橋梁溫度跨度對縱連底座板受力及配筋的影響

陳小平，趙衛(wèi)華

(1.成都大學城鄉(xiāng)建設(shè)學院，成都 610106;2.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)

橋梁溫度跨度對縱連底座板受力及配筋的影響

陳小平1，趙衛(wèi)華2

(1.成都大學城鄉(xiāng)建設(shè)學院，成都 610106;2.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)

考慮軌道與橋梁相互作用特點，建立橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道空間力學模型，分析橋梁溫度跨度對縱連底座板制動力和伸縮力的影響，根據(jù)不同橋梁溫度跨度下的縱向力，按極限狀態(tài)法對縱連底座板進行配筋設(shè)計。結(jié)果表明：當橋梁溫度跨度小于482 m時，縱連底座板最大制動力隨著溫度跨度增加迅速增大，溫度跨度超過482 m后縱連底座板的最大制動力趨于穩(wěn)定;縱連底座板最大伸縮力隨著橋梁溫度跨度線性增大;縱連底座板配筋率增幅小于橋梁溫度跨度的增幅。

CRTSⅡ無砟軌道;縱連底座板;配筋;橋梁溫度跨度

橋梁溫度跨度指兩相鄰固定支座間的距離。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道在應用中為跨越大江大河、高速公路等障礙設(shè)置大跨度連續(xù)梁或剛構(gòu)梁，橋梁溫度跨度大幅增加［1］。列車制動和橋梁伸縮誘發(fā)的軌道與橋梁相互作用在底座板內(nèi)產(chǎn)生縱向力，其大小受橋梁溫度跨度影響［2-5］。縱連底座板是一條鋼軌混凝土板帶結(jié)構(gòu)［6］，運用極限狀態(tài)法按受拉構(gòu)件設(shè)計，設(shè)計中考慮了列車制動和橋梁伸縮引起的底座板制動力和伸縮力［7］。目前探索橋梁溫度跨度增加，底座板內(nèi)伸縮力、制動力及配筋率如何變化的研究較缺乏，橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道相關(guān)研究主要集中在系統(tǒng)縱向受力特性、影響因素及無縫線路穩(wěn)定性等方面［8-11］。

本文擬在把握CRTSⅡ型板式無砟軌道與橋梁縱向作用本質(zhì)的基礎(chǔ)上建立橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道空間力學模型，分析列車制動和橋梁伸縮引起的底座板縱向力隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，依據(jù)不同橋梁溫度跨度的收縮力、降溫力、制動力、溫差力、活載力、伸縮力［12］按極限狀態(tài)法對底座板進行配筋設(shè)計，揭示底座板配筋率隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，為橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的設(shè)計提供參考。

1 底座板縱向力計算

縱連底座板作為橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的核心結(jié)構(gòu)，是無縫鋼軌和下部結(jié)構(gòu)相互作用的紐帶。無縫鋼軌通過扣件系統(tǒng)、軌道板和砂漿將縱向力傳至底座板上，底座板通過滑動層、剪力齒槽將縱向力傳至橋梁，橋梁通過支座將縱向力傳至墩臺基礎(chǔ)。在橋梁兩端的路基上，底座板和端刺、摩擦板發(fā)生縱向作用。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)傳力特點，建立如圖1所示的橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道空間力學模型，計算底座板的縱向力，模型橫向考慮兩股道同時與橋梁發(fā)生縱向相互作用。模型中橋跨及梁型可以根據(jù)實際情況變化。軌道板和底座板通過高彈模砂漿聯(lián)結(jié)成一條混凝土拉帶，軌道板和底座板縱向協(xié)同變形，可作為一個整體考慮。設(shè)計中軌道板預設(shè)裂縫允許開裂，可認為混凝土拉帶的縱向力完全由底座板承受，因此模型中考慮鋼軌通過扣件直接和底座板縱向相互作用。模型采用有限單元法求解，將鋼軌、底座板和橋梁用2節(jié)點空間桿單元模擬。扣件縱向阻力、滑動層阻力、摩擦板阻力、路基阻力采用2節(jié)點非線性彈簧模擬，其剛度非線性變化規(guī)律同阻力變化。墩臺頂縱向水平剛度、端刺和剪力齒槽的縱向剛度均采用線性彈簧模擬。

圖1 底座板縱向力計算模型

以某客運專線連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道為基本研究對象，該橋梁跨及支座布置如圖2所示，左側(cè)11跨32 m簡支梁，中間一聯(lián)75 m+125 m+75 m連續(xù)梁，右側(cè)12跨32 m簡支梁，該橋最大溫度跨度為232 m。橋梁固定支座處墩臺頂縱向水平剛度見表1，固定支座編號從左往右依次編號，活動支座不參與編號。

圖2 橋跨及支座布置

表1 固定支座處墩臺頂縱向水平剛度 kN/cm

鋼軌參數(shù)、底座板截面尺寸、滑動層摩擦阻力、扣件阻力、路基阻力、端刺剛度、剪力齒槽剛度等計算參數(shù)取值同文獻［10］“參數(shù)取值”部分。

2 制動力影響

分別對 232、357、482、607、732、857 m 和 982 m 的最大溫度跨度下的底座板制動力進行計算。不同最大溫度跨度以圖2所示橋跨布置為基礎(chǔ)，增加連續(xù)梁中間125 m大跨的數(shù)量，固定支座位置保持不變。依據(jù)文獻［2］的研究結(jié)果，列車制動力從連續(xù)梁固定支座開始作用于溫度跨度較大一側(cè)時，底座板內(nèi)的制動力最大。因此各工況計算列車制動力均作用在連續(xù)梁固定支座右側(cè)300 m范圍內(nèi)的鋼軌上，大小為一股道16 kN/m，僅考慮一股道制動。

底座板最大制動力隨溫度跨度的變化如圖3所示。圖4給出了幾種代表性溫度跨度的底座板制動力縱向分布。

圖3 最大制動力隨溫度跨度的變化

圖4 底座板制動力縱向分布

由圖3可知，底座板制動力隨著溫度跨度增加非線性增大，當溫度跨度小于482 m時底座板最大制動力隨著溫度跨度迅速增大，當溫度跨度大于482 m時底座板最大制動力幾乎不變，482 m的溫度跨度是個分界值。出現(xiàn)這一規(guī)律的原因是，482 m以上的溫度跨度能保證列車制動力全部作用在連續(xù)梁上，并且制動力終點距相鄰簡支梁上剪力齒槽超過了180 m，相鄰簡支梁上剪力齒槽對連續(xù)梁上底座板的受力影響已很小。圖4表明底座板最大制動力出現(xiàn)的位置在連續(xù)梁固定支座處，不隨溫度跨度的增加而改變。

3 伸縮力影響

溫度變化致橋梁伸縮，底座板與橋梁發(fā)生縱向相對位移，滑動層摩擦阻力致底座板產(chǎn)生縱向力，簡稱為伸縮力。本文伸縮力影響分析不考慮底座板自身的溫降，僅考慮橋梁降溫20℃。不同溫度跨度的橋跨布置方式同制動力影響部分，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 底座板伸縮力縱向分布

由圖5可知，底座板伸縮力隨橋梁溫度跨度增加線性增大，增幅約為1.5～2.0 kN/m。原因是底座板和橋梁相對位移超過0.5 mm后，二者之間的滑動層摩擦阻力已達最大值，此后不再隨相對位移的增加而增大。連續(xù)梁上溫度跨度超過232 m部分的相對位移已超過0.5mm，此部分底座板各點的滑動層摩擦阻力大小不變，阻力總和隨著作用長度增加線性增大。圖5還表明，底座板伸縮力最大值出現(xiàn)在連續(xù)梁溫度跨度較大一側(cè)的梁縫處。

4 配筋影響

底座板的縱向荷載效應包括收縮力、降溫力、制動力、溫差力、活載力、伸縮力［12］。文獻［12］在文獻［7］的基礎(chǔ)上，提出了考慮伸縮力的底座板配筋計算方法。以文獻［7］和文獻［12］兩種方法對不同溫度跨度下的底座板配筋率進行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 底座板配筋率 %

計算時收縮力的收縮徐變效應按降溫30℃等效，降溫力按降溫幅度40℃(底座板鋪設(shè)完成時溫度為20℃，當?shù)刈畹蜌鉁貫?20℃)考慮。溫差力為412 kN，由于該值是通過試驗獲得，設(shè)計中考慮1.2的安全系數(shù)，則設(shè)計中采用的溫差力為494.4 kN。列車活載引起橋梁撓曲在底座板內(nèi)產(chǎn)生的縱向力按240 kN考慮，該值是以梁端容許轉(zhuǎn)角作為控制條件計算所得，因此可以適用于所有橋梁。不同溫度跨度對應的制動力和伸縮力采用本文所建的橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道空間力學模型計算。圖6為兩種方法最大配筋率隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，圖中配筋率為兩種極限狀態(tài)的配筋率最大值。

圖6 底座板配筋率與溫度跨度的關(guān)系

從表2和圖6可看出以下幾點。

(1)不考慮伸縮力，正常使用和承載力極限狀態(tài)以溫度為主的底座板配筋率均不隨著橋梁溫度跨度的增加而變化，其原因是這兩種狀態(tài)的制動力和活載力的組合系數(shù)均為0，而溫差力、收縮力和降溫力又不隨橋梁溫度跨度變化。考慮伸縮力，底座板配筋率隨橋梁溫度跨度增加而增大，可靠性更高。

(2)以荷載為主的組合方式控制底座板配筋設(shè)計。不考慮伸縮力的底座板所需配筋率隨溫度跨度的變化規(guī)律是非線性的，溫度跨度超過482 m后配筋率幾乎不增加，這是由最大制動力趨于穩(wěn)定所致。考慮伸縮力的底座板配筋率隨溫度跨度的增加逐漸增大，當溫度跨度超過732 m后，底座板的配筋率由承載力極限狀態(tài)荷載為主控制，不再由正常使用極限狀態(tài)荷載為主控制。

(3)橋梁最大溫度跨度從232 m增加至982 m時，不考慮伸縮力的底座板最大配筋率從2.31%增至2.57%，考慮伸縮力從2.41%增至2.97%，增幅分別為11.3%和23.2%，橋梁溫度跨度增幅為323.3%，底座板配筋率的增幅小于橋梁溫度跨度的增幅。

(4)不考慮伸縮力，當橋梁溫度跨度小于357 m時底座板最大配筋率增加較快，當橋梁溫度跨度達到482 m后底座板最大配筋率不再隨橋梁溫度跨度增長而增加。考慮伸縮力，底座板最大配筋率隨橋梁溫度跨度增長總是呈增加趨勢，并且存在357 m和732 m兩個拐點，當橋梁溫度跨度小于357 m時底座板最大配筋率增加較快，此后放緩，超過732 m后再次加快。

5 結(jié)論

考慮鋼軌、扣件、底座板、滑動層、剪力齒槽、橋梁、墩臺、端刺和摩擦板相互作用，運用橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道空間力學模型，可以得到橋梁溫度跨度對底座板制動力和伸縮力的影響規(guī)律。當橋梁溫度跨度小于482 m時，制動力隨著溫度跨度增加迅速增大，溫度跨度超過482 m后，底座板的最大制動力趨于穩(wěn)定。伸縮力隨著橋梁溫度跨度增加線性增大，增加幅度為1.5～2.0 kN/m。

縱連底座板是以拉壓受力為主的鋼筋混凝土構(gòu)件，根據(jù)底座板所受的各種縱向力按極限狀態(tài)法進行配筋設(shè)計合理可行。不考慮伸縮力，橋梁溫度跨度達到482 m以上時底座板最大配筋率不再改變。考慮伸縮力，底座板最大配筋率隨橋梁溫度跨度非線性增加，存在357 m和732 m兩個拐點。是否考慮伸縮力的影響，底座板最大配筋率的增幅均小于橋梁溫度跨度的增幅。

本文分析了縱連底座板配筋率隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，如能從斷面尺寸、保護層厚度和鋼筋間距等方面確定底座板的容許配筋率，則可根據(jù)底座板容許配筋率分析橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道橋梁溫度跨度限值，本文計算方法和分析結(jié)果可為這一研究提供有益參考。

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Influence of Bridge Temperature Span on Stress State and on Reinforcing Bars of Longitudinally-continuous Base Layer

CHEN Xiao-ping1，ZHAO Wei-hua2
(1.School of Urban and Rural Construction，Chengdu University，Chengdu 610106，China;2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In view of the characteristics of the interaction between track and bridge，a spatial mechanical model of CRTS-Ⅱslab ballastless track on a bridge was established.And then for the longitudinallycontinuous base layer(LCBL)，the influences of the bridge temperature span on the braking force and on the expansion/contraction force were analyzed.Furthermore，based on different longitudinal forces corresponding to different bridge temperature spans，the reinforcing bars of the LCBL were calculated and designed by the limit state design method.The results show that the maximal braking force of the LCBL increases rapidly with the increasing of the bridge temperature span when the bridge temperature span is less than 482 meters，but tending towards stability when the bridge temperature span is greater than 482 meters.Moreover，the maximal expansion/contraction force of the LCBL increases linearly with the increasing of the bridge temperature span.In addition，the increasing range of reinforcement ratio of the LCBL is smaller than that of the bridge temperature span.

CRTS-Ⅱballastless track;longitudinally-continuous base layer;reinforcing bars;bridge temperature span

U441+.7;U213.2+44

A

1004-2954(2013)10-0006-04

2013-03-11;

2013-03-23

福建省自然科學基金資助項目(2011J05120);鐵道部科技研究開發(fā)計劃資助項目(2010G006-B);西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室開放研究基金資助項目(2011-HRE-04)

陳小平(1978—)，男，副教授，工學博士，E-mail:cxp193@163.com。