大跨斜拉橋高速鐵路無砟軌道適應性研究

秦 艷

(中鐵上海設計院集團有限公司， 上海 200070)

無砟軌道結構是我國高速鐵路主要的軌道結構類型，具有高平順性、高穩定性、高可靠性和少維修的特點[1-3]，這使得無砟軌道設計速度明顯高于有砟軌道。目前我國高速鐵路無砟軌道大部分鋪設于路基及中小跨度橋梁之上，大跨尤其跨度超過200 m以上的橋梁多采用有砟軌道結構。但高速列車行駛中有砟軌道會出現道砟飛濺，道床阻力下降等問題，影響列車正常運行[4-6]。無砟軌道結構取消了碎石道床，軌道結構保持幾何狀態的能力較高，軌道穩定性相應增強，維修工作量減少，已成為高速鐵路軌道結構的發展方向[7-8]。我國地形地質條件復雜，為跨越江河、公路等，需修建大量大跨特殊橋梁。高速運營時，梁體變形與軌道高平順要求相矛盾，無砟軌道結構面臨與大跨特殊橋梁結構的協調性難題[9-11]。

斜拉橋是目前鐵路橋梁中跨度最大、結構也最為復雜的一種橋型，近年來在我國高速鐵路上逐步開始應用。斜拉橋與無砟軌道組成了一種復雜的多層結構體系，存在鋼軌多軌線、多種軌道形式以及軌道板、板梁等結構間復雜的相互作用關系。伴隨著高速鐵路的發展，無砟軌道與斜拉橋的相互作用更加復雜，研究也需不斷深化，開展高速鐵路斜拉橋無砟軌道技術的相關研究顯得尤為重要。

本文以池黃高速鐵路太平湖大橋為研究對象，通過建立無砟軌道-特大斜拉橋空間耦合靜力學分析模型，對不同溫度荷載、不同層間接觸、不同板長工況下橋上雙塊式無砟軌道進行靜力學分析，并運用動力學理論進行動力學分析，研究結果可為大跨度斜拉橋無砟軌道優化設計提供參考。

1 車輛-無砟軌道-橋梁空間一體化耦合模型及參數

1.1 整體耦合模型

新建池州至黃山客運專線設計速度350 km/h，雙線，采用雙塊式無砟軌道。太平湖特大橋為池黃高速鐵路在安徽省境內連接黃山區與池州區的過江通道，大橋主橋為(3×31.5) m雙線簡支箱梁+(48+118+2×228+118+48) m矮塔斜拉橋+(1×31.5) m雙線簡支箱梁，主塔為H型鋼筋混凝土塔柱，斜拉索為平行鋼絲束。

整體有限元模型由軌道模型和橋梁模型組成，兩個模型通過扣件系統實現傳力等相互作用。軌道模型包括鋼軌結構和扣件結構，橋梁模型從上到下依次為主塔柱、塔柱連接燕尾板、斜拉索、鋼軌、梁體、橋墩。

1.2 無砟軌道精細化模型

橋梁地段雙塊式無砟軌道結構由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、混凝土道床板、彈性墊層、混凝土底座板(設限位凹槽)等組成，均采用實體單元模擬。雙塊式無砟軌道底座直接澆筑于橋面上，并與橋面采用預埋套筒植筋連接，兩者基本不會發生相對位移，故采用綁定連接。無縫線路-無砟軌道-斜拉橋空間耦合模型如圖1所示。梁端模型長85 m，跨中模型長228 m。

圖1 無縫線路-無砟軌道-斜拉橋空間耦合模型圖

扣件考慮縱向、橫向和垂向的剛度，將鋼軌與軌道板之間的單元節點連接起來，采用線性彈簧單元進行模擬，并考慮扣件墊板的作用，約束扣件端部的轉動。扣件間距為0.6～0.65 m，根據不同板長方案分別設置。

1.3 材料參數

斜拉橋-無砟軌道各結構的材料參數如表1所示。

表1 軌道結構材料參數表[12-13]

2 靜力學特性分析

2.1 溫度荷載影響

溫度荷載造成的無砟軌道翹曲變形、溫度裂紋等問題逐漸成為影響高速鐵路正常運營的關鍵因素。在復雜溫度及極端高低溫條件下，無砟軌道易出現上拱離縫、翹曲變形、開裂掉塊等問題，直接影響無砟軌道耐久性和可靠性[14-15]。根據當地的極端氣溫以及無砟軌道設計規范，選取無砟軌道設計檢算溫度荷載為：整體最大升溫41.2 ℃，最大降溫16 ℃、正溫度梯度95 ℃/m、負溫度梯度45 ℃/m。

基于斜拉橋-無砟軌道-無縫線路空間耦合模型，結合當地的氣候條件，對整橋結構施加溫度荷載，研究外界溫度荷載下無砟軌道與斜拉橋的適應性。溫度荷載工況分為：(1)橋梁降溫20 ℃，斜拉索降溫35 ℃；(2)橋梁升溫20 ℃，斜拉索升溫35 ℃。得到不同溫度荷載下橋梁表面的垂向變形曲線如圖2所示。

圖2 不同溫度荷載下橋梁表面垂向變形曲線圖

由圖3可知，與斜拉橋的橋梁剛度相比，斜拉索與橋梁錨固處的剛度不均勻并不會引起線路的局部不平順。在溫度荷載下，228 m跨處的垂向變形最大，取最不利條件進行分析，對228 m跨處橋梁表面施加強制位移，并對軌道結構施加溫度梯度荷載，分析溫度荷載下斜拉橋上雙塊式無砟軌道的靜力學特性。

2.1.1層間接觸分析

目前雙塊式無砟軌道主型板長為6.4 m，因此，本文對特大橋上228 m跨處鋪設6.4 m標準板，結構層間分別采用土工布隔離層和彈性墊層時，無砟軌道在升降溫荷載作用下的受力變形進行分析。

(1)結構層間采用土工布隔離層

道床與底座之間設置聚丙烯土工布隔離層，隔離層厚4 mm，采用摩擦關系模擬土工布的作用，縱橫向摩擦系數取為0.7。

采用土工布時，常會出現以下幾種情況：①升溫荷載下，雙塊式無砟軌道底座板與道床板間會出現層間脫空的現象。兩端道床板由于鋼軌的拉扯與層間滑移，凸臺周圍受力較大，且主要承受拉應力，最大縱向拉應力達7.779 MPa，底座板主要承受壓應力，最大縱向壓應力為21.35 MPa。②降溫荷載下，底座板與道床板間會出現層間脫空的現象，且板端處離縫較為明顯。兩端道床板由于鋼軌的拉扯與層間滑移，凸臺周圍受力較大，且主要承受拉應力，最大縱向拉應力達6.757 MPa，底座板凹槽處最大縱向拉應力為7.986 MPa。

(2)結構層間采用彈性墊層

道床與底座間設置彈性墊層，厚14 mm，彈性墊層接觸剛度取0.1 N/mm3。①升溫荷載下，雙塊式無砟軌道變形與橋梁變形趨勢基本一致，二者協調變形，跟隨性較好。跨中道床板受鋼軌的拉扯作用，軌枕處受力較為集中，且主要承受拉應力，縱向拉應力最大值為5.566 MPa。由于道床板和底座板之間存在彈性墊層，底座板所受拉應力較道床板小，底座板主要承受壓應力，縱向壓應力最大值為19.59 MPa。②降溫荷載下，雙塊式無砟軌道變形與橋梁變形趨勢基本一致，二者協調變形和跟隨性均較好。道床板發生四角翹曲變形，凸臺上部混凝土受拉作用明顯，且跨中區域道床板縱向拉應力最大值達4.739 MPa。由于道床板和底座板之間存在彈性墊層，底座板的總體受力較道床板小，底座板縱向拉應力最大值為7.803 MPa。

上述計算結果表明，結構層間采用彈性墊層時，道床及底座的受力狀態優于結構層間采用土工布隔離層時。其主要原因在于土工布剛度較大，在垂向上為剛性接觸，軌道多層之間協調性與彈性墊層相比較差，在斜拉橋大變形條件下，會加劇兩者之間的差異性。因此，本文以下部分內容將主要基于結構層間采用彈性墊層展開分析。

2.1.2板長影響

考慮太平湖大橋索間距8 m的實際設計情況，為匹配索間距，在6.4 m標準板基礎上，分析7.9 m板在溫度荷載作用下的受力變形。

當特大橋上228 m跨處鋪設7.9 m板道床結構，結構層間采用彈性墊層時：①在升溫荷載下，7.9 m板雙塊式無砟軌道變形與橋梁變形規律與6.4 m板相同，跨中道床板軌枕處主要承受拉應力，縱向拉應力最大值為6.752 MPa；底座板主要承受壓應力，縱向壓應力最大值為18.94 MPa。②在降溫荷載下，7.9 m板雙塊式無砟軌道變形與橋梁變形規律也與6.4 m板相同，跨中道床板最大縱向拉應力達5.990 MPa。底座板的總體受力較道床板小，最大縱向拉應力為7.476 MPa。

升降溫荷載作用下，兩種板長道床與底座的受力情況對比如表2所示。

表2 兩種板長升降溫工況受力情況對比表

由表2可知，兩種板長無砟軌道變形與橋梁變形趨勢均基本一致，無局部不均勻現象，二者跟隨性均較好。與6.4 m板長相比，7.9 m板長道床拉應力較大，受力狀態亦更加復雜，因此，建議橋上鋪設 6.4 m板長的雙塊式無砟軌道。

2.2 橋梁撓曲變形影響

基于斜拉橋-無砟軌道-無縫線路空間耦合模型，考慮ZK活載滿跨作用橋梁主梁左側(48.8+118+228) m范圍，ZK活載加載位置示意如圖3所示，橋梁垂向位移變形曲線如圖4所示。

圖3 ZK活載加載位置示意圖

圖4 橋梁垂向位移變形曲線圖

從圖4可以看出，撓曲荷載作用下，橋梁主跨產生了較大的垂向變形，其撓曲位移峰值出現在橋梁 284 m處，為141 mm。而在加載兩側，梁體因受橋墩的垂向支撐，位移較小，趨近于0。取最不利條件，對228 m跨處橋梁表面施加強制位移，分析橋梁撓曲變形對雙塊式無砟軌道靜力學特性的影響。

分析結果表明：在撓曲荷載下，6.4 m和7.9 m板長的雙塊式無砟軌道變形與主橋橋梁變形趨勢均基本一致，無局部不均勻現象。跨中道床板受鋼軌約束作用，軌枕受力較為集中，且主要承受拉應力，7.9 m板道床縱向拉應力最大值1.171 MPa ，大于6.4 m板道床縱向拉應力最大值1.116 MPa；因道床板和底座板間存在彈性墊層，底座板總體受力小于道床板，7.9 m板底座板縱向拉應力最大值0.200 MPa，大于 6.4 m板底座板縱向拉應力最大值0.076 MPa。從計算結果可知，6.4 m板整體受力整體優于7.9 m板，但二者均滿足相應混凝土等級強度值。

3 動力行車影響

將車輛、無砟軌道、特大斜拉橋看作一個聯合動力體系，以輪軌接觸為界面，分別建立車輛、軌道-特大斜拉橋梁的運動方程，通過輪軌的幾何相容條件和相互作用力平衡條件來聯系。將車輛、軌道和橋梁的運動方程聯立，得到車輛-軌道-橋梁耦合系統的運動方程：

(1)

式中：m、f——車輛模型和軌道-特大斜拉橋模型。

求解式(1)方程組，利用自主開發的動力仿真平臺完成不同行車速度下的動力計算，得到不同速度下大跨斜拉橋上無砟軌道動力特性如圖5所示，車輛行駛特性如表3所示。

表3 車輛行駛特性表

由圖5和表3分析可知，隨著車速的提高，橋梁垂向加速度在50～100 Hz的振動明顯衰減。當車輛行駛速度由250 km/h增加至350 km/h時，輪軌垂向力、脫軌系數和輪重減載率都有明顯的增大。但軌道結構和橋梁結構的振動特性指標和車輛行駛特性指標均滿足規范要求。

4 結論

本文以斜拉特大橋上無砟軌道系統為研究對象，對復雜條件下的斜拉橋-無砟軌道結構的受力與變形特征、車輛-軌道-斜拉橋系統的動力學行為等進行了研究，主要結論如下：

圖5 不同速度下大跨斜拉橋上無砟軌道動力特性圖

(1)在不同外界荷載下，橋梁變形曲線均呈現光滑過渡的狀態，無砟軌道與橋梁整體適應性較好，未出現線路局部不均勻變形。

(2)溫度荷載與主橋變形效應疊加后，道床板與底座板層間鋪設土工布比設置彈性墊層受力更為不利，且會出現層間離縫脫空現象。彈性墊層剛度小，協調變形能力好，建議在主橋道床板與底座間設置彈性墊層。

(3)在升溫荷載下，道床板主要承受拉應力，底座板在凹槽與板邊位置主要承受壓應力；在降溫荷載下，道床板和底座板在凸臺之間區域均承受較大的拉應力。較6.4 m板，7.9 m板在抗拉情況下的受力更為不利，受力狀態亦更加復雜。建議橋上鋪設6.4 m板長的雙塊式無砟軌道。

(4)大跨橋梁撓曲變形下，7.9 m道床板軌枕處受拉應力會略大于6.4 m板，但兩種板型的無砟軌道受力均未超過相應混凝土等級強度值。

(5)隨著車輛行駛速度的增大，輪軌垂向力和輪重減載率也逐漸增大，橋梁結構振動減小。軌道結構和橋梁結構的振動特性指標和車輛行駛特性指標均滿足規范要求。