節間縱梁支座更換對鋼桁梁上軌道的影響研究

徐 浩 喬建春 林紅松 蔡文鋒

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

近年來，隨著我國山區鐵路的建設和發展，出現了大量新型特殊橋梁結構，如拱橋、斜拉鋼桁梁橋、大跨度連續鋼桁梁橋等。由于鐵路面臨氣溫變化大、日溫差大、日照時間長、太陽輻射強等復雜服役環境，橋梁橡膠支座容易發生老化損壞[1-2]，因此需通過定期更換支座來保證鐵路的運營安全。更換支座需頂升橋梁[3]，必然會對橋上軌道結構產生影響，尤其是當橋上鋪設無砟軌道無縫線路時，支座更換將產生較大的鋼軌應力，研究橋梁支座更換對橋上無砟軌道的影響十分必要。

目前，關于橋梁支座更換對橋上軌道影響的研究較少，閔子權[4-5]等人通過建立軌道-橋梁一體化力學模型，分析了連續箱梁更換橋梁支座對鋼軌受力的影響，并提出了更換支座的扣件松開范圍。高常亮[6]根據不同橋梁頂升的方法，建立了橋上無縫線路三維力學模型，研究了連續梁和簡支橋梁頂升對軌道的影響，提出了橋梁更換支座的頂升方式和扣件松開范圍。宋福[7]等人研究了簡支箱梁支座更換對CRTSⅡ型板式無砟軌道的影響，提出為避免對橋上軌道系統造成不利影響，施工頂升高度應控制在5 mm以下。上述研究主要針對混凝土簡支梁和連續梁，目前仍未有針對大跨度連續鋼桁梁橋上節間縱梁支座更換對橋上軌道影響的研究。

本文通過建立軌道-橋梁一體化計算模型，研究了節間縱梁頂升高度及扣件松開范圍對軌道系統受力的影響規律，提出了孟加拉帕德瑪大橋節間縱梁支座更換扣件松開范圍的建議，可為相關工程的養護維修提供參考。

1 工程概況

孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線為客貨共線鐵路，貨車最大軸重為25 t。該線的重點控制工程孟加拉帕德瑪大橋為(6×150) m一聯的大跨度連續鋼桁梁橋，每150 m由8個節間組成，每個節間長18.75 m，節間縱梁長15.9 m，下橫梁寬2.8 m。節間縱梁通過牛腿支撐在下橫梁上，節間縱梁與牛腿之間設置橡膠支座。孟加拉帕德瑪大橋的節間縱梁及支座布置如圖1所示。帕德瑪大橋為公鐵兩用橋，上層為公路，下層為鐵路。由于鐵路運營環境復雜，節間縱梁下的橡膠支座需定期更換。節間縱梁支座更換時，需頂升節間縱梁。根據橋梁的設計方案，擬在下橫梁左右兩側同時頂升節間縱梁，節間縱梁最大頂升高度為10 mm。孟加拉帕德瑪大橋下橫梁及節間縱梁上設有橋面板，橋面板為預制結構，長2 m左右，橋面板通過剪力釘與下橫梁和節間縱梁連接。孟加拉帕德瑪大橋在無砟軌道設計時已開工建設，受結構高度、軌道二期恒載的限制，橋上擬采用道床板與橋面板相結合的長枕埋入式無砟軌道結構[8]，每個節間上軌道結構布置如圖2所示。

圖1 節間縱梁及支座布置圖(m)

圖2 每個節間上軌道結構布置示意圖

2 軌道系統受力分析

2.1 計算模型

由于孟加拉帕德瑪大橋橋上采用道床板與橋面板相結合的長枕埋入式無砟軌道結構，長枕埋入式無砟軌道的道床板與橋面板之間采用4列“門型鋼筋”加強連接，可視為剛性連接，橋梁的微小變形將直接作用于無砟軌道的扣件系統[9-10]。為此，本文將橋梁和長枕埋入式無砟軌道的道床結構等效為一個整體，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型圖

模型中，鋼軌及等效橋梁均以中性軸位置建立，用剛臂單元模擬等效橋梁上、下翼緣距中性軸的距離。鋼軌采用點支撐的梁單元模擬，扣件的垂向變形采用非線性彈簧單元模擬，彈簧間距為扣件節間間距，非線性彈簧的曲線采用扣件剛度曲線。孟加拉帕德瑪大橋的下橫梁固定，通過約束下橫梁的縱橫向位移來模擬。為消除模型邊界條件對計算結果的影響，在模型兩端分別建立100 m長的鋼軌，鋼軌通過扣件連接，并約束扣件下部節點的縱橫向位移。

2.2 計算參數

橋上無砟軌道鋼軌采用UIC60鋼軌，截面積為76.70 cm2，截面慣性矩為3038.3 cm4。扣件采用WJ-12型扣件系統，初始扣壓力為20 kN，單個彈條剛度取1 kN/mm，膠墊剛度取50 kN/mm。節間縱梁上無砟軌道扣件間距0.61 m，橫梁上扣件間距0.57 m。等效橋梁的截面積為2.172 m2，截面慣性矩為4.281 m4，等效橋梁中心線距上翼緣的高度為1.112 m，距下翼緣的高度為0.448 m。

2.3 計算工況及判斷標準

本文主要研究了頂升高度和扣件松開范圍對橋上軌道系統受力的影響規律。更換支座時，支座處節間縱梁的最大頂升高度為10 mm。研究頂升高度對橋上軌道系統受力的影響時，假定不松開扣件，節間縱梁的頂升高度分別取為1 mm、2 mm、3 mm、5 mm和10 mm；研究扣件松開范圍對橋上軌道系統受力的影響時，假定節間縱梁的頂升高度為10 mm，扣件松開范圍示意如圖4所示。

圖4 不同扣件松開范圍圖

確定不同工況下節間縱梁支座更換時的頂升高度限值，應從鋼軌強度和扣件受力兩方面判斷：(1)頂升節間縱梁時產生的鋼軌應力不得大于鋼軌的屈服強度；(2)扣件的上拔力不得超過WJ-12扣件系統的扣壓力。

3 支座更換對軌道的影響

3.1 頂升高度對軌道的影響

當在下橫梁左右兩側同時頂升節間縱梁且不松開扣件系統更換支座時，不同頂升高度下扣件和鋼軌的受力如圖5所示。

圖5 不同頂升高度下軌道系統受力圖

從圖5可以看出，當下橫梁左右兩側同時頂升且不松開扣件時，鋼軌應力和扣件系統受力均隨節間縱梁頂升高度的增大而增大。當節間縱梁頂升1 mm時，鋼軌的軌頭拉應力和軌底拉應力分別為13.78 MPa和10.45 MPa，扣件系統所受上拔力和下壓力分別為14.02kN和15.90 kN；當節間縱梁頂升10 mm時，鋼軌的軌頭拉應力和軌底拉應力分別為103.99 MPa和96.63 MPa，扣件系統所受上拔力和下壓力分別為30.29 kN和89.56 kN，鋼軌軌頭拉應力和軌底拉應力分別增大了6.54倍和8.25倍，扣件系統所受上拔力和下壓力分別增大了1.16倍和4.63倍。當下橫梁附近不松開扣件且節間縱梁頂升2 mm時，扣件系統所受上拔力為20.47 kN，超過WJ-12型扣件系統的扣壓力(為20 kN)，易造成扣件系統破壞。因此，當同時頂升橫梁左右兩側的節間縱梁且不松開扣件更換支座時，節間縱梁抬升高度不應大于1 mm。

3.2 扣件松開范圍的影響

當下橫梁伸縮縫附近左右兩側松開扣件，且節間縱梁同時頂升10 mm時，不同扣件松開范圍下扣件和鋼軌受力如表1所示。

表1 不同扣件松開范圍下軌道系統受力表

由表1可知，隨著扣件松開范圍的增大，鋼軌應力和扣件的下壓力逐漸減小，扣件所受拉力先減小后增大，再急劇減小而后基本不變，這說明頂升節間縱梁更換支座對扣件系統的受力影響范圍有限。當在下橫梁左右兩側同時頂升節間縱梁時，下橫梁上扣件系統承受拉力。當伸縮縫左右兩側各松開2個扣件(工況3)時，下橫梁上仍有1個扣件承受拉力，故扣件所受上拔力增大。當下橫梁上扣件全部松開，且抽掉膠墊時，承受上拔力和下壓力的扣件系統均位于節間縱梁上，故扣件所受上拔力和下壓力基本不變。

當節間縱梁單側頂升10 mm，伸縮縫左右兩側各松開1個或2個扣件時，扣件系統所受的上拔力和下壓力分別為21.81 kN和24.92 kN，超過WJ-12型扣件系統的扣壓力。當下橫梁上扣件系統全部松開，且伸縮縫左右兩側各松開1個扣件，并抽掉橡膠墊板時，扣件所受上拔力僅為3.2 kN，鋼軌所受拉應力為9.68 MPa，遠小于WJ-12型扣件系統的扣壓力和鋼軌允許應力。

控制扣件松開范圍及頂升高度的因素是扣件上拔力，考慮到無縫線路的穩定性，扣件松開范圍不宜過大。因此，本文針對伸縮縫左右各松開1個扣件(工況2)、伸縮縫左右各松開2個扣件(工況3)和下橫梁上松開5個扣件、伸縮縫左右各松開1個扣件(工況4)等工況，研究了不同頂升高度對扣件上拔力的影響，如圖6所示。

從圖6可以看出，當下橫梁伸縮縫附近左右兩側同時松開扣件時，扣件上拔力隨節間縱梁頂升高度的增大而增大。對于工況2和工況3，當頂升高度達到8 mm 時，扣件上拔力分別為21.05 kN和20.24 kN，超過WJ-12型扣件系統的扣壓力。對于工況4，當頂升高度達10 mm時，扣件上拔力僅為3.2 kN，遠小于扣件系統的扣壓力。

圖6 不同工況下扣件上拔力圖

綜上所述，為保證軌道系統受力安全及養護維修便利，若采用下橫梁兩側同時頂升節間縱梁的方法更換支座，建議節間縱梁頂升10 mm，下橫梁上扣件系統全部松開，且伸縮縫左右兩側各松開1個扣件。

4 結論

本文針對孟加拉帕德瑪大橋建立了軌道-橋梁一體化計算模型，研究了大跨連續鋼桁梁橋節間縱梁支座更換對橋上軌道系統的影響，得出以下結論：

(1)同時頂升下橫梁兩側節間縱梁時，鋼軌和扣件系統受力隨頂升高度的增大而增大；在相同的頂升高度下，隨扣件系統松開個數的增加，鋼軌和扣件系統受力減小。

(2)若不松開扣件，同時頂升下橫梁兩側節間縱梁，頂升高度大于1 mm時，扣件系統所受上拔力超過其扣壓力限值，因此采用不松開扣件系統更換節間縱梁支座時，節間縱梁頂升高度不應大于1 mm。

(3)更換橋梁支座節間縱梁頂升10 mm時，為保證軌道系統受力滿足要求，扣件松開范圍應為下橫梁上5個扣件全松開，且伸縮縫左右兩側各松開1個扣件。