地段鋪設(shè)常阻力扣件方案。

方案五：連續(xù)梁跨中鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器，其余地段鋪設(shè)常阻力扣件。

2 檢算及對(duì)比

2.1 全橋鋪設(shè)常阻力扣件及局部鋪設(shè)小阻力扣件方案

TB 10015—2012 規(guī)定，應(yīng)減少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置。因此首先對(duì)全橋鋪設(shè)常阻力扣件方案（方案一）及局部鋪設(shè)小阻力扣件方案（方案二）進(jìn)行檢算。

2.1.1 鋼軌伸縮附加力

方案一與方案二的鋼軌伸縮附加力計(jì)算結(jié)果見圖4?？芍桨敢?、方案二的鋼軌伸縮附加力最大值分別為691.81、538.01 kN，鋪設(shè)小阻力扣件后鋼軌伸縮附加力明顯減小，均出現(xiàn)在連續(xù)梁右端的連續(xù)鋼桁橋與簡(jiǎn)支梁梁縫處，距左橋臺(tái)448 m。

圖4 方案一與方案二鋼軌伸縮附加力

2.1.2 制（啟）動(dòng)力

由鋼軌伸縮附加力計(jì)算結(jié)果可知，最不利荷載位置為連續(xù)梁右端。計(jì)算制（啟）動(dòng)力時(shí)按最不利工況加載，列車從左側(cè)入橋，列車車頭在距左端橋臺(tái)448 m處，荷載作用在288 m 橋跨上。方案一與方案二的制（啟）動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見圖5。可知，方案一、方案二的制（啟）動(dòng)力最大值分別為480.16、453.67 kN，采用小阻力扣件后制（啟）動(dòng)力略有減小。

圖5 方案一與方案二制（啟）動(dòng)力

2.1.3 斷縫值

斷縫值的檢算關(guān)系到行車安全及是否需要采用伸縮調(diào)節(jié)器，是橋上無縫線路設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，橋上無縫線路兩股或多股鋼軌同時(shí)折斷的概率極小，因此只考慮單根鋼軌折斷情況。

考慮最不利工況：鋼軌降溫56.9 ℃；斷縫設(shè)置在伸縮力較大的288 m 鋼桁梁右端（距左橋臺(tái)448 m）。方案一與方案二的斷縫值計(jì)算結(jié)果見圖6?？芍?，方案一、方案二的斷縫值分別為50.26、69.60 mm。采用小阻力扣件后，由于阻力值變小，斷縫值增大，但均小于TB 10015—2012規(guī)定的70 mm。

圖6 方案一與方案二斷縫值

2.1.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算

根據(jù)TB 10015—2012，鋼軌容許應(yīng)力為363 MPa。方案一與方案二鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性檢算結(jié)果分別見表1、表2?？芍撥墢?qiáng)度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性滿足要求。這說明鋪設(shè)常阻力或小阻力扣件鋼軌應(yīng)力較大，方案不可行。

表1 方案一與方案二鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果

表2 方案一與方案二穩(wěn)定性檢算結(jié)果

2.2 連續(xù)鋼桁梁邊跨布設(shè)零阻力扣件方案

零阻力扣件，顧名思義就是縱向阻力為0，只有垂向約束作用的扣件［9-10］?；跍p少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置數(shù)量的原則，對(duì)連續(xù)鋼桁梁邊跨布設(shè)零阻力扣件方案（方案三）進(jìn)行檢算。

2.2.1 鋼軌伸縮附加力

方案三的鋼軌伸縮附加力計(jì)算結(jié)果見圖7。可知，鋼軌伸縮附加力為383.32 kN，出現(xiàn)在連續(xù)梁右邊跨，明顯比方案一、方案二有所減小。

初始階段。對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理操作，由Job－Client把數(shù)據(jù)集切片為 的形式并發(fā)送到JobTracker，Job1啟動(dòng)時(shí)從InputSplit中加載切片信息作為Map函數(shù)的輸入。

圖7 方案三鋼軌伸縮附加力

2.2.2 制（啟）動(dòng)力

按照最不利工況加載，列車從左側(cè)入橋，整列車加載到連續(xù)梁上。方案三的制（啟）動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見圖8?？芍?，方案三制（啟）動(dòng)力最大值為341.39 kN，明顯比方案一、方案二有所減小。

圖8 方案三制（啟）動(dòng)力

2.2.3 斷縫值

按照最不利工況加載計(jì)算方案三斷縫值，結(jié)果見圖9。可知，方案三斷縫值為102.27 mm，與方案一、方案二相比明顯增大，且大于TB 10015—2012 規(guī)定的一般值70 mm、困難值90 mm。

圖9 方案三斷縫值

2.2.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算

對(duì)方案三鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，結(jié)果表明：鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力、伸縮附加應(yīng)力、制動(dòng)應(yīng)力分別為124.9、141.1、49.5、44.1 MPa，應(yīng)力合計(jì)359.6 MPa，小于容許應(yīng)力（363 MPa），滿足要求；允許溫升59.5 ℃，實(shí)際溫升36.5 ℃，滿足要求。

綜上，方案三的鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，但鋼軌斷縫值不滿足要求。方案三不可行。

2.3 鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案

鋪設(shè)常阻力、小阻力及零阻力扣件方案均不可行，因此需進(jìn)行連續(xù)鋼桁梁鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案研究。連續(xù)梁鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器包括邊跨鋪設(shè)（方案四）及跨中鋪設(shè)（方案五）兩種方案。

2.3.1 鋼軌伸縮附加力+基本溫度力

圖10 方案四與方案五鋼軌伸縮附加力+基本溫度力

2.3.2 制（啟）動(dòng)力

鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器后，按最不利工況加載時(shí)制（啟）動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見圖11?？芍?，方案四、方案五的制（啟）動(dòng)力最大值分別為240.43、480.16 kN。

圖11 方案四與方案五制（啟）動(dòng)力

2.3.3 斷縫值

鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器后，考慮斷縫出現(xiàn)在最不利工況下，斷縫值計(jì)算結(jié)果見圖12?？芍桨杆?、方案五斷縫值分別為48.55、48.56 mm，滿足TB 10015—2012限值70 mm的要求。

圖12 方案四與方案五斷縫值

2.3.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算

方案四與方案五的鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性檢算結(jié)果分別見表3、表4。可知，連續(xù)梁邊跨設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，鋼軌斷縫值也滿足要求；連續(xù)梁跨中設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，鋼軌強(qiáng)度不滿足要求。因此，連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案可行。

表3 方案四與方案五鋼軌強(qiáng)度檢算

表4 方案四與方案五穩(wěn)定性檢算

3 結(jié)論

1）全橋鋪設(shè)常阻力扣件，鋼軌強(qiáng)度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性滿足要求，斷縫值滿足要求，故方案一不可行。

2）鋼桁梁邊跨及相鄰簡(jiǎn)支梁鋪設(shè)小阻力扣件，其余地段鋪設(shè)常阻力扣件，鋼軌強(qiáng)度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性、斷縫值均滿足要求，故方案二不可行。

3）鋼桁梁邊跨鋪設(shè)零阻力扣件，其余地段鋪設(shè)小阻力扣件，鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，但斷縫值不滿足要求，故方案三不可行。

4）連續(xù)梁兩端鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器，鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，斷縫值滿足要求，故推薦連續(xù)梁兩端鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案。

5）連續(xù)梁跨中設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器，鋼軌強(qiáng)度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性滿足要求，斷縫值滿足要求，故方案五不可行。

本研究成果可為鐵路鋼桁橋上無縫線路設(shè)計(jì)檢算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。