高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路力學特性分析

曲 村，高 亮，喬神路

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

1 研究背景

目前，我國部分高速鐵路和客運專線的橋上鋪設了CRTSⅠ型板式無砟軌道。鋪設無砟軌道后，梁軌相互作用機理、計算模型及設計參數與傳統的有砟軌道都有明顯不同。特別是在大跨度連續梁上采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結構之后，其梁軌相互作用機理更加復雜。考慮的不再僅是簡單的梁軌之間相互作用，而是橋梁－無砟軌道－鋼軌相互之間的耦合作用，原有的計算方法可能不再滿足于實際的需要。

國內對于CRTSⅠ型板式無砟軌道的設計與施工進行了一些理論與試驗研究［1～5］，但針對長大橋梁上鋪設的CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路的研究相對較少，在設計和參數的選擇上面臨著新的難題。

針對既有研究的不足，本文在已有研究的基礎之上［6～7］，基于有限元方法，建立了高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路縱橫垂向空間耦合模型。將所建立的空間耦合模型與原有的梁軌簡化模型進行了對比，對空間耦合模型的合理性進行了驗證，并對樹酯填充層彈性模量、砂漿充填層彈性模量和扣件縱向阻力等設計因素的影響規律進行了計算與分析。

2 模型建立

2.1 模型主要部件組成

高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路主要由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺、樹酯填充層、橋梁等結構組成。

2.2 單元模擬與模型建立

(1)鋼軌選用梁單元模擬，按實際截面屬性建模，考慮鋼軌的截面積、慣性矩以及扭轉彎矩等參數。

(2)扣件采用非線性彈簧單元進行模擬，可考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度。扣件的阻力和剛度值均可根據實測值選取。橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路的扣件節點間距取為629 mm。

(3)軌道板采用實體單元進行模擬，可以全面考慮軌道板的幾何尺寸和物理屬性。橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道可采用整體軌道板和框架型軌道板2種結構形式，本文以框架型軌道板為例進行計算與分析。

在32 m簡支梁橋上設2種長度尺寸的軌道板，分別為長3 685 mm的梁端軌道板和長4 962 mm的標準軌道板。梁端軌道板上布置6個扣件，標準軌道板上布置8個扣件。軌道板之間設置70 mm板縫。軌道板實體單元模型如圖1所示。

圖1 梁端軌道板和標準軌道板實體單元模型

(4)軌道板與底座板之間的砂漿充填層采用實體單元進行模擬。充填層與軌道板等長等寬，厚度取為50 mm。砂漿充填層的彈性模量參考相關資料選取，根據不同使用條件的需要可分別取為100～300 MPa(SL-2型)、7 000～10 000 MPa(SL-1型)和20 000～30 000 MPa(SL-3型)。本文一般計算中的彈性模量取為300 MPa，并專門討論不同的砂漿充填層彈性模量對軌道和橋梁結構的受力與變形的影響規律。軌道板和砂漿充填層的實體單元模型如圖2所示。

圖2 軌道板和砂漿充填層實體單元模型

(5)底座板、凸形擋臺以及凸形擋臺周圍的樹酯填充層采用實體單元進行模擬。

凸形擋臺半徑為260 mm。樹酯填充層厚度取為40 mm，彈性模量根據參考文獻［8］取為25 MPa。底座板間設置20 mm的伸縮縫。橋上底座板的伸縮縫對應軌道板的板縫設置，路基地段每隔4塊軌道板設置一個伸縮縫。

底座板與凸形擋臺的實體單元模型如圖3所示，底座板與凸形擋臺以及樹酯填充層的實體單元模型如圖4所示。

圖3 底座板與凸形擋臺實體單元模型

圖4 底座板與凸形擋臺以及樹酯填充層實體單元模型

(6)橋梁采用實體單元進行模擬。簡支梁和連續梁實體單元模型如圖5所示。

圖5 簡支梁和連續梁實體單元模型

(7)橋梁墩臺頂縱橫向剛度采用線性彈簧單元進行模擬。考慮在墩頂面縱橫向水平力作用下的墩身彎曲、基礎傾斜、基礎平移及橡膠支座剪切變形等引起的墩頂位移。

簡支梁橋墩縱向剛度取400 kN/cm，連續梁橋墩縱向剛度取1 500 kN/cm。

(8)由以上各部分組成的高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路的整體計算模型如圖6和圖7所示。圖7 高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路整體計算模型

圖6 高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路整體計算模型(局部)

2.3 模型對比與結果驗證

本文主要以3×32 m簡支梁+(60+100+60)m連續梁+3×32 m簡支梁的雙線鐵路橋為例進行計算與分析。首先采用本文所建立的空間耦合模型和原有的梁軌簡化模型分別進行計算，對得到的鋼軌受力與位移進行對比驗證，如圖8和圖9所示。橫坐標的零點為橋臺與橋梁一側的交界處，橋梁溫度變化取20℃，無砟軌道部分溫度變化取30℃，下同。

圖8 不同模型鋼軌力比較

由圖8、圖9比較可知，本文所建立的空間耦合模型與原有的梁軌簡化模型計算得到的鋼軌受力與位移在線形規律和數值上都非常相近，且由于空間耦合模型考慮了無砟軌道結構的影響，計算所得鋼軌受力與位移偏大，相對較為安全。

圖9 不同模型鋼軌位移比較

由于原有的梁軌簡化模型忽略了無砟軌道結構，無法考慮軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺、樹酯填充層等結構參數的實際影響，而本文所建立的空間耦合模型能夠更詳細地考慮無砟軌道各結構的影響，并能夠得到各部分的詳細計算結果，因此能夠更好地指導設計。本文下面將采用空間耦合模型對各項設計參數的影響規律進行詳細地計算與分析。

3 影響因素分析

3.1 樹酯填充層彈性模量影響分析

本部分比較分析樹酯填充層彈性模量分別為25、50 MPa和100 MPa時的主要溫度力和位移計算結果。樹酯填充層彈性模量為25 MPa條件下的鋼軌受力和鋼軌位移如圖10、圖11所示。不同的樹酯填充層彈性模量條件下的主要溫度力和位移計算結果比較見表1和表2。

圖10 樹酯填充層彈性模量為25 MPa條件下鋼軌力

圖11 樹酯填充層彈性模量為25 MPa條件下鋼軌位移

由表1、表2對比可知，隨著樹酯填充層彈性模量由25、50 MPa到100 MPa逐漸增大，在受力方面:鋼軌縱向力逐漸變大，軌道板、凸形擋臺和樹酯填充層最大應力以及簡支梁和連續梁橋墩最大縱向力也有所增大，而砂漿充填層和底座板的最大應力則略有減小;在位移方面:鋼軌縱向位移逐漸變大，軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺和樹酯填充層以及簡支梁和連續梁端的最大縱向位移也都有所增大。

表1 不同樹酯填充層彈性模量條件下主要受力計算結果

表2 不同樹酯填充層彈性模量條件下主要位移計算結果

由以上計算結果分析得出，在溫度變化的條件下，凸形擋臺周圍的樹酯填充層彈性模量較小時較有利于軌道和橋梁的安全使用，因此應保證樹酯填充層具有足夠的彈性。

3.2 砂漿充填層彈性模量影響分析

本部分比較分析砂漿充填層彈性模量分別為100、300、7 000、10 000、20 000 MPa和30 000 MPa時的主要溫度力和位移計算結果。砂漿充填層彈性模量為7 000 MPa條件下的鋼軌受力和鋼軌位移如圖12和圖13所示。不同的砂漿充填層彈性模量條件下的主要溫度力和位移計算結果比較見表3和表4。

圖12 砂漿充填層彈性模量為7 000 MPa條件下鋼軌力

由表3、表4對比可知，隨著砂漿充填層彈性模量由100、300、7 000、10 000、20 000 MPa到30 000 MPa逐漸增大，在受力方面:鋼軌縱向力逐漸變大，軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺和樹酯填充層最大應力以及簡支梁和連續梁橋墩最大縱向力也有所增大;在位移方面:鋼軌縱向位移逐漸變大，軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺和樹酯填充層以及簡支梁和連續梁端的最大縱向位移也都有所增大。

圖13 砂漿充填層彈性模量為7 000 MPa條件下鋼軌位移

表3 不同砂漿充填層彈性模量條件下主要受力計算結果

表4 不同砂漿充填層彈性模量條件下主要位移計算結果

由以上計算結果分析得出，在溫度變化的條件下，隨著砂漿充填層彈性模量的增大，軌道與橋梁結構的受力與變形都逐漸增大。砂漿充填層的功能主要是全面均勻支撐軌道板和調整軌道高低，其強度足夠，不構成主要問題。僅從無縫線路的角度考慮，采用較小的彈性模量(如300 MPa)即可。

3.3 扣件縱向阻力影響分析

在大跨度橋上無縫線路設計中，為減小梁軌相互作用的影響、降低鋼軌和橋墩承受的縱向力，部分地段鋪設了小阻力扣件。

為比較不同的扣件縱向阻力對軌道和橋梁結構的受力與變形的影響，本部分比較分析扣件縱向阻力分別為 15.0 kN/組(常阻力)、9.0 kN/組、6.5 kN/組和4.0 kN/組(小阻力)時的主要溫度力和位移計算結果。小阻力扣件的鋪設范圍為全橋范圍，扣件阻力－位移曲線參考文獻［9］選取。不同的扣件縱向阻力條件下的鋼軌受力和鋼軌位移比較如圖14和圖15所示。不同扣件縱向阻力條件下的主要溫度力和位移計算結果比較見表5和表6。

圖14 不同扣件縱向阻力條件下鋼軌力比較

圖15 不同扣件縱向阻力條件下鋼軌位移比較

表5 不同扣件縱向阻力條件下主要受力計算結果

表6 不同扣件縱向阻力條件下主要位移計算結果

由以上圖表對比可知，隨著橋上扣件縱向阻力由15.0、9.0、6.5 kN/組到 4.0 kN/組逐漸減小，在受力方面:鋼軌縱向力逐漸變小，軌道板、底座板、凸形擋臺和樹酯填充層最大應力以及簡支梁和連續梁橋墩最大縱向力都有所減小，僅砂漿充填層的最大應力基本保持不變;在位移方面:鋼軌縱向位移逐漸變小，簡支梁端的最大縱向位移也有所減小，而軌道板、砂漿充填層、底座板、凸形擋臺和樹酯填充層以及連續梁端的最大縱向位移則有所增大。

由以上計算結果分析得出，在溫度變化的條件下，通過在橋上采用小阻力扣件即減小橋上扣件的縱向阻力，可以明顯降低鋼軌最大縱向附加力及軌道和橋梁結構的受力，保證軌道和橋梁結構的安全使用。但為了防止鋼軌爬行或者在低溫斷軌時鋼軌斷縫值過大，扣件縱向阻力也不宜太小。當扣件縱向阻力較小時，在長大橋梁的梁端處，扣件的爬行量較大，需要重點加以關注。

4 結論與建議

基于本文的計算條件和計算參數，在溫度變化的條件下，主要得出以下幾點結論。

(1)凸形擋臺周圍的樹酯填充層彈性模量較小時較有利于軌道和橋梁的安全使用，因此應保證樹酯填充層具有足夠的彈性。

(2)隨著砂漿充填層彈性模量的增大，軌道與橋梁結構的受力與變形都逐漸增大。砂漿充填層的功能主要是全面均勻支撐軌道板和調整軌道高低，其強度足夠，不構成主要問題。僅從無縫線路的角度考慮，采用較小的彈性模量(如300 MPa)即可。

(3)通過在橋上采用小阻力扣件即減小橋上扣件的縱向阻力，可以明顯降低鋼軌最大縱向附加力及軌道和橋梁結構的受力，保證軌道和橋梁結構的安全使用。但為了防止鋼軌爬行或者在低溫斷軌時鋼軌斷縫值過大，扣件縱向阻力也不宜太小。當扣件縱向阻力較小時，在長大橋梁的梁端處，扣件的爬行量較大，需要重點加以關注。

高速鐵路長大橋梁CRTSⅠ型板式無砟軌道無縫線路的設計應充分考慮各種因素的影響，具體情況具體分析，綜合比較、合理優化軌道和橋梁結構的各項設計參數，確保結構正常安全使用。

［1］李朝鋒.客運專線減振型CRTSⅠ型板式無砟軌道凸形擋臺設計計算研究［J］.鐵道建筑技術，2009(8):4-6.

［2］黃正華.客運專線橋梁撓曲變形對CRTSⅠ型板式無砟軌道結構受力影響分析［J］.鐵道建筑技術，2009(8):7-9，38.

［3］趙國堂，谷永磊，趙坪銳.高速鐵路內置擋臺板式無砟軌道結構研究［J］.鐵道建筑，2009(9):86 －92.

［4］朱高明.CRTSⅠ型板式無砟軌道施工工藝研究［J］.鐵道標準設計，2009(11):31-34.

［5］另本春，薛模美，吳 榃.武廣鐵路客運專線CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土試驗研究［J］.鐵道建筑，2010(1):159-162.

［6］陳 鵬，高 亮，馮雅薇，許兆義.連續梁橋上無縫線路縱向附加力的變化規律［J］.北京交通大學學報，2007，31(1):85-88.

［7］陳 鵬，高 亮，馬鳴楠.空間鋼桁梁橋上無縫線路梁軌相互作用耦合模型［J］.鋼結構，2007，22(10):28-30.

［8］趙 偉.單元板式無砟軌道傷損及縱向受力分析［D］.成都:西南交通大學，2008.

［9］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.客運專線無砟無縫線路關鍵技術研究［R］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2009.