橋上無砟軌道縱連板斷裂梁軌相互作用分析

錢　程，沈彬然，王　冠，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）

橋上無砟軌道縱連板斷裂梁軌相互作用分析

錢程，沈彬然，王冠，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）

高速鐵路橋上無砟軌道縱連板出現了不同程度的軌道板或底座板開裂甚至斷裂。本文采用有限元方法建立線-板-橋-墩一體化計算模型，對縱連板斷裂條件下的梁軌相互作用予以分析。結果表明:軌道板斷裂后，相鄰橋跨及鄰線軌道板縱向力變化較小，但斷板處底座板的縱向拉力急劇增大，存在底座板斷裂的風險；底座板斷裂對相鄰橋跨及鄰線軌道板影響較大，導致軌道板及鋼軌受力增大且較大范圍內的CA砂漿脫黏；軌道板與底座板同時斷裂對梁軌系統的影響最大，致使連續梁上鋼軌受力接近其允許限值，應以此確定縱連板所能允許鋪設的最大溫度跨度；當一線的軌道板、底座板和鋼軌均發生斷裂時，另一線亦將如此，最終導致橋墩因受力超限而傾斜。

縱連板；梁軌相互作用；斷板力；無縫線路

橋上縱連板式無砟軌道有別于傳統有砟軌道和橋上單元式無砟軌道，特點是橋上各層結構縱向連續［1-4］，梁軌相互作用更為復雜。具體表現在：底座與梁面設置有摩擦系數較小的滑動層，可以有效減小溫度變化和列車荷載所引起的梁軌相互作用力，進而減少軌道和橋梁承受的縱向附加力［5-9］；列車制動力可通過固定支座處的剪力齒槽直接傳遞至橋梁墩臺；臺后路基上設置的摩擦板、端刺等結構可起到縱向約束連續底座板的作用；在遭遇極端低溫的情況下，軌道板和底座板在內部溫度應力的作用下會發生斷裂［10-11］。本文對橋上縱連板斷裂條件下的梁軌相互作用進行分析，為橋上縱連板式無砟軌道的養護維修提供參考。

1　計算模型

1.1力學模型

橋上縱連板式無砟軌道無縫線路計算模型見圖1。模型中考慮鋼軌、軌道板、底座板、摩擦板、橋梁、墩臺、端刺、扣件系統、乳化瀝青砂漿層、兩布一膜滑動層、兩布摩擦層等部件的縱向作用，分別采用梁單元、桿單元或彈簧單元來模擬，底座板側向擋塊主要約束軌道板和底座板的橫向位移、底座板的豎向位移，而允許軌道板、底座板的縱向伸縮，因而可不考慮該部件的影響。沿線路橫向可建立單軌、單線和整橋模型。

圖1　橋上縱連板式無砟軌道無縫線路計算模型

1.2計算參數

分別以一座5×32.5 m簡支梁橋和一座2×32.5 m簡支梁+（32.5+48.1+32.5）m連續梁橋+2×32.5 m簡支梁橋為例進行分析。后者橋跨及支座布置見圖2。

圖2　連續梁橋跨及支座布置

計算時選用60 kg/m鋼軌。軌道板高為200 mm，寬為2 550 mm，混凝土強度等級為C50。底座板高為200 mm，寬為2 950 mm，混凝土強度等級為C40。每一股道的扣件縱向阻力取為30 kN/m，底座板與橋梁間的摩擦阻力等于摩擦系數乘以單位長度軌道自重。

2　計算結果及分析

計算時假設簡支梁在右橋臺處發生斷板，連續梁在主橋右端發生斷板。

2.1軌道板斷裂

軌道板斷裂鋼軌附加縱向力分布見圖3，斷板線軌道部件位移分布見圖4。由圖3可見：軌道板斷裂后斷板線鋼軌的附加拉力顯著增大，簡支梁上鋼軌最大附加拉力約為98.7 kN，連續梁上約為105.7 kN；非斷板線鋼軌附加拉力也有所增大，但增幅較小。由圖4可見：軌道板斷裂后向兩側回縮，在簡支梁上形成的斷縫約3.0 mm，連續梁上形成的斷縫約3.1 mm，軌道板斷縫值不大，主要是由于CA砂漿的黏結阻力較大；斷縫附近軌道板與底座板的相對位移較大，簡支梁上最大相對位移約1.6 mm，連續梁上約1.7 mm，兩板間相對位移＞0.5 mm的長度約6.5 m。這說明一塊軌道板范圍內的CA砂漿已脫黏，若考慮脫黏范圍內黏結阻力降低，則軌道板斷縫值還會有所增大，CA砂漿的脫黏范圍會加大。可見，軌道板斷裂對無砟軌道結構的整體穩定性有較大影響。若要較為準確地計算斷板后軌道板與底座板間的脫黏范圍則需要考慮建立板間黏結阻力分布的梁軌系統模型，并采用迭代逼近法來求解。

圖3　鋼軌附加縱向力分布

圖4　斷板線軌道部件位移分布

軌道板及底座板的縱向力分布見圖5，剪力齒槽及橋梁墩臺所受縱向力見圖6。可見：軌道板斷裂后相鄰橋跨及鄰線軌道板縱向力分布的變化較小，但斷板處底座板的縱向拉力急劇增大，說明軌道板斷裂釋放的縱向力大部分由底座板承擔；簡支梁上底座板最大縱向拉力約1 606.0 kN，連續梁上約1 729.0 kN，軌道板斷裂引起底座板斷裂的風險是存在的；軌道板斷裂對剪力齒槽及橋墩受力也有一定的影響，但不顯著。

當軌道板寬接縫處張拉鎖件安裝不緊、新舊混凝土黏結不牢時就有可能發生斷裂，枕間預留假縫開裂也有可能導致軌道板斷裂，更換軌道板時需要人為切斷縱連軌道板。這些是橋上縱連板式無砟軌道養護維修中應關注的重點。

圖5　軌道板與底座板縱向力分布

圖6　剪力齒槽與橋墩縱向力分布

2.2底座板斷裂

圖7　鋼軌附加縱向力分布

圖8　斷板線軌道部件縱向位移分布

底座板斷裂鋼軌附加縱向力分布見圖7，斷板線軌道部件縱向位移分布見圖8。可見：因底座板斷裂后釋放的縱向力更大（降溫幅度大于軌道板），因而斷板處鋼軌的附加拉力增加幅度較軌道板斷裂時更大，簡支梁上鋼軌最大附加拉力約182.7kN，連續梁上約219.9 kN；在簡支梁上形成的底座板斷縫約15.5 mm，連續梁上約14.8 mm，均較軌道板斷裂后的斷縫值大，主要是由于底座板斷裂釋放的縱向力較大且受到的約束阻力要小于軌道板；簡支梁上軌道板與底座板的最大相對位移約8.4 mm，相對位移＞0.5 mm的長度約18.2 m；連續梁上軌道板與底座板的最大相對位移約9.0 mm，相對位移 ＞0.5 mm的長度約27.3 m。可見底座板斷裂對梁軌系統的影響更大，導致較大范圍內的軌道板與底座板脫黏，進而影響縱連板式無砟軌道的豎向穩定性。

軌道板及底座板的縱向力分布見圖9，剪力齒槽及橋梁墩臺縱向力分布見圖10。可見：底座板斷裂對相鄰橋跨及鄰線軌道板、底座板的縱向力分布均有較大影響。軌道板縱向拉力增加幅度較大，簡支梁上軌道板最大縱向拉力約1 137.2 kN，是路基上固定區軌道板縱向力的2.1倍，軌道板混凝土拉應力約2.2 MPa；連續梁上軌道板最大縱向拉力約1 175.5 kN，是路基上固定區軌道板縱向力的2.2倍，軌道板混凝土拉應力約2.3 MPa；軌道板混凝土拉應力雖然小于C60混凝土軸心抗拉強度標準值（2.85 MPa），但底座板斷裂導致軌道板隨之開裂的風險已較大。若斷板正好位于軌道板寬接縫處，而同時寬接縫已經發生開裂，則軌道板中的縱向力將全部由6根φ20 mm的精軋螺紋連接鋼筋承擔，疊加連接鋼筋的預緊力后，連續梁上鋼筋承受的拉應力可高達782.8 MPa，遠超過 HRB500級鋼筋的容許抗拉強度（435 MPa），導致此處軌道板發生斷裂，形成連鎖反應。底座板斷裂對剪力齒槽受力有很大影響，簡支梁上剪力齒槽所受最大縱向力約559.9 kN，連續梁上剪力齒槽所受最大縱向力約809.4 kN，當設置8排剪力銷釘時，剪力齒槽、混凝土及鋼筋受力均在容許限度內。總的來看，底座板斷裂后對軌道板及鋼軌受力均極為不利，也有可能導致較大范圍內的 CA砂漿脫黏，應盡可能避免。

圖9　軌道板與底座板縱向力分布

圖10　剪力齒槽與橋墩縱向力分布

2.3軌道板與底座板同時斷裂

軌道板與底座板同時斷裂軌道及橋梁各部件的受力與變形見表1。可見：軌道板與底座板同時斷裂對梁軌系統的影響較底座板斷裂的影響大，較軌道板斷裂的影響更大；連續梁溫度跨度大于簡支梁，因此縱連板斷裂時對連續梁的影響更顯著；連續梁上軌道板與底座板同時斷裂時，鋼軌的拉應力達到了198.2 MPa，疊加上列車荷載的動拉應力，接近鋼軌的強度允許限值，因此可用作確定縱連式無砟軌道所能允許鋪設的最大溫度跨度；在其他軌道部件承受了縱連板斷裂釋放的縱向力后，橋墩所受縱向力變化幅度不大；但是一旦鋼軌也發生斷裂，則另一線軌道結構將承受2倍的縱向作用力，接著發生縱連板及鋼軌的斷裂，最終導致橋墩受力超限而傾斜。這是一種鏈式災害，也是此種類型無砟軌道在橋梁上鋪設時最大風險所在，因此在設計、施工及維護中應予以足夠的重視。

表1　軌道板與底座板同時斷裂軌道及橋梁各部件的受力與變形

3　結論

1）軌道板斷裂斷板處鋼軌的附加拉力顯著增大，非斷板處鋼軌附加拉力有所增大但增幅較小，軌道板斷縫值不大，斷縫附近軌道板與底座板的相對位移較大。軌道板斷裂相鄰橋跨及鄰線軌道板縱向力分布的變化較小，斷板處底座板的縱向拉力急劇增大，對剪力齒槽及橋墩受力的影響不顯著。軌道板斷裂對橋上縱連板式無砟軌道結構的整體穩定性有較大影響。

2）與軌道板斷裂相比，底座板斷裂斷板處鋼軌的附加拉力增加幅度更大，在簡支梁上形成的底座板斷縫值更大。底座板斷裂對相鄰橋跨及鄰線軌道板、底座板的縱向力分布均有較大影響，軌道板縱向拉力增加幅度較大，簡支梁上軌道板最大縱向拉力是路基上固定區軌道板縱向力的2.1倍，連續梁上軌道板最大縱向拉力是路基上固定區軌道板縱向力的2.2倍。底座板的斷裂導致軌道板隨之開裂的風險較大。底座板斷裂后對軌道板及鋼軌受力極為不利。

3）軌道板與底座板同時斷裂連續梁較簡支梁受到的影響更大，連續梁上，鋼軌的拉應力疊加上列車荷載的動拉應力，使得鋼軌受力接近其強度允許限值，因此可用以確定縱連式無砟軌道所能允許鋪設的最大溫度跨度。當一線鋼軌斷裂，另一線軌道結構接著發生縱連板及鋼軌的斷裂，導致橋墩受力超限。這種鏈式災害是縱連板式無砟軌道在橋梁上鋪設時最大風險所在，在設計、施工及維護中應予以足夠的重視。

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（責任審編李付軍）

Analysis on Interaction Between Girder and Rail Under Broking of Ballastless Track Longitudinal Connected Slab on Bridge

QIAN Cheng，SHEN Binran，WANG Guan，WANG Ping
（MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Ballastless track longitudinal connected slab on high-speed railway bridge uses longitudinal continuous paving track plate and base plate and there are cracking or breaking of the track plate and the base plate in different degrees during the actual operation process.T his paper established a Line-Board-Bridge-Pier integrated calculation model through the finite element method to study the girder-rail interaction under the condition of broken longitudinal connected slab.T he results showed that the longitudinal force caused by broken track plate or base plate will be supported by other components of girder-rail system which effects the global stability of longitudinal connected slab ballastless track，the longitudinal force of adjacent bridge span and adjacent track slab changes little while longitudinal force in the place of broken base plate after the track plate breaks，which means there might be some fracture risks of base plate，the fracture of base plate has a great influence on adjacent bridge span and adjacent track slab，which results in increase of track plate and rail force and CA mortar debonding in a wide range，the track plate and base plate breaking at the same time will have the most effect on girder-rail system，rail strength is close to the allowable limit value when the track plate and base plate on continuous girder breaks at the same time，which can be used to determine the maximum allowable temperature span of longitudinal connected slab，the fracture of longitudinal connected slab and rail will happen in the other railway line when the track plate，base plate and rail breaks in one railway line，which will cause the bridge pier tilt due to exceeding force.

Longitudinal connected slab；Girder-rail interaction；Broken plate force；Jointless track

錢程（1991— ），男，碩士研究生。

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.28

1003-1995（2016）07-0114-04

2016-03-11；

2016-04-28

國家杰出青年科學基金（51425804）