滬寧城際軌道交通婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱橋梁端扣件受力分析

李平卓

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線路站場設(shè)計(jì)研究處,武漢 430063)

滬寧城際軌道交通設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度350 km/h,采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu),扣件采用WJ-7B型彈性分開式扣件。扣件幾乎是CRTSⅠ型板式無砟軌道彈性和調(diào)整能力的唯一提供者,其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐久性和彈性直接關(guān)系到高速列車運(yùn)行的安全及舒適性,同時(shí)也會(huì)影響到運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修的工作量及頻率,因此必須保證扣件在高速列車運(yùn)行中發(fā)揮足夠的作用。對于無砟軌道而言,扣件一方面承受來自列車荷載、無縫線路等直接作用,另一方面因無砟軌道結(jié)構(gòu)變形引起扣件附加受力也是其受力的重要組成部分。特別是位于橋上梁縫處的扣件附加作用力更為突出,按照目前國內(nèi)無砟軌道設(shè)計(jì)的要求,梁縫相鄰扣件橫向及豎向錯(cuò)位變形不得大于1 mm,橋梁梁端轉(zhuǎn)角不得大于1‰。對于一般橋梁地段扣件附加受力均較少,但對于類似滬寧城際婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱橋(圖1)這類特殊結(jié)構(gòu)而言,由于提籃拱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要,其梁端與支座距離達(dá)到了2 m,在同樣的橋梁變形下,梁端扣件的受力更為不利,因此必須對這類橋梁結(jié)構(gòu)梁端扣件的附加受力進(jìn)行計(jì)算分析,以保證在各種工況下,扣件具備足夠的可靠性,同時(shí)也期為類似結(jié)構(gòu)的扣件受力提供借鑒和參考。

圖1 婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱橋立面(單位：m)

1 梁端扣件受力機(jī)理及計(jì)算模型

1.1 受力機(jī)理

橋梁受荷載作用以及其他一些影響因素后將引起梁端位移,這種位移的存在將對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的有砟軌道上,由于道砟的流動(dòng)特性對梁端軌道結(jié)構(gòu)傳力有一定放散作用,梁端軌道結(jié)構(gòu)所受附加力較小,梁端變形對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響可以忽略。但是在無砟軌道上,軌道系統(tǒng)與橋梁處于較大的剛性連接狀態(tài),橋梁的微小變形都將對軌道系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此,在無砟軌道橋梁上必須考慮梁端結(jié)構(gòu)變形對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。

影響軌道結(jié)構(gòu)受力的梁端結(jié)構(gòu)變形包括：梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角、梁縫兩側(cè)支座截面豎向相對位移。

(1)梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角

橋梁由于列車荷載、施工誤差、橋墩的不均勻沉降等因素的作用,在橋梁墩臺(tái)處會(huì)產(chǎn)生各種類型的梁端轉(zhuǎn)角。在橋臺(tái)處會(huì)發(fā)生一側(cè)橋梁轉(zhuǎn)角情況,在橋墩處會(huì)發(fā)生兩側(cè)橋梁對稱轉(zhuǎn)動(dòng)以及兩側(cè)橋梁非對稱轉(zhuǎn)動(dòng)的情況,這些轉(zhuǎn)角都將對無砟軌道扣件系統(tǒng)受力造成一定的影響。圖2為橋臺(tái)處橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖。

圖2 橋臺(tái)處橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)示意

在相鄰橋跨(梁-梁、梁-臺(tái))間,當(dāng)一側(cè)梁體(橋臺(tái))保持初始未發(fā)生變形,另一側(cè)梁體在梁端產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角時(shí),支座外側(cè)梁體上抬,通過梁體懸出段上扣件系統(tǒng)帶動(dòng)鋼軌向上位移,使得梁端上鋼軌產(chǎn)生局部隆起現(xiàn)象,如圖3所示。鋼軌局部隆起將導(dǎo)致軌面在高低上出現(xiàn)不平順,影響高速行車和軌道結(jié)構(gòu)的使用要求。同時(shí),梁端轉(zhuǎn)角帶來的鋼軌撓曲(或微小的以梁長為波長的不平順)需通過扣件系統(tǒng)傳遞,并迫使鋼軌實(shí)現(xiàn)。橋上扣件系統(tǒng),特別是梁端扣件可能會(huì)出現(xiàn)不均勻的拉壓力,這種不均勻的拉壓力如果不加以控制,很可能將導(dǎo)致扣件系統(tǒng)的失效。

圖3 梁端支座截面豎向轉(zhuǎn)角帶動(dòng)軌道變形示意

引起梁端支座截面產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角的主要因素有：列車豎向靜活載作用引起的梁端轉(zhuǎn)角、徐變上拱引起的梁端轉(zhuǎn)角、相鄰墩臺(tái)的不均勻沉降差異引起的梁端轉(zhuǎn)角、橋梁上下梁面的梯度溫差引起的梁端轉(zhuǎn)角等。

(2)梁端豎向相對位移

由于橋梁支座的彈性作用,在列車荷載作用下,有荷載一側(cè)橋梁發(fā)生彈性變形,另一側(cè)沒有變形,這樣就容易在梁縫處產(chǎn)生豎向相對位移,此外支座壓縮、施工誤差等因素都有可能引起豎向相對位移,也會(huì)對軌道結(jié)構(gòu)的局部受力產(chǎn)生影響。

在相鄰橋跨(梁-梁、梁-臺(tái))間,當(dāng)一側(cè)梁體(橋臺(tái))保持初始未發(fā)生變形狀態(tài),另一側(cè)梁體在梁端產(chǎn)生豎向相對位移時(shí),梁體通過扣件系統(tǒng)帶動(dòng)鋼軌整體向下位移,使得相鄰梁端上鋼軌產(chǎn)生局部隆起現(xiàn)象,如圖4所示。鋼軌產(chǎn)生的豎向變形通過各個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞和分配,由此在梁端伸縮縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)鋼軌支點(diǎn)處產(chǎn)生鋼軌附加上拔力或下壓力。

圖4 豎向相對位移帶動(dòng)軌道變形示意

引起橋梁豎向相對位移的主要因素有：坡道橋梁的整體溫度差導(dǎo)致橋梁整體長度發(fā)生變化引起的豎向相對位移、同一橋墩的兩支座的彈性壓縮引起的豎向相對位移等。

1.2 計(jì)算模型

梁端軌道結(jié)構(gòu)的常用計(jì)算方法有單元荷載法和實(shí)際荷載法,考慮到實(shí)際荷載法適應(yīng)性強(qiáng),特別是采用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化編程技術(shù),能根據(jù)各種實(shí)際荷載工況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模、劃分單元、建立剛度矩陣、自動(dòng)求解和結(jié)果輸出,且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性更高,因此采用實(shí)際荷載法進(jìn)行建模計(jì)算。

婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱兩端縫寬0.150 m,提籃拱梁端距離支座2 m,梁縫處扣件間距650 mm,其余扣件617 mm。考慮到WJ-7B型扣件配套W1型彈條和X2型彈條時(shí)扣壓力的彈條剛度曲線有一定差別,其中W1型彈條扣壓力和彈程分別為18 kN、14 mm,X2型彈條對應(yīng)12 kN、12 mm,因此計(jì)算模型按照表1中的3種方案進(jìn)行檢算,圖5為婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱扣件系統(tǒng)受力分析模型。

表1 扣件彈條類型布置方案

圖5 婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱扣件系統(tǒng)受力分析模型

2 計(jì)算荷載及組合

2.1 計(jì)算荷載

根據(jù)婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算提供資料,在各種荷載作用下的梁端轉(zhuǎn)角及豎向變形計(jì)算數(shù)值見表2。

表2 婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱梁端轉(zhuǎn)角及豎向變形

注：轉(zhuǎn)角數(shù)值為正時(shí)表示梁端向上轉(zhuǎn),為“-”表示梁端向下。

2.2 荷載組合

根據(jù)各種作用工況,設(shè)計(jì)采用的計(jì)算荷載組合方式見表3,其中組合3為最不利荷載組合方式。

表3 梁端扣件受力檢算荷載組合

3 計(jì)算結(jié)果

將扣件布置方案模型按照計(jì)算荷載組合方式經(jīng)行模擬計(jì)算得到梁端扣件受力計(jì)算結(jié)果(表4),當(dāng)采用W1型彈條和X2型彈條時(shí),WJ-7B型扣件的允許上拔力分別為18 kN和12 kN。從計(jì)算結(jié)果看出僅扣件布置方案三能夠滿足設(shè)計(jì)要求,即梁縫處梁端第一組扣件采用W1型彈條,其余扣件采用X2型彈條。

表4 梁端扣件受力計(jì)算結(jié)果

考慮到3種扣件布置方案扣件縱向阻力值也不相同,在此將無縫線路橋墩附加力的計(jì)算結(jié)果做對比參考(表5),從表5計(jì)算結(jié)果中可以得出扣件布置方案二、三對橋墩附加作用力較小,而采用方案一時(shí)橋墩附加作用力最大的結(jié)論。

表5 無縫線路橋墩附加力計(jì)算結(jié)果對比

綜合扣件梁端扣件受力分析以及對橋墩附加作用力的計(jì)算結(jié)果,扣件布置方案三能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過對滬寧城際軌道交通婁蘊(yùn)特大橋112 m提籃拱橋梁端扣件在各種荷載組合及扣件組合方式下的上拔力計(jì)算分析,主要得到以下結(jié)論：

(1)推薦采用扣件布置方案三作為工程實(shí)施方案,即梁縫處梁端第1組扣件采用W1型彈條,其余扣件采用X2型彈條；

(2)梁端轉(zhuǎn)角及豎向位移變形能夠產(chǎn)生較大的扣件附加上拔力,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮其影響,采用合理的方式減少扣件附加上拔力,如減少梁端距離支座的長度、減少荷載作用下橋梁的撓曲變形、橋梁支座布置與線路坡度一致等；

(3)相同梁端轉(zhuǎn)角及豎向位移變形作用下,全橋采用W1型大扣壓力彈條比采用X2型小扣壓力扣件引起的扣件上拔力大；

(4)采用僅在端部設(shè)置W1型大扣壓力彈條,其余地段采用X2型小扣壓力彈條的扣件組合方式與全橋均采用X2小扣壓力彈條的扣件組合方式對扣件上拔力計(jì)算結(jié)果影響很小。

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