連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道凸形擋臺(tái)縱向力分析

王 彪，謝鎧澤，張亞爽，王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

無(wú)砟軌道具有軌道平順性好，整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)高度低，幾何狀態(tài)持久，以及低維修量等優(yōu)點(diǎn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，在國(guó)際上日益受到重視，越來(lái)越多的國(guó)家正致力于發(fā)展無(wú)砟軌道工程技術(shù)。

對(duì)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)凸型擋臺(tái)所受縱向力大小數(shù)值及分布規(guī)律研究較少，致使在CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工以及檢修中存在諸多問(wèn)題［1-2］。因此，在跨區(qū)間無(wú)縫線路情況下，研究橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)縱向力特性，計(jì)算凸型擋臺(tái)所受縱向力大小與分布十分必要，可為我國(guó)無(wú)砟軌道進(jìn)一步發(fā)展提供一定的理論指導(dǎo)。

本文根據(jù)板式軌道結(jié)構(gòu)特征，利用ANSYS有限元分析軟件建立橋梁上單元板式無(wú)砟軌道凸形擋臺(tái)的簡(jiǎn)化分析模型。分析了在橋梁伸縮、撓曲作用下連續(xù)橋梁上凸形擋臺(tái)所受縱向力的分布規(guī)律。

1 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)模型

CRTSⅠ型板式軌道主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、CA砂漿調(diào)整層、混凝土底座板和凸形擋臺(tái)組成［3］，如圖1所示。鋼軌、軌道板、底座板和凸形擋臺(tái)的相互作用關(guān)系［4］如圖2所示。

圖1 CRTSⅠ型板式軌道結(jié)構(gòu)

建立32 m簡(jiǎn)支梁、(48+80+48)m連續(xù)梁、32 m簡(jiǎn)支梁鐵路橋梁模型。本計(jì)算模型中忽略底座板和橋梁之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將二者視為一體。橋梁上分別采用小阻力扣件與常阻力扣件進(jìn)行對(duì)比(常阻力扣件阻力值位移為0.2 cm時(shí)取為24 kN/軌。小阻力扣件阻力值位移為0.2 cm時(shí)取為7 kN/軌)，路基上采用常阻力扣件，縱向上以0.625m間距布設(shè)扣件。鋪設(shè)CHN60型鋼軌。鋼軌、軌道板、凸形擋臺(tái)全部采用梁?jiǎn)卧?beam3)，橋梁采用可模擬橋梁撓曲的梁?jiǎn)卧?beam54)。扣件、砂漿層、樹(shù)脂層采用非彈性彈簧單元(combin39)模擬。凸形擋臺(tái)所受剪力由布設(shè)于凸臺(tái)兩端的樹(shù)脂層彈簧力之差獲得。分別計(jì)算了橋梁升溫20℃以及ZK活載位于橋梁最不利位置時(shí)，凸形擋臺(tái)所受縱向力大小及分布規(guī)律。橋梁布設(shè)及力學(xué)模型分別如圖3和圖4所示。

圖2 相互作用關(guān)系

圖3 橋梁布設(shè)

圖4 力學(xué)模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 伸縮工況計(jì)算及分析

本算例在計(jì)算伸縮力的時(shí)候，橋梁和底座板溫差取為20℃，軌道板的溫差取為25℃，僅考慮升溫工況，即橋梁和底座板升溫20℃，軌道板升溫25℃［5］。

橋上全部采用常阻力扣件，凸形擋臺(tái)所受縱向力如圖5所示。規(guī)定向右為正，向左為負(fù)。橋上梁軌相對(duì)位移如圖6所示。

圖5 凸形擋臺(tái)所受縱向力

橋上梁軌相對(duì)位移最大值發(fā)生在連續(xù)梁活動(dòng)支座附近，所以凸形擋臺(tái)所受縱向力在此處最大，即40號(hào)凸臺(tái)，凸臺(tái)所受最大縱向力為142.7 kN。注意雖然41號(hào)凸臺(tái)為連續(xù)梁活動(dòng)端最后一個(gè)，但是它位于連續(xù)梁與簡(jiǎn)支梁中間的梁軌相對(duì)位移的漸變處，此處梁軌相對(duì)位移小于40號(hào)凸臺(tái)處，所以凸臺(tái)與軌道板之間的擠壓相對(duì)減輕，其值減小。21號(hào)凸臺(tái)處并不處于連續(xù)梁固定支座附近，只是該處的梁軌相對(duì)位移最小。

如果橋上全部采用小阻力扣件，則凸形擋臺(tái)所受縱向力如圖7所示。

圖6 梁軌相對(duì)位移

此時(shí)，小阻力扣件凸形擋臺(tái)所受縱向力與常阻力扣件受力走勢(shì)基本一致，且凸臺(tái)所受最大力為112 kN。與常阻力扣件受力相比減小了37 kN。所以，橋上布設(shè)小阻力扣件能夠減輕凸臺(tái)的破壞。

由上述分析可知，連續(xù)梁橋端附近凸臺(tái)所受縱向阻力值最大。凸臺(tái)所受縱向力大小和分布規(guī)律與扣件縱向阻力、橋梁的跨長(zhǎng)及布設(shè)有關(guān)。橋上布設(shè)小阻力扣件能夠減輕凸臺(tái)的破壞。隨著連續(xù)梁橋跨的加長(zhǎng)，凸形擋臺(tái)所受縱向力最大值也會(huì)增大，即凸臺(tái)破壞會(huì)更嚴(yán)重。

圖7 采用小阻力扣件時(shí)凸臺(tái)縱向力

2.2 撓曲工況計(jì)算及分析

本算例在計(jì)算撓曲力作用下，采用ZK活載分別滿(mǎn)布兩跨橋，且計(jì)算列車(chē)左端進(jìn)橋與右端進(jìn)橋工況，取最不利工況進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最不利工況為車(chē)頭左端進(jìn)橋，ZK活載滿(mǎn)布連續(xù)梁固定支座右邊兩跨，如圖8所示。規(guī)定向右為正，向左為負(fù)。凸形擋臺(tái)所受縱向力如圖9所示。鋼軌撓曲力曲線圖如圖10所示。

圖8 ZK活載圖示

圖9 撓曲工況凸形擋臺(tái)受力

圖10 鋼軌撓曲力曲線

對(duì)比鋼軌撓曲力與凸形擋臺(tái)受力圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者曲線走勢(shì)相似。實(shí)際上兩者之間有著密切的聯(lián)系。凸臺(tái)—樹(shù)脂層—軌道板—鋼軌之間傳力特征如圖11所示。

一般鋼軌撓曲力是由扣件對(duì)鋼軌的作用引起的，為了方便尋找規(guī)律，可以認(rèn)為鋼軌撓曲力是由與底座板固結(jié)在一起的凸形擋臺(tái)直接傳給鋼軌的力，直接將扣件阻力等效成凸臺(tái)縱向力。這是因?yàn)榭奂?、砂漿層縱向力與凸形擋臺(tái)力之間存在平衡關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)凸形擋臺(tái)受力圖直接判斷撓曲力圖走向趨勢(shì)，或者反過(guò)來(lái)由撓曲力圖估測(cè)凸形擋臺(tái)受力特征。

圖11 各部件之間傳力特征

此次建模分析中也證明了這一點(diǎn)的正確性，15號(hào)凸臺(tái)對(duì)應(yīng)連續(xù)梁固定支座附近鋼軌最大壓應(yīng)力，16～23號(hào)凸臺(tái)受力方向與15號(hào)凸臺(tái)相反，導(dǎo)致?lián)锨η€走向相反。24號(hào)凸臺(tái)對(duì)應(yīng)連續(xù)梁上鋼軌壓應(yīng)力最大值。25～32號(hào)凸臺(tái)受力方向再次改變，對(duì)應(yīng)鋼軌撓曲力走向再次改變。依次類(lèi)推下去，完全可以由凸臺(tái)受力規(guī)律推測(cè)出鋼軌撓曲力趨勢(shì)。反過(guò)來(lái)也可以根據(jù)撓曲力曲線的正負(fù)性、增減性以及凹凸性來(lái)推測(cè)凸臺(tái)受力特征。撓曲力沿正方向或負(fù)方向增加，說(shuō)明凸形擋臺(tái)受力方向一致。在曲線駐點(diǎn)附近，凸形擋臺(tái)受力方向改變。根據(jù)撓曲力曲線的二次導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值的增減性可以判斷出凸形擋臺(tái)受力增減性，如果絕對(duì)值增大，則相鄰的凸形擋臺(tái)所受縱向力值也增大。并且可以看出由撓曲引起的凸臺(tái)縱向力值很小，最大值僅為10.8 kN。設(shè)計(jì)或檢修時(shí)，可以不必作為重點(diǎn)考慮。

2.3 制動(dòng)工況計(jì)算及分析

本算例在計(jì)算制動(dòng)力作用的時(shí)候，輪軌黏著系數(shù)取0.164，將車(chē)頭放在伸縮力最大處，車(chē)頭后ZK活載布滿(mǎn)鋼軌。規(guī)定向右為正，向左為負(fù)。凸形擋臺(tái)所受縱向力如圖12所示。

圖12 制動(dòng)工況凸形擋臺(tái)受力

由圖12可知，在制動(dòng)工況下，凸形擋臺(tái)縱向力最大值發(fā)生在連續(xù)梁橋跨中位置，凸臺(tái)所受縱向力最大值為28.4 kN。

3 結(jié)論

1)伸縮工況，連續(xù)梁橋凸形擋臺(tái)受力最大值產(chǎn)生在離連續(xù)梁固定支座距離最遠(yuǎn)的活動(dòng)端附近。且凸臺(tái)所受縱向力大小和分布規(guī)律與扣件縱向阻力、橋梁的跨長(zhǎng)及布設(shè)有關(guān)。橋上布設(shè)小阻力扣件能夠減輕凸臺(tái)的破壞。隨著連續(xù)梁橋跨的加長(zhǎng)，凸形擋臺(tái)所受縱向力最大值也會(huì)增大，即凸臺(tái)破壞會(huì)更嚴(yán)重。

2)撓曲工況，只考慮最不利的情況下，即ZK活載滿(mǎn)布連續(xù)梁固定支座一面兩跨的情況，我們完全可以根據(jù)撓曲力曲線的正負(fù)性、增減性以及凹凸性來(lái)推測(cè)凸臺(tái)受力特征。且這種情況下凸臺(tái)受力較小，設(shè)計(jì)或檢修時(shí)，可以不必作為重點(diǎn)考慮。

3)制動(dòng)工況，凸臺(tái)所受縱向力最大值發(fā)生在連續(xù)梁跨中位置。

［1］陳楊.橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道縱向力分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［2］趙偉.單元板式無(wú)砟軌道傷損及縱向受力分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［3］徐凌雁，趙陸青.板式軌道凸形擋臺(tái)檢算［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(增):158-162.

［4］林紅松，許敏，劉學(xué)毅.大跨橋上減振型板式軌道凸形擋臺(tái)受力分析［J］.鐵道建筑，2007(6):8-10.

［5］廣鐘巖，高慧安.鐵路無(wú)縫線路［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.