溫度作用下連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式軌道縱向力影響因素分析

段翔遠 陳 嶸

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

高速客運專線的快速發(fā)展對軌道結(jié)構提出了高平順性、高穩(wěn)定性的技術要求[1]。無砟軌道以其具有的穩(wěn)定性高、剛度均勻性好、結(jié)構耐久性強、維修工作量顯著減少和技術相對成熟等突出優(yōu)點[2]，得到快速發(fā)展與廣泛應用。由于京津城際鐵路線下基礎以橋梁為主，為了能夠高質(zhì)量、高效率地完成工程，京津城際軌道交通采用了一種橋上新型無砟軌道，即CRTSⅡ型板式無砟軌道[3]。大跨橋上縱連板式軌道以溫度力為主要控制荷載，因此，研究橋上鋪設 CRTSⅡ型板式無砟軌道在溫度作用下的縱向力變化特性十分必要?；瑒訉幽Σ料禂?shù)、軌道板和底座板的伸縮剛度變化對梁軌相互作用影響顯著[3]，故本文通過建立橋上 CRTSⅡ型板式無砟軌道的空間模型，以分析連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道不同參數(shù)變化對各部件縱向力的影響。

1 計算模型及參數(shù)

1.1 計算模型

根據(jù)CRTSⅡ型板式軌道部件間相互作用關系，建立橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道非線性空間模型，如圖1所示。其中，鋼軌、軌道板、底座板、摩擦板、橋梁用梁單元模擬。將軌道板與底座板視為一個整體，稱為聯(lián)合板，鋼軌及聯(lián)合板分左、右兩線，分別用兩線梁單元模擬。橋梁當作一個整體，用一線梁單元模擬。鋼軌與聯(lián)合板之間的扣件、聯(lián)合板與橋梁縱向摩擦作用、聯(lián)合板與摩擦板縱向摩擦作用及聯(lián)合板與路基的縱向連接都采用縱向非線性彈簧單元來模擬。聯(lián)合板與橋梁固結(jié)機構作用采用剛度很大的縱向連接彈簧來模擬?？紤]邊界條件對計算結(jié)果的影響，端刺兩端路基上無砟軌道長度取為100 m，兩端固結(jié)。將上述橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向相互作用模型采用有限元法計算。

圖1 橋上CRTSⅡ型板空間一體化計算模型

1.2 計算參數(shù)

橋梁結(jié)構布置簡圖如圖2所示。其中，主橋為16號墩至19號墩的三跨80 m+128 m+80 m的預應力混凝土連續(xù)梁。全橋位于直線段上。摩擦板長度和路基長度取100 m。鋼軌截面積為77.45 cm2，鋼軌彈性模量為 2.1×105MPa，鋼軌線脹系數(shù)為 1.18×10－5/℃，混凝土線脹系數(shù)為 1 ×10－5/℃，軌道板重度為25 kN/m3，軌道板截面積為0.51 m2，軌道板彈性模量為3.5×104MPa，軌道板鋼筋截面積為18.9 cm2，底座板重度為25 kN/m3，底座板截面積為0.649 m2，底座板彈性模量為3.0×104MPa，底座板鋼筋面積為120 cm2。橋梁截面積為簡化計算統(tǒng)一取為8.85 m2。底座板與橋梁固結(jié)剛度為1×109kN/m，端刺縱向剛度為1×108kN/m。扣件縱向阻力根據(jù)德國DS804規(guī)定，無載時為30 kN/m，有載時為60 kN/m。聯(lián)合板上垂直恒定荷載，有載時為64 kN/m，無載時為0。聯(lián)合板與路基阻力取為35 kN/m。對于以上各阻力，均為雙線性，屈服點位移均為0.5 mm。當外界溫度升高時，聯(lián)合板內(nèi)混凝土承受溫度壓力，聯(lián)合板表現(xiàn)出的剛度較大。當外界溫度降低時，聯(lián)合板內(nèi)將呈現(xiàn)出不同的裂縫狀態(tài)，在裂縫處，僅有鋼筋承受拉力，從而引起縱向剛度降低，進一步影響到聯(lián)合板內(nèi)溫度力的降低。故考慮降溫作用下，各影響因素對CRTSⅡ型板式軌道部件縱向力的影響，取鋼軌降溫48℃，板降溫54℃。

圖2 橋梁結(jié)構布置簡圖

2 影響因素分析

2.1 聯(lián)合板縱向伸縮剛度對縱向力的影響

聯(lián)合板縱向伸縮剛度的變化對軌道結(jié)構縱向力的影響較大。為定量分析該參數(shù)的影響，橋梁降溫取20℃，摩擦系數(shù)取 0.7，伸縮剛度折減系數(shù)分別取0.08，0.30兩種情況進行對比計算分析。兩種工況下CRTSⅡ型板式軌道部件的縱向力結(jié)果如表1所示。鋼軌和聯(lián)合板縱向力分布如圖3、圖4所示。

表1 不同伸縮剛度下的最大縱向力 kN

圖3 鋼軌縱向力

圖4 聯(lián)合板縱向力

由表1、圖3、圖4可以看出，降溫時，隨著伸縮剛度的增大，聯(lián)合板、固結(jié)機構、端刺、橋梁最大縱向力明顯增大。鋼軌最大縱向力減小，墩臺頂最大縱向拉力減小，墩臺頂最大縱向壓力增大。伸縮剛度由0.08增加至0.30時，聯(lián)合板最大縱向力增大了175%，端刺最大縱向力增大了273%，鋼軌最大縱向拉力減小了15%。由F=EAαT(式中，α為聯(lián)合板的線膨脹系數(shù)，T為聯(lián)合板溫度)可知，聯(lián)合板內(nèi)溫度力F與伸縮剛度EA成正比，伸縮剛度的增大，相同溫度變化情況下的聯(lián)合板內(nèi)溫度力也隨之成比例增大，而通過摩擦板傳遞至下部基礎上的縱向力受摩擦系數(shù)和摩擦板長度的限制卻有限，從而會引起端刺結(jié)構縱向力的急劇增大。聯(lián)合板剛度增大后，聯(lián)合板在縱向力作用下的位移有所減小，兩者相對位移減小，引起鋼軌縱向力減小。表明聯(lián)合板剛度增大使得橋梁的伸縮變形產(chǎn)生的縱向力會更多地傳給聯(lián)合板。

2.2 滑動層摩擦系數(shù)對縱向力的影響

滑動層摩擦系數(shù)的變化直接影響到聯(lián)合板與橋梁的相互作用程度，橋梁降溫取20℃，伸縮剛度折減系數(shù)取 0.3，摩擦系數(shù)依次取 0.2，0.3，0.5，0.7，1.0 五種工況下的縱向力，見表2。固結(jié)機構縱向力和墩臺縱向力分布如圖5和圖6所示。

表2 不同摩擦系數(shù)下的最大縱向力 kN

圖5 固結(jié)機構縱向力

圖6 墩臺縱向力

由表2、圖5和圖6可以看出，降溫時，隨著摩擦系數(shù)的增大，鋼軌、聯(lián)合板、墩臺、固結(jié)機構、橋梁最大縱向力大都增大，而端刺縱向力基本不變。當滑動摩擦層系數(shù)由0.3增大至1.0時，固結(jié)機構最大縱向力增大了208%，墩臺頂最大縱向拉力、壓力增大了220%，聯(lián)合板最大縱向拉力增大了21%，鋼軌最大縱向拉力增大了16%。由以上分析可知，溫度力由橋梁的伸縮位移通過摩擦傳遞到軌道結(jié)構，隨著滑動摩擦系數(shù)的增大，雖然橋與板的相對位移在減小，但由于摩擦系數(shù)的增大，以致滑動摩擦層所承擔的力增大，固結(jié)機構力增大，墩臺力也隨之增大，表明橋梁的伸縮變形產(chǎn)生的縱向力越來越多地傳遞給軌道結(jié)構，故聯(lián)合板及鋼軌的縱向力增大。

2.3 摩擦板長度對縱向力的影響

為了考慮摩擦板長度以及端刺剛度對縱向力的影響，根據(jù)需要，計算模型取80 m+128 m+80 m的連續(xù)梁。計算時底座板與摩擦板摩擦系數(shù)取0.7，聯(lián)合板伸縮剛度折減系數(shù)取0.3，橋梁降溫取30℃，橋梁與聯(lián)合板摩擦系數(shù)取0.5，摩擦板長度分別取0，20 m，50 m，70 m，100 m。不同摩擦板長度下的最大縱向力如表3所示。

表3 不同摩擦板長度下的最大縱向力 kN

從表3可以看出，降溫作用下，隨著摩擦板長度的增加(從0增加大100 m)，聯(lián)合板最大縱向拉力、端刺以及墩臺頂最大縱向力都減小，固結(jié)機構最大縱向力增大。但是，當摩擦板長度達到大概50 m以后，隨著摩擦板長度的增加，聯(lián)合板、端刺、固結(jié)機構、墩臺頂?shù)淖畲罂v向力變化很小。由以上分析可知，摩擦板長度對端刺受力有很大影響。降溫時，當摩擦板長度從0增加到約 50 m時，端刺受力迅速減小，降幅為20.8%;而摩擦板長度從50 m增加到約100 m時，端刺受力減小了9.6%?？梢?，當摩擦板長度達到約50 m時就能有效減小端刺受力，此后，即使再增加摩擦板長度，對端刺受力的影響已不很顯著。

2.4 端刺剛度對縱向力的影響

計算摩擦板長度取50 m，底座板與摩擦板摩擦系數(shù)取0.7，滑動層摩擦系數(shù)取0.5，伸縮剛度折減系數(shù)取0.3，橋梁降溫取30℃，端刺剛度分別取1×108kN/m，5×107kN/m，1 × 107kN/m，5×106kN/m，1 × 106kN/m。不同端刺剛度下的最大縱向力如表4所示。

表4 不同端刺剛度下的最大縱向力 kN

從表4可以看出，隨著端刺剛度的減小(從1×108kN/m減小到1×106kN/m)，只有端刺最大縱向力明顯減小，降幅達到34.7%，并且隨著端刺剛度的減小，端刺最大縱向力減小得越來越快，而其它縱向力，如聯(lián)合板最大縱向拉力、固結(jié)機構以及墩臺頂最大縱向力變化都很小。

3 結(jié)語

通過建立橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道非線性空間模型，在降溫作用下，分析影響因素對 CRTSⅡ型板式無砟軌道部件縱向力的影響，得出如下結(jié)論:

1)隨著聯(lián)合板伸縮剛度的增大，聯(lián)合板、固結(jié)機構、端刺、橋梁最大縱向力明顯增大。

2)隨著滑動層摩擦系數(shù)的增大，鋼軌、聯(lián)合板、墩臺、固結(jié)機構、橋梁最大縱向力大都增大，而端刺縱向力基本不變。

3)當摩擦板長度達到約50 m時，就能有效減小端刺受力，此后，即使再增加摩擦板長度，對端刺受力的影響已不很顯著。故在一些橋隧相連地段，可適當縮短摩擦板的長度。

4)隨著端刺剛度的減小，只有端刺最大縱向力明顯減小，而其它縱向力，如聯(lián)合板最大縱向拉力、固結(jié)機構以及墩臺頂最大縱向力變化都很小。

[1]劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運專線無砟軌道設計理論與方法[M].成都:西南交通大學出版社，2010:1-2.

[2]何華武.無砟軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社，2005:1-2.

[3]徐錫江.大跨橋上縱連板式軌道縱向力計算研究[D].成都:西南交通大學土木工程學院，2007:1-10.