連續梁橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道凸形擋臺縱向力分析

王 彪，謝鎧澤，張亞爽，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

無砟軌道具有軌道平順性好，整體性強，穩定性好，結構高度低，幾何狀態持久，以及低維修量等優點，社會經濟效益顯著，在國際上日益受到重視，越來越多的國家正致力于發展無砟軌道工程技術。

對CRTSⅠ型板式無砟軌道結構凸型擋臺所受縱向力大小數值及分布規律研究較少，致使在CRTSⅠ型板式無砟軌道結構的設計、施工以及檢修中存在諸多問題［1-2］。因此，在跨區間無縫線路情況下，研究橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道結構縱向力特性，計算凸型擋臺所受縱向力大小與分布十分必要，可為我國無砟軌道進一步發展提供一定的理論指導。

本文根據板式軌道結構特征，利用ANSYS有限元分析軟件建立橋梁上單元板式無砟軌道凸形擋臺的簡化分析模型。分析了在橋梁伸縮、撓曲作用下連續橋梁上凸形擋臺所受縱向力的分布規律。

1 CRTSⅠ型板式無砟軌道結構模型

CRTSⅠ型板式軌道主要由鋼軌、扣件、預制軌道板、CA砂漿調整層、混凝土底座板和凸形擋臺組成［3］，如圖1所示。鋼軌、軌道板、底座板和凸形擋臺的相互作用關系［4］如圖2所示。

圖1 CRTSⅠ型板式軌道結構

建立32 m簡支梁、(48+80+48)m連續梁、32 m簡支梁鐵路橋梁模型。本計算模型中忽略底座板和橋梁之間的相對運動，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行對比(常阻力扣件阻力值位移為0.2 cm時取為24 kN/軌。小阻力扣件阻力值位移為0.2 cm時取為7 kN/軌)，路基上采用常阻力扣件，縱向上以0.625m間距布設扣件。鋪設CHN60型鋼軌。鋼軌、軌道板、凸形擋臺全部采用梁單元(beam3)，橋梁采用可模擬橋梁撓曲的梁單元(beam54)。扣件、砂漿層、樹脂層采用非彈性彈簧單元(combin39)模擬。凸形擋臺所受剪力由布設于凸臺兩端的樹脂層彈簧力之差獲得。分別計算了橋梁升溫20℃以及ZK活載位于橋梁最不利位置時，凸形擋臺所受縱向力大小及分布規律。橋梁布設及力學模型分別如圖3和圖4所示。

圖2 相互作用關系

圖3 橋梁布設

圖4 力學模型

2 計算結果及分析

2.1 伸縮工況計算及分析

本算例在計算伸縮力的時候，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，凸形擋臺所受縱向力如圖5所示。規定向右為正，向左為負。橋上梁軌相對位移如圖6所示。

圖5 凸形擋臺所受縱向力

橋上梁軌相對位移最大值發生在連續梁活動支座附近，所以凸形擋臺所受縱向力在此處最大，即40號凸臺，凸臺所受最大縱向力為142.7 kN。注意雖然41號凸臺為連續梁活動端最后一個，但是它位于連續梁與簡支梁中間的梁軌相對位移的漸變處，此處梁軌相對位移小于40號凸臺處，所以凸臺與軌道板之間的擠壓相對減輕，其值減小。21號凸臺處并不處于連續梁固定支座附近，只是該處的梁軌相對位移最小。

如果橋上全部采用小阻力扣件，則凸形擋臺所受縱向力如圖7所示。

圖6 梁軌相對位移

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

由上述分析可知，連續梁橋端附近凸臺所受縱向阻力值最大。凸臺所受縱向力大小和分布規律與扣件縱向阻力、橋梁的跨長及布設有關。橋上布設小阻力扣件能夠減輕凸臺的破壞。隨著連續梁橋跨的加長，凸形擋臺所受縱向力最大值也會增大，即凸臺破壞會更嚴重。

圖7 采用小阻力扣件時凸臺縱向力

2.2 撓曲工況計算及分析

本算例在計算撓曲力作用下，采用ZK活載分別滿布兩跨橋，且計算列車左端進橋與右端進橋工況，取最不利工況進行分析。經過計算，最不利工況為車頭左端進橋，ZK活載滿布連續梁固定支座右邊兩跨，如圖8所示。規定向右為正，向左為負。凸形擋臺所受縱向力如圖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 撓曲工況凸形擋臺受力

圖10 鋼軌撓曲力曲線

對比鋼軌撓曲力與凸形擋臺受力圖，可以發現兩者曲線走勢相似。實際上兩者之間有著密切的聯系。凸臺—樹脂層—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鋼軌的作用引起的，為了方便尋找規律，可以認為鋼軌撓曲力是由與底座板固結在一起的凸形擋臺直接傳給鋼軌的力，直接將扣件阻力等效成凸臺縱向力。這是因為扣件力、砂漿層縱向力與凸形擋臺力之間存在平衡關系。可以通過凸形擋臺受力圖直接判斷撓曲力圖走向趨勢，或者反過來由撓曲力圖估測凸形擋臺受力特征。

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的正確性，15號凸臺對應連續梁固定支座附近鋼軌最大壓應力，16～23號凸臺受力方向與15號凸臺相反，導致撓曲力曲線走向相反。24號凸臺對應連續梁上鋼軌壓應力最大值。25～32號凸臺受力方向再次改變，對應鋼軌撓曲力走向再次改變。依次類推下去，完全可以由凸臺受力規律推測出鋼軌撓曲力趨勢。反過來也可以根據撓曲力曲線的正負性、增減性以及凹凸性來推測凸臺受力特征。撓曲力沿正方向或負方向增加，說明凸形擋臺受力方向一致。在曲線駐點附近，凸形擋臺受力方向改變。根據撓曲力曲線的二次導數絕對值的增減性可以判斷出凸形擋臺受力增減性，如果絕對值增大，則相鄰的凸形擋臺所受縱向力值也增大。并且可以看出由撓曲引起的凸臺縱向力值很小，最大值僅為10.8 kN。設計或檢修時，可以不必作為重點考慮。

2.3 制動工況計算及分析

本算例在計算制動力作用的時候，輪軌黏著系數取0.164，將車頭放在伸縮力最大處，車頭后ZK活載布滿鋼軌。規定向右為正，向左為負。凸形擋臺所受縱向力如圖12所示。

圖12 制動工況凸形擋臺受力

由圖12可知，在制動工況下，凸形擋臺縱向力最大值發生在連續梁橋跨中位置，凸臺所受縱向力最大值為28.4 kN。

3 結論

1)伸縮工況，連續梁橋凸形擋臺受力最大值產生在離連續梁固定支座距離最遠的活動端附近。且凸臺所受縱向力大小和分布規律與扣件縱向阻力、橋梁的跨長及布設有關。橋上布設小阻力扣件能夠減輕凸臺的破壞。隨著連續梁橋跨的加長，凸形擋臺所受縱向力最大值也會增大，即凸臺破壞會更嚴重。

2)撓曲工況，只考慮最不利的情況下，即ZK活載滿布連續梁固定支座一面兩跨的情況，我們完全可以根據撓曲力曲線的正負性、增減性以及凹凸性來推測凸臺受力特征。且這種情況下凸臺受力較小，設計或檢修時，可以不必作為重點考慮。

3)制動工況，凸臺所受縱向力最大值發生在連續梁跨中位置。

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

［2］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.

［3］徐凌雁，趙陸青.板式軌道凸形擋臺檢算［J］.鐵道標準設計，2006(增):158-162.

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

［5］廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.