墩底沉降對(duì)橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道縱向力的影響

張鵬飛，連西妮，桂 昊，雷曉燕，耿琦慧

(華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013)

長(zhǎng)大橋梁和跨區(qū)間無(wú)縫線路具有高平順性、高穩(wěn)定性及跨越能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為我國(guó)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)型式之一[1].這種長(zhǎng)大橋梁墩底下部基礎(chǔ)及臺(tái)后路堤結(jié)構(gòu)[2]往往較復(fù)雜或存在差異，根據(jù)橋上縱連板式(CRTS Ⅱ型板式)軌道的鋪設(shè)方式[3-5]可知，墩底一旦出現(xiàn)工后沉降[6]，支座上的梁體及上部軌道結(jié)構(gòu)將在自重作用下隨之同步產(chǎn)生豎向位移，使得縱連的軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加縱向力[7].墩頂支座、固結(jié)機(jī)構(gòu)、“兩布一膜”滑動(dòng)層及臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)[8]等的共同作用將使梁-板-軌及層間相互作用機(jī)理變得比較復(fù)雜[5]，過(guò)大的縱向力將嚴(yán)重威脅軌道、橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及高速行車(chē)安全[9].

針對(duì)橋墩沉降引起的上部軌道結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題，勾紅葉等[10]針對(duì)多跨簡(jiǎn)支梁橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道，研究了橋墩沉降對(duì)上部鋼軌變形的影響，結(jié)果表明在沉降區(qū)域邊界附近，鋼軌會(huì)產(chǎn)生“上凸”現(xiàn)象，且其幅度隨著沉降量的增加而增大；Chen等[11]從理論上推導(dǎo)了多墩沉降與鋼軌變形的映射關(guān)系，并基于列車(chē)-軌道-橋梁相互作用理論，分析了橋墩沉降對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明雙線32 m簡(jiǎn)支箱梁相鄰橋墩的沉降差值應(yīng)小于26.3 mm[12]，遠(yuǎn)高于規(guī)范限值[13]；胡志鵬等考慮了各橋墩工后均勻沉降和不均勻沉降[14]，以及墩底縱、橫向的差異沉降[15]，分析了其對(duì)橋上無(wú)縫線路縱向力的影響，結(jié)果表明鋼軌縱向力及其高低不平順?lè)稻S著橋墩沉降量的增加而增加，橋墩橫向偏轉(zhuǎn)主要引起軌道長(zhǎng)波不平順且易出現(xiàn)超限，鋼軌縱向力隨著橋墩縱向偏轉(zhuǎn)角度的增加近似呈線性增大.

本文作者基于有限元法和梁-板-軌相互作用原理，分別建立多跨簡(jiǎn)支梁橋和大跨連續(xù)梁橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路空間耦合模型，模型中充分考慮橋梁及軌道結(jié)構(gòu)的空間尺寸及其力學(xué)屬性，力求與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致；針對(duì)各墩底均勻沉降和差異沉降[16]，研究墩底沉降對(duì)梁-板-軌相互作用規(guī)律的影響，分析各墩底均勻沉降及差異沉降條件下軌道及橋梁結(jié)構(gòu)縱向力與位移分布規(guī)律.

1 模型建立

1.1 建立空間耦合模型

分析選取雙線多跨簡(jiǎn)支梁橋和大跨連續(xù)梁橋，其中簡(jiǎn)支梁橋?yàn)?0×32 m ，連續(xù)梁橋?yàn)?×32 m簡(jiǎn)支梁+(70+130+70)m連續(xù)梁+3×32 m簡(jiǎn)支梁，橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路層間相互作用關(guān)系、橋跨及支座布置如圖1所示.

高速鐵路橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的鋼軌、軌道板、底座板等主要結(jié)構(gòu)與扣件、CA砂漿、摩擦板等細(xì)部結(jié)構(gòu)在模型中都需加以詳細(xì)考慮.

采用BEAM 188梁?jiǎn)卧M60 kg/m鋼軌；非線性彈簧單元模擬扣件，其中扣件橫、垂向剛度分別取值為50和35 kN/mm；WJ-7型常阻力扣件在無(wú)載條件下縱向阻力r(單位：kN/m/軌)為

(1)

式中：x表示鋼軌與扣件間的相對(duì)縱向位移,mm.

軌道板為C55預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，寬度和厚度分別為2 550和200 mm；CA砂漿彈性模量取7 000 MPa，寬度和厚度分別為2 550和30 mm；底座板為C30現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，寬度和厚度分別為2 950和190 mm；箱梁為C55預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其中簡(jiǎn)支箱梁為預(yù)制等截面梁、連續(xù)箱梁為現(xiàn)澆變截面梁；摩擦板、端刺、過(guò)渡板為C30混凝土結(jié)構(gòu).以上結(jié)構(gòu)都選用SOLID45實(shí)體單元進(jìn)行模擬，建模時(shí)采用實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及尺寸.

橋梁和底座板、摩擦板和底座板間滑動(dòng)層摩阻力采用非線性彈簧單元模擬，阻力大小等于其上單位長(zhǎng)度自重乘以摩擦系數(shù)，橋上滑動(dòng)層摩擦系數(shù)取0.3，摩擦板上滑動(dòng)層摩擦系數(shù)取0.7；采用線性彈簧單元模擬橋墩/臺(tái)頂固定支座及其上方固結(jié)機(jī)構(gòu)，橋臺(tái)頂、簡(jiǎn)支梁墩頂、連續(xù)梁墩頂及固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向剛度取值分別為300、35、200、10 000 MN/m.

為消除邊界效應(yīng)，橋梁段兩端分別建立了150 m的路基段(包括臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu))來(lái)約束無(wú)縫線路，

圖2即為建立的兩種橋上CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路空間耦合有限元模型.

1.2 主要計(jì)算參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，對(duì)于橋上無(wú)砟軌道，超靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)工后沉降及相鄰墩臺(tái)沉降量之差在滿足如表1所示的限值基礎(chǔ)上，還需考慮沉降差對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響.

表1 無(wú)砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值Tab.1 Post-construction settlement limit of pier foundation of ballastless track with determinate structure

所提取的計(jì)算數(shù)據(jù)中，結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸變形、產(chǎn)生拉(應(yīng))力表現(xiàn)為正值，結(jié)構(gòu)發(fā)生壓縮變形、產(chǎn)生壓(應(yīng))力表現(xiàn)為負(fù)值.其中，鋼軌縱向力最大值為Fr，軌道板、CA砂漿層及底座板縱向應(yīng)力最大值分別為Sts、SCA和Sbp，固結(jié)機(jī)構(gòu)、固定支座橋臺(tái)和橋墩頂縱向力最大絕對(duì)值分別為Fcm、Fa和Fp；鋼軌縱向位移最大值為Dr，軌道板、底座板和橋梁梁體縱向位移最大值分別為Dts、Dbp和Db，底座板橋梁相對(duì)位移最大值為Δbpb.

1.3 計(jì)算假定

1)假定橋臺(tái)底部樁基礎(chǔ)及地質(zhì)條件較好，僅考慮各墩底的工后沉降，不考慮兩側(cè)橋臺(tái)沉降的影響.

2)為使計(jì)算結(jié)果有一定的安全余量且不失一般性，在計(jì)算過(guò)程中墩底沉降量及各墩沉降差的取值均以規(guī)范中的限值為其中一種工況.

3)雙線鐵路梁橋兩側(cè)線路具有對(duì)稱性，分析過(guò)程中均提取不同工況條件下的同一側(cè)線路計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

2 墩底均勻沉降對(duì)無(wú)縫線路的影響

根據(jù)表1中墩臺(tái)均勻沉降量限值，考慮較為不利的實(shí)際情況，分別采用各墩底均勻沉降15、20、25和30 mm 4種工況.各墩底均勻沉降條件下各結(jié)構(gòu)縱向力、位移分布及其最大值如圖3～圖5及表2所示.

由圖3～圖5及表2可知，各橋墩底部基礎(chǔ)工后產(chǎn)生豎向沉降時(shí)，在上部結(jié)構(gòu)自重的影響下梁體及軌道結(jié)構(gòu)將會(huì)同步發(fā)生豎向位移，進(jìn)而引起梁-板-軌相互作用，使得橋梁及軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加縱向力與位移.各墩底發(fā)生均勻沉降時(shí)，由于橋臺(tái)和相鄰橋墩存在沉降差，該跨梁體沉降產(chǎn)生豎向變形，故鋼軌縱向力將在該跨兩端產(chǎn)生反向突變，其峰值均出現(xiàn)在兩側(cè)橋臺(tái)及相鄰墩頂附近，各軌道結(jié)構(gòu)縱向(應(yīng))力、縱向位移及層間相對(duì)位移均隨著墩底沉降量的增加而增大，且增幅明顯；當(dāng)各墩底沉降量相同時(shí)，多跨簡(jiǎn)支梁橋和大跨連續(xù)梁橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向附加力與位移最大值基本相同，且隨著墩底沉降量的增加而線性增大；當(dāng)各橋墩沉降量由15 mm增大至30 mm時(shí)，兩種橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力、縱向位移及層間相對(duì)位移最大值均增大了近2倍.

表2 墩底均勻沉降條件下結(jié)構(gòu)縱向力與位移最大值

3 墩底差異沉降對(duì)無(wú)縫線路的影響

當(dāng)各墩底樁基礎(chǔ)或地質(zhì)條件存在差異時(shí)，各墩底不均勻沉降將通過(guò)墩身及墩頂支座傳遞至梁體.結(jié)合表1中相鄰墩臺(tái)沉降差的限值，考慮較不利的差異沉降工況，見(jiàn)表3，其中多跨簡(jiǎn)支梁橋采用工況1～4，大跨連續(xù)梁橋采用工況5～8.各橋墩底差異沉降條件下各結(jié)構(gòu)縱向力、位移分布及其最大值如圖6～圖8及表4所示.

圖6 墩底差異沉降條件下鋼軌縱向力

圖7軌板相對(duì)位移

Fig.7Relative displacement between rail and slab

由圖6～圖8、表4可知，當(dāng)橋梁中間某1個(gè)墩與其余墩存在沉降差時(shí)，軌道及橋梁結(jié)構(gòu)縱向力與位移均在相鄰橋墩底沉降值出現(xiàn)差異處發(fā)生突變，變化幅度隨著相鄰墩底沉降差值的增加而明顯增大，其他位置處結(jié)構(gòu)縱向力與位移則隨著各墩底總沉降量的增加而增大；當(dāng)橋梁中間某一橋墩與其余墩沉降差為5 mm時(shí)，兩種橋上軌道及橋梁結(jié)構(gòu)縱向力與縱向位移最大值基本一致；當(dāng)橋梁中間某1個(gè)橋墩與其余墩沉降差為10或15 mm時(shí)，多跨簡(jiǎn)支梁橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力最大值略大于大跨連續(xù)梁橋，軌道結(jié)構(gòu)縱向位移的規(guī)律則相反，且隨沉降差值的增加影響明顯增大，兩種橋上固結(jié)機(jī)構(gòu)、固定支座墩臺(tái)頂縱向力最大值相差不大.橋梁中間2～3個(gè)墩與其他墩存在沉降差時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)縱向力最大值均小于僅有某1個(gè)墩存在沉降差的工況，且沉降突變區(qū)外軌道和橋梁結(jié)構(gòu)縱向力及縱向位移變化趨勢(shì)基本一致；橋梁中間2～3個(gè)墩與其他墩沉降差為10 mm時(shí)，大跨連續(xù)梁橋上固結(jié)機(jī)構(gòu)縱向力大于多跨簡(jiǎn)支梁橋；橋梁中間的橋墩存在沉降差且沉降差大于10 mm時(shí)，橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力和軌板相對(duì)位移均大于各墩底發(fā)生均勻沉降的工況，且在僅有某一墩存在沉降差時(shí)更為明顯；軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的縱向位移隨著各墩底總沉降量的增加而增大.

因此，對(duì)于各墩底沿線路縱向地質(zhì)條件存在較大差異的橋梁而言，需嚴(yán)格把控墩底樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工，防止各墩底工后沉降量或沉降差值過(guò)大.

表4 墩底差異沉降條件下結(jié)構(gòu)縱向力與位移最大值

4 結(jié)論

1)各墩底發(fā)生均勻沉降時(shí)，鋼軌縱向力、縱向位移及軌板相對(duì)位移最大值均出現(xiàn)在固定支座橋臺(tái)(左側(cè)橋臺(tái))處，其峰值均出現(xiàn)在兩側(cè)橋臺(tái)及相鄰墩頂附近，鋼軌縱向力與軌板相對(duì)位移均在該處發(fā)生突變；多跨簡(jiǎn)支梁橋和大跨連續(xù)梁橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向附加力與位移最大值基本相同，且隨著墩底沉降量的增加而線性增大.

2)各墩底發(fā)生差異沉降時(shí)，軌道及橋梁結(jié)構(gòu)縱向力與位移均在相鄰橋墩底沉降值突變處發(fā)生突變，且變化幅度隨著相鄰墩底沉降差值的增加而明顯增大，其他位置處結(jié)構(gòu)縱向力與位移則隨著各墩底總沉降量的增加而增大.

3)相鄰橋墩底沉降差大于10 mm時(shí)，橋上軌道結(jié)構(gòu)縱向力和軌板相對(duì)位移均大于各墩底發(fā)生均勻沉降的工況，且在僅有某1個(gè)墩存在沉降差時(shí)更為明顯；軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的縱向位移隨著各墩底總沉降量的增加而增大.

4)對(duì)于各墩底樁基礎(chǔ)或地質(zhì)條件存在較大差異的橋梁而言，需嚴(yán)格把控墩底樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量；避免橋梁中間有且僅有某1個(gè)橋墩與其他墩存在沉降差的情況出現(xiàn).