縱連板式軌道在墩臺位移作用下梁軌相互作用規律研究

劉 成，李 帥，謝鎧澤，田春香，王 平

(1.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；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

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縱連板式軌道在墩臺位移作用下梁軌相互作用規律研究

劉 成1，李 帥1，謝鎧澤1，田春香2，王 平1

(1.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；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

針對簡支梁和連續梁，建立整橋系統的計算模型，對墩臺位移引起的作用力作用下橋上縱連板式無砟軌道的梁軌耦合作用規律進行分析研究。研究表明：墩臺位移引起的作用力是縱連式無砟軌道梁軌相互作用較重要的附加作用力，建議受日照及風荷載影響較大的高墩橋設計中考慮墩臺位移引起的作用力的影響；連續梁與簡支梁橋墩向右位移時所受的外荷載大致相當，軌道及橋梁各部件所受附加力也大致相等，且橋墩縱向位移越大，各部件所受附加力越大；考慮橋梁伸縮及橋墩位移的共同作用時，軌道及橋梁各部件的受力與變形均較單因素作用時量值大，且連續梁上各部件的受力與變形較簡支梁大；從梁體位移方向的比較來看，當橋墩位移與橋梁伸縮方向相同時，鋼軌、軌道板、端刺的受力及軌道各部件的位移較大，而當橋墩位移與橋梁伸縮方向相反時，剪力齒槽、墩臺、底座板所受縱向力較大；從荷載耦合方式來看，橋梁伸縮及橋墩位移兩種荷載耦合時，軌道及橋梁各部件的受力與變形要小于兩種荷載單獨作用后將計算結果疊加的情況，主要是由于滑動層摩阻力等線路約束阻力的塑性極限造成的。

縱連板式無砟軌道；無縫線路；墩臺位移；梁軌相互作用

橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道是一種新型無砟軌道結構，它不僅改變了無砟軌道的設計理念，同時也對橋上無縫線路設計產生了深遠的影響。由于底座與梁面設置有滑動層，它徹底改變了傳統的梁軌相互作用的傳遞方式[1-2]。從理論上講，如果滑動層處于理想狀態，由于其摩擦系數很小，可以減弱溫度變化和列車荷載所引起的梁軌相互作用力，從而減少軌道和橋梁承受的縱向附加力；同時在固定支座上方設置了剪力齒槽，可將列車制動力直接傳遞至橋梁墩臺上；臺后路基上設置了摩擦板、端刺等結構，可起到縱向約束連續底座板的作用；形成了鋼軌在橋梁和路基上縱向連續、軌道板在橋梁及路基上縱向連續、底座板在兩端刺間連續、橋梁也可縱向連續的多層連續結構，鋼軌與橋梁間的相互作用較弱，能適應更大溫度跨度的橋梁，有利于取消鋼軌伸縮調節器及小阻力扣件的鋪設，是一種新型無砟軌道結構，因此其梁軌相互作用機理及規律明顯不同于有砟軌道及單元式無砟軌道橋上無縫線路。

特殊地段鋪設無縫線路，需要考慮特殊荷載的作用。目前，國內學者對于高墩大跨橋上特殊荷載作用下的梁軌相互作用進行了相關研究[3-7]。劉婷林等研究溫度梯度對高墩大跨橋上無縫線路的影響，針對高墩大跨橋梁橋墩受到縱向和橫向溫度梯度荷載時，鋼軌的縱向力和梁軌相對位移進行了分析[1]；羅華鵬等研究了高墩大跨橋梁橋墩整體升溫對無砟軌道中軌道部件受力和變形的影響[2]；胡志鵬等針對高墩大跨橋梁橋墩工后沉降對橋上無縫線路的影響，以某高墩大跨橋梁為例，通過有限元方法，建立線-橋-墩一體化模型，分析橋墩不均勻沉降和均勻沉降對鋼軌縱向力、線路高低不平順以及墩臺受力的影響[3]等。

然而，國內外針對縱連式無砟軌道的特殊荷載作用下的梁軌相互作用規律研究較少。山區修建的高速鐵路，當橋梁跨越河流、峽谷時可能會出現受日照、側風影響較大的高墩，此時縱連式無砟軌道在橋墩自身的縱向位移作用下也會產生附加的縱向墩移力。基于此，本文建立縱連式無砟軌道全橋系統橋上無縫線路計算模型，針對橋上縱連板式無砟軌道在墩移力作用下梁軌相互作用規律進行相關研究，以期為橋上縱連板式無砟軌道無縫線路的設計、施工及后期養護維修提供參考。

1 梁軌作用機理與計算假定

1.1 梁軌作用機理

墩移力荷載作用會引起縱連板式無砟軌道系統的伸縮變形，由于剪力齒槽的固結作用，帶動底座板、軌道板及鋼軌的縱向位移，底座板伸縮時通過CA砂漿的粘結力和摩擦力傳遞給軌道板，軌道板伸縮時通過扣件縱向阻力傳遞給鋼軌，因鋼軌、道床板、底座板均為縱連結構，因此墩移力會引起鋼軌伸縮力、軌道板伸縮力、底座板伸縮力[8-9]。

1.2 計算假定

縱連板式無砟軌道橋上無縫線路因軌道結構與有砟軌道、單元式無砟軌道有明顯的不同，因而其梁軌相互作用機理也有所差別，計算中需采用以下假定。

(1)根據CRTSⅡ型板的結構特點，將軌道板簡化為0.65 m的寬枕進行計算。

(2)假定開裂后不考慮底座混凝土板的抗彎能力，將其視為軸向拉壓桿件進行計算。考慮不同工況下的剛度值按不同折減進行伸縮力計算。

(3)假設各橋墩高度相差不大，橋墩的位移量一致。

2 計算模型及參數

建立縱連式無砟軌道全橋系統橋上無縫線路計算模型如圖1所示。在該模型中考慮鋼軌、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，考慮到鋪設縱連板式無砟軌道的高速鐵路橋梁大多數為整體箱梁，單根鋼軌折斷時，其他鋼軌對橋梁的縱向約束較大；單線軌道板或底座板折斷時，鄰線會約束橋梁的縱向位移；當單側線路出現較多病害，如軌道板與底座板離縫，而另一側線路狀態良好時，以及在不同地段交替出現、同時出現時，需考慮兩線路間的相互作用。因此在計算技術的發展使得“一橋一算”不再困難時等情況下，建立多根鋼軌、整體橋梁結構的系統模型。

圖1 整橋計算模型

計算采用簡支梁、連續梁兩種橋梁形式進行計算分析，簡支梁橋型：5跨32 m簡支梁；連續梁橋型：2×32 m簡支梁+(32+48+32) m連續梁+2×32 m簡支梁。為安全計，考慮最不利工況下的梁軌作用規律以及墩臺受力極值，升溫情況下軌道板與鋼軌為40 ℃、底座板與橋梁為30 ℃，升溫情況下軌道板與底座板伸縮剛度不折減，降溫情況下軌道板與底座板伸縮剛度折減系數為0.1[6-9]。線路縱向阻力、墩臺剛度等取值參考《鐵路無縫線路設計規范》(TB10015—2012)。

參考相關文獻中設計和試驗研究[10-15]，本文 “兩布一膜”滑動層摩擦系數取為0.35、“兩布”隔離層摩擦系數按0.70取值，路基上“兩布”隔離層滑動前最大相對位移為5.0 mm，橋梁上“兩布一膜”隔離層滑動前最大相對位移為5.0 mm；計算中CA砂漿取層間粘結阻力為63.8 kN/m，極限位移為0.5 mm；摩擦板長度取為45.5 m。采用Π形端刺，縱向水平剛度為1.0×107kN/m，根據A、B組填料的的線彈性范圍確定端刺縱向位移限值為3.0 mm；模型中8根聯結銷釘的縱向水平剛度按德國設計建議取值為4.0×104kN/m。

3 墩移力的分布規律

以升溫為例，假設除橋臺外，各橋墩的縱向位移為5 mm[16-18]，不考慮橋梁的伸縮位移，簡支梁及連續梁上鋼軌縱向附加力分布如圖2所示，橋梁及軌道各部件的位移分布如圖3所示。

圖2 鋼軌墩移力

從圖2、圖3可見，橋墩向右位移帶動梁體整體向右位移，同伸縮附加力的產生機理一樣，鋼軌在右橋臺附近出現最大附加壓力，左橋臺附近出現最大附加拉力；由于簡支梁及連續梁橋墩縱向位移均設為5 mm，兩種梁型上鋼軌最大附加壓力均約為77.5 kN；由于剪力齒槽的固結作用，帶動底座板、軌道板及鋼軌的最大縱向位移均較大，致使鋼軌墩移力還遠大于伸縮力；鋼軌與軌道板、軌道板與底座板、底座板與梁體間的最大相對位移均在0.1 mm左右。由此可知，墩移力是縱連式無砟軌道梁軌相互作用所引起的較重要的附加作用力；受日照及風荷載影響較大的高墩橋，在選用縱連式無砟軌道結構時，在設計中應考慮這種墩移力的影響。

簡支梁與連續梁上軌道板及底座板的縱向力分布如圖4所示，剪力齒槽及橋墩受力如圖5所示。

圖4 底座板與軌道板受力

圖5 剪力齒槽與橋墩受力

從圖4、圖5可見，由于剪力齒槽在帶動底座板跟隨固定支座上方梁體位移的過程中受力較大，如連續梁上剪力齒槽所受最大縱向力約為1 569.1 kN，因而傳遞至底座板上的縱向力也較大，致使軌道板及底座板所受墩移附加力均較大；左橋臺起著錨固作用，梁體向右移動過程中所產生的縱向力需要左橋臺及連續軌道結構來共同承受，因而左橋臺所受縱向力也較大；因算例中連續梁與簡支梁橋墩向右位移時所受的外荷載大致相當(即各固定支座橋墩產生5 mm位移時所受縱向荷載之和)，因而軌道及橋梁各部件所受墩移附加力也大致相等。很顯然，橋墩縱向位移越大，各部件所受墩移力越大；各橋墩高度、縱向水平剛度、左右側溫度差等影響因素不同，各橋墩縱向位移也不會相同，設計檢算中需要采用各橋墩的實際縱向位移來計算。

4 墩移力與伸縮力耦合分析

前面計算墩移力時未考慮橋梁的伸縮位移，其計算結果與伸縮力疊加后如表1所示，表中還列出了墩移力與伸縮力同向耦合(橋墩位移方向與橋梁伸縮方向相同)、墩移力與伸縮力反向耦合(橋墩位移方向與橋梁伸縮方向相反)時的計算結果。

從表1可見，考慮橋梁伸縮及橋墩位移的共同作用時，軌道及橋梁各部件的受力與變形均較單因素作用時量值大，且連續梁上各部件的受力與變形較簡支梁大；從梁體位移方向的比較來看，當橋墩位移與橋梁伸縮方向相同時，鋼軌、軌道板、端刺的受力及軌道各部件的位移要大一些，而當橋墩位移與橋梁伸縮方向相反時，剪力齒槽、墩臺、底座板所受縱向力要大一些，因而在設計中需要根據不同的檢算對象，選取最不利的位移組合；從荷載耦合方式來看，橋梁伸縮及橋墩位移兩種荷載耦合在一起計算時，軌道及橋梁各部件的受力與變形要小于兩種荷載單獨作用后將計算結果疊加的情況，這主要是由于滑動層摩阻力等線路約束阻力的塑性極限造成的。若要用墩移力代替伸縮力進行檢算，則應將兩種荷載耦合在一起計算。

表1 墩移力與伸縮力耦合計算結果

5 結論及建議

通過建立縱連板式無砟軌道整體系統模型，墩移力對簡支梁和連續梁橋上縱連板無砟軌道無縫線路作用進行分析，得到以下幾點結論。

(1)墩移力是縱連式無砟軌道梁軌相互作用所引起的較重要的附加作用力。建議受日照及風荷載影響較大的高墩橋，在選用縱連式無砟軌道結構時，在設計中應考慮墩移力的影響。

(2)連續梁與簡支梁橋墩向右位移時所受的外荷載大致相當，因而軌道及橋梁各部件所受墩移附加力也大致相等。很顯然，橋墩縱向位移越大，各部件所受墩移力越大。建議檢算中需要根據實際各橋墩高度、縱向水平剛度、左右側溫度差等設計條件，采用各橋墩的實際縱向位移來計算。

(3)考慮橋梁伸縮及橋墩位移的共同作用時，軌道及橋梁各部件的受力與變形均較單因素作用時量值大，且連續梁上各部件的受力與變形較簡支梁大。

(4)從梁體位移方向的比較來看，當橋墩位移與橋梁伸縮方向相同時，鋼軌、軌道板、端刺的受力及軌道各部件的位移較大，而當橋墩位移與橋梁伸縮方向相反時，剪力齒槽、墩臺、底座板所受縱向力較大，因而在設計中需要根據不同的檢算對象，選取最不利的位移組合。

(5)從荷載耦合方式來看，橋梁伸縮及橋墩位移兩種荷載耦合在一起計算時，軌道及橋梁各部件的受力與變形要小于兩種荷載單獨作用后將計算結果疊加的情況，這主要是由于滑動層摩阻力等線路約束阻力的塑性極限造成的。若用墩移力代替伸縮力進行檢算，則應將兩種荷載耦合計算。

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Beam and Track Interaction of Continuous-slab-track Subject to Pier Displacement

LIU Cheng1， LI Shuai1， XIE Kai-ze1， TIAN Chun-xiang2， WANG Ping1

(1.Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;2.The Second Survey and Design Institute of China Railway; Chengdu 610031， China)

In this paper， for the simply supported bridge and continuous bridge， the calculation model of integral bridges is established to analyze the rules of bridge-track interaction subject to the force caused by pier displacement. The results show that the force caused by pier displacement is a significant additional force between bridge and track. Thus， it is recommended that the force caused by pier displacement should be considered in the design of high-pier bridge due to great impact of sunshine and wind load. The continuous beams and simply supported beams are subjected to much the same force when their piers are shifted rightward， and various components of tracks and bridges suffer roughly equal additional forces， and larger the longitudinal displacement of piers， greater the force each additional member suffers. In case of simultaneous bridge stretching and pier shifting， the force and deformation of each member of the track and bridge are larger than those when only single factor is considered， and the force and deformation of continuous beams are larger than those of the simply supported beams. in comparison of beam displacement direction， when the displacement of bridge stretching the and pier moving are in the same direction， the force of rails， track plate， barbed end are relatively larger and the deformation of various components of tracks are relatively larger; when the bridges stretching and piers moving in the opposite direction， the shear gullet， the pier， and the base plate bear bigger longitudinal force. With respect to the point of loads coupling， when the coupling of bridges stretching and piers moving is considered， the force and displacement of track and bridge component are smaller than those when two loads are separated with the calculation of the results superposed， which is mainly due to the fact that the friction resistance of sliding layer and other tract restraining forces reach the plastic limits．

Continuous-slab-track; CWR; Pier displacement; Bridge and rail interaction

2016-04-14；

2016-05-21

國家自然科學基金委“高速鐵路基礎研究聯合基金”重點支持項目(U1334203&U1234201)

劉 成( 1992—)，男，碩士研究生，E-mail:1351075626@qq.com。

1004-2954(2016)12-0008-05

U441+.7

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.003