活動支座摩阻力對橋上無縫線路力學特性的影響

焦 雷，曲 村，楊志遠

(1. 北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道結構工程技術研究中心，北京 100037；3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室，北京 100037； 4. 廈門軌道交通集團有限公司，廈門 361000)

隨著我國鐵路建設事業的發展，以橋代路、節約耕地成為我國鐵路重要的設計理念之一，鐵路建設中橋梁的比例普遍較高[1-3]。

我國鐵路橋梁的基本型式為簡支梁橋和連續梁橋。簡支梁橋兩端的橋墩上一般分別設置一個固定支座和一個活動支座；連續梁橋一般只在中間的一個橋墩上設置固定支座，其余的中間橋墩和邊墩上都設置活動支座。由于活動支座處總是存在一定的摩阻力，在溫度荷載和列車荷載作用下，會給橋梁、軌道及無縫線路的力學特性帶來一些影響[4-11]，可能造成受力與變形增大。

一般說來，橋梁的上部結構為一大質量的整體。理論分析和現場實測表明，上部的橋梁結構在溫度荷載、列車豎向荷載和制動荷載的共同作用下會產生平面運動。因此，活動支座處的摩阻力將會通過主梁的傳遞，對固定支座所承受的作用力產生影響。

目前，我國已陸續制定了《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定》(鐵建設函〔2003〕205號)、《京滬高速鐵路設計暫行規定》(鐵建設函〔2004〕157號)、《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函〔2005〕285號)、《鐵路軌道設計規范》(TB 10082—2017)、《新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規定》(鐵建設〔2007〕47號)、《高速鐵路設計規范(試行)》(TB 10621—2009)、《鐵路無縫線路設計規范》(TB 10015—2012)、《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)等，這些規范在不同的時期規定了橋上無縫線路縱向力計算及結構設計方法，反映了我國橋上無縫線路的發展歷程。

但由于現有的鐵路設計規范中對活動支座處的摩阻力并沒有特殊的規定，因此在進行常規的理論仿真分析時一般不考慮活動支座處摩阻力的影響，僅考慮固定支座所在橋墩沿橋縱向與梁體固結，然而，這種算法上的簡化可能會使溫度和車輛荷載作用下橋上無縫線路計算結果產生比較大的偏差。為更加真實地反映實際情況，參考國外規范的要求[12-13]，在分析溫度荷載和車輛荷載對橋上無縫線路的作用時，應該考慮活動支座對橋梁墩臺的摩擦作用。為此，本文對活動支座摩阻力對梁軌相互作用的影響進行了研究，分析了考慮摩阻力后相關參數對梁軌相互作用的影響。

本文通過建立考慮活動支座摩阻力和不考慮活動支座摩阻力的兩種鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路精細化空間耦合仿真模型[14-16]，研究活動支座處摩阻力對梁軌相互作用的影響，并對今后分析橋上無砟軌道無縫線路結構時是否考慮活動支座處的摩阻力提供建議和參考依據。

1 模型建立和參數選取

本文以鋪設CRTS Ⅰ 型板式無砟軌道結構長大橋梁((60+100+60)m連續梁)為例進行計算分析，兩側各考慮5跨32 m簡支梁作為輔助跨，并且建立了相似參數的雙塊式和CRTS Ⅱ 型板式無砟軌道結構長大橋梁仿真模型[17-18]，計算并進行了對比驗證。

1.1 模型主要部件組成

在溫度荷載和列車荷載作用下，鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結構主要由鋼軌、縱向傳力機構(包括扣件)、CRTSⅠ型板式無砟軌道結構(包括軌道板、凸形擋臺、樹脂填充層、砂漿層、底座板等)、橋梁結構(包括梁體、橋墩)等部件組成。本文對各部件利用有限元模型分別進行模擬，所建立的鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型如圖1所示。鋪設雙塊式和CRTSⅡ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型如圖2所示。橋梁模型示意如圖3所示。

圖1 鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型

圖2 鋪設雙塊式和CRTSⅡ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型

圖3 橋梁模型示意

1.2 單元模擬和參數選取

(1) 鋼軌主要考慮其承受溫度變化和車輛豎向及制動荷載的作用，采用梁單元進行模擬。

(2) 扣件主要考慮其限制鋼軌位移與變形的作用，采用彈簧單元進行模擬。

(3) 軌道板、凸形擋臺、樹脂填充層、CA(水泥瀝青)砂漿層和底座板等主要考慮其外形尺寸和材料屬性，均采用實體單元進行模擬，其中，軌道板的混凝土強度等級為C60；凸形擋臺采用C40級混凝土，半徑為260 mm；樹脂填充層厚度為40 mm，彈性系數取10±2 kN/mm；CA砂漿層厚度為50 mm；底座板采用C40級混凝土。

(4) 橋梁主要考慮其外形尺寸和材料屬性，采用實體單元進行模擬，橋墩采用彈簧單元進行模擬。

1.3 活動支座處的摩阻力系數

考慮活動支座處的摩阻力系數分別取為0、0.005、0.01、0.02和0.04，基本上可以包括所有類型支座的摩阻力系數。

2 活動支座摩阻力影響分析

2.1 溫度荷載作用影響分析

計算工況：以鋼軌降溫 50 ℃ 為例，軌道板、底座板參照最新規范考慮降溫 30 ℃，橋梁也考慮適宜的溫度荷載[19]。在考慮活動支座摩阻力系數分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對位移如圖4所示，鋼軌伸縮附加力如圖5所示；溫度荷載作用下鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結構的受力與變形計算結果如表1所示。

圖4 梁軌相對位移1

圖5 鋼軌伸縮附加力

表1 溫度荷載作用下鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結構的受力與變形計算結果

分析圖4、圖5和表1可知，在溫度荷載作用下，隨著活動支座摩阻力系數由0至0.04逐漸增大，梁軌相對位移和橋梁伸縮位移有所減小，說明活動支座摩阻力在一定程度上限制了梁軌的變形；鋼軌伸縮力略有減小；無砟軌道各部件(包括軌道板、凸形擋臺和底座板)受到的應力基本不變；長大連續梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯增大，兩側作為輔助跨的簡支梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯減小。對比模型計算得到的規律與此相同。說明在溫度荷載作用下，活動支座處的摩阻力對軌道結構的受力影響較小，而對所在橋梁墩臺的縱向力影響較大。

2.2 列車豎向荷載作用影響分析

計算工況：列車豎向荷載采用0.8UIC活載即ZK標準荷載，不考慮列車速度系數的沖擊作用。在考慮活動支座摩阻力系數分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對位移如圖6所示，鋼軌撓曲附加力如圖7所示；列車豎向荷載作用下鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結構的受力與變形計算結果如表2所示。

圖6 梁軌相對位移2

圖7 鋼軌撓曲附加力

表2 在列車豎向荷載作用下鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結構的受力與變形計算結果

分析圖6、圖7和表2可知，在列車豎向荷載作用下，隨著活動支座摩阻力系數由0至0.04逐漸增大，鋼軌垂向位移略有減小，但幅度不大；梁軌相對位移變化不大；橋梁跨中撓度也略有減小；鋼軌撓曲力略有增大；無砟軌道部分部件(包括軌道板和底座板)受到的應力略有增大，而凸形擋臺受到的應力略有減小；橋梁支座受力逐漸增大。對比模型計算得到的規律與此相同。說明活動支座摩阻力對上部軌道結構的受力與變形影響較小，對橋梁墩臺的縱向力影響較大。

2.3 列車制動力作用影響分析

計算工況：列車豎向荷載不變，輪軌黏著系數取為0.164[20]。在考慮活動支座摩阻力系數分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對位移如圖8所示，鋼軌制動附加力如圖9所示；列車制動力作用下鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結構的受力與變形計算結果如表3所示。

圖8 梁軌相對位移3

表3 列車制動力作用下鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結構的受力與變形計算結果

分析圖8、圖9和表3可知，在列車制動力作用下，隨著活動支座摩阻力系數由0至0.04逐漸增大，梁軌相對位移有所減小；橋梁縱向位移逐漸減小；鋼軌受到的制動力、無砟軌道各部件(包括軌道板、凸形擋臺和底座板)受到的應力都有所減小；橋梁支座縱向力明顯減小。對比模型計算得到的規律與此相同。說明活動支座處的摩阻力對軌道結構和橋梁結構的受力與變形都有一定的約束作用，而在鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路的設計和仿真計算中，不考慮活動支座處存在的摩阻力也是偏于安全的。

圖9 鋼軌制動附加力

3 結論

本文通過建立鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的精細化空間耦合仿真模型及對比模型，分析了活動支座處的摩阻力對軌道結構和橋梁結構的受力與變形的影響，得到以下結論：

(1) 在溫度荷載作用下，活動支座處的摩阻力在一定程度上限制了軌道與橋梁結構的變形，對上部軌道結構的設計影響不大，但對橋梁墩臺的縱向力有一定影響，長大連續梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯受其影響，設計可能會產生較大的偏差。因此，在今后的橋梁設計中，建議在連續梁的設計中選用抗縱向變形能力較大的固定支座。

(2) 在列車豎向荷載作用下，活動支座處的摩阻力對上部軌道結構的受力與變形影響較小，只是影響了橋梁固定支座所在橋墩的縱向受力，設計也可能會產生較大的偏差。因此，在以后的橋梁設計中，也建議選用抗縱向變形能力較大的固定支座。

(3) 在列車制動力作用下，活動支座處的摩阻力對軌道結構和橋梁結構的受力與變形都有一定的約束作用，因此在鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路的設計和仿真計算中，不考慮活動支座處的摩阻力是偏于安全的。

(4) 簡支梁橋兩端的橋墩上一般都分別設置一個固定支座和一個活動支座，從整體上講，是否考慮活動支座摩阻力，橋墩提供的總剛度都不變，所以影響不大；連續梁橋一般只在中間的一個橋墩上設置固定支座，其余的中間橋墩和邊墩上都設置活動支座，橋墩剛度未被計入，所以在后續研究中，還應重點考慮長大連續梁橋的活動支座摩阻力對梁軌間縱向力傳遞的影響。