大跨度梁拱組合橋上無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高的確定及影響因素分析

王典斌

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

近年來(lái)隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，無(wú)砟軌道得以廣泛應(yīng)用［1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)砟軌道板的線形控制、橋梁預(yù)拱度的設(shè)置等作了大量研究。楊艷麗等［2]提出通過(guò)調(diào)整底座板和自密實(shí)混凝土層厚度控制橋上無(wú)砟軌道線形的方法。王安琪等［3]分析發(fā)現(xiàn)橋梁預(yù)拱度的設(shè)置和軌道二期鋪裝會(huì)影響橋梁上軌道的高低。張鵬飛等［4]分析了車載作用長(zhǎng)度等因素對(duì)無(wú)砟軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的撓曲力與位移的影響。陳嶸等［5]分析了溫度荷載下縱連板式無(wú)砟軌道梁軌耦合作用規(guī)律。Sheng等［6]研究發(fā)現(xiàn)隨著疲勞后荷載的增加，無(wú)砟軌道的荷載-位移曲線和荷載-壓力曲線表現(xiàn)出明顯的非線性。朱志輝等［7]通過(guò)計(jì)算不同荷載作用下CRTSⅠ型無(wú)砟軌道和橋面板的豎向位移曲率、軌道層間壓縮量和梁端轉(zhuǎn)角，分析了無(wú)砟軌道與大跨度斜拉橋間的變形適應(yīng)性。許振楠等［8]分析了線性與非線性溫度梯度荷載作用下無(wú)砟軌道板的變形差異，發(fā)現(xiàn)軌道板頂面溫度越高軌道板變形差異越小。李國(guó)龍等［9]研究表明，橋梁活動(dòng)支座上底座與下底座互相摩擦?xí)r，在溫度荷載作用下軌道板會(huì)發(fā)生翹曲，影響行車安全性和乘坐舒適性。張捍東［10]建立了大跨度斜拉橋上無(wú)砟軌道精細(xì)化模型，分析了不同荷載作用下大跨度橋上無(wú)砟軌道縱向力。左家強(qiáng)［11]研究了不同橋梁結(jié)構(gòu)體系在溫度荷載作用下產(chǎn)生的豎向變形，發(fā)現(xiàn)有效消除梁體收縮徐變及溫度變形后的橋梁結(jié)構(gòu)更容易滿足無(wú)砟軌道平順性的要求。

以往研究集中于無(wú)砟軌道施工技術(shù)、軌道力學(xué)性能、軌道線形等，較少涉及無(wú)砟軌道板鋪設(shè)時(shí)立模標(biāo)高的相關(guān)問(wèn)題。本文以新建川南城際高速鐵路大跨度梁拱組合橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕IDAS/Civil軟件建立有限元模型，提出無(wú)砟軌道板鋪設(shè)過(guò)程中立模標(biāo)高的確立方法，并分析無(wú)砟軌道板模擬方式、鋪設(shè)順序、存梁時(shí)間等因素對(duì)無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高的影響。

1 大跨度梁拱組合橋有限元模型的建立

新建川南城際高速鐵路大跨度梁拱組合橋跨徑布置為（64+128+64）m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-拱組合體系。主梁為單箱單室變截面箱梁，采用C55 混凝土，橋墩采用C50 混凝土。箱梁頂板寬11.2 m，跨中處梁高3 m，拱座處梁高7 m。拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用等高度啞鈴形截面，截面高度2.8 m，拱肋弦管直徑0.8 m，拱肋設(shè)計(jì)矢高25.6 m，拱肋中心線矢跨比1/5。鋼管及拱肋橫向連接系采用Q345qD 鋼材，拱肋內(nèi)采用自密實(shí)補(bǔ)償收縮C50混凝土。采用空間桁架橫撐，鋼管內(nèi)部不填充混凝土。

全橋共設(shè)28 根吊桿，采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860 MPa的GJ15-19型鋼絞線，吊桿順橋向間距8.0 m，采用CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板。橋梁立面如圖1所示。

圖1 橋梁立面（單位：cm）

采用MIDAS/Civil 軟件建立橋梁-軌道板有限元模型，其中主梁、拱肋、吊桿橫梁和橫撐采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用只受拉桁架單元模擬。全橋共設(shè)有50塊無(wú)砟軌道板，軌道板之間留有70 mm 伸縮縫。為便于分析，采用梁?jiǎn)卧虬鍐卧x散軌道板結(jié)構(gòu)，單塊軌道板劃分為一個(gè)梁?jiǎn)卧虬鍐卧＼壍腊骞?jié)點(diǎn)與主梁對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)設(shè)為剛性連接。拱腳和主梁為共節(jié)點(diǎn)連接，主梁采用連續(xù)梁支座形式設(shè)置約束條件。全橋有限元模型共計(jì)757個(gè)節(jié)點(diǎn)，928個(gè)單元，如圖2所示。

圖2 梁拱組合橋有限元模型

2 無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高的確定方法

無(wú)砟軌道板的鋪設(shè)過(guò)程類似于橋梁懸臂施工過(guò)程，后續(xù)鋪設(shè)的軌道板自重會(huì)對(duì)已鋪設(shè)軌道板產(chǎn)生影響，再結(jié)合混凝土收縮徐變、溫度等因素的影響，無(wú)砟軌道板的立模標(biāo)高須在設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)上設(shè)置一定量的預(yù)拋高值，即

式中：f立模i，f設(shè)計(jì)i，δ△i分別為第i塊軌道板的立模標(biāo)高、設(shè)計(jì)標(biāo)高和預(yù)拋高值。

無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值由后續(xù)鋪設(shè)的軌道板自重、混凝土收縮徐變、溫度等因素影響產(chǎn)生的變形值反算得到。即

式中：lij為在第j塊軌道板自重作用下第i塊軌道板的變形值；n為軌道板總塊數(shù)；ui為混凝土收縮徐變、溫度等荷載作用下第i塊軌道板的變形值。

依據(jù)橋梁有限元模型，仿真模擬無(wú)砟軌道板的鋪設(shè)過(guò)程，根據(jù)其施工工序劃分施工階段。由最后施工階段各軌道板累加變形得到其預(yù)拋高值，再結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙中給定的設(shè)計(jì)標(biāo)高，確定各塊無(wú)砟軌道板的實(shí)際立模標(biāo)高。

3 無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高的影響因素

3.1 無(wú)砟軌道板模擬方式的影響

為簡(jiǎn)化運(yùn)算，以往結(jié)構(gòu)分析時(shí)常忽略軌道板的剛度，以施加等效力的方式模擬軌道板的重量，且僅考慮軌道板的質(zhì)量，未考慮軌道板的剛度，以主梁的位移量來(lái)反映軌道板的變形值。為分析無(wú)砟軌道板剛度對(duì)其預(yù)拋高值的影響，分3種情況進(jìn)行模擬：①以梁?jiǎn)卧M無(wú)砟軌道板；②以板單元模擬無(wú)砟軌道板；③通過(guò)施加等效力的方式模擬軌道板的重量。

假定軌道板從橋梁左側(cè)依次向右側(cè)鋪設(shè)，根據(jù)無(wú)砟軌道板的不同模擬方式劃分施工階段，分析得到在等效力或軌道板自重作用下無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值。不同模擬方式下軌道板預(yù)拋高值見(jiàn)圖3。

圖3 不同模擬方式下軌道板預(yù)拋高值

由圖3 可以看出，采用梁?jiǎn)卧M和采用板單元模擬時(shí)無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值基本相等。施加等效力模擬時(shí)無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值要大于采用梁?jiǎn)卧虿捎冒鍐卧M時(shí)。3 種模擬方式下左右邊跨跨中無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值均相等。考慮到高速鐵路無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高的高精度要求和計(jì)算效率，后續(xù)建模確定無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高時(shí)可采用梁?jiǎn)卧虬鍐卧M無(wú)砟軌道板。

3.2 無(wú)砟軌道板鋪設(shè)順序的影響

采用梁?jiǎn)卧M無(wú)砟軌道板，考慮混凝土收縮徐變的影響，成橋后存梁時(shí)間設(shè)置為30 d。為分析鋪設(shè)順序?qū)o(wú)砟軌道板預(yù)拋高值的影響，分3 種工況進(jìn)行模擬：①?gòu)臉蛄鹤蠖艘来蜗蛴叶耸┕ぃ佋O(shè)速度為1 塊/d；②從橋梁中跨跨中分別向兩端施工，鋪設(shè)速度為2 塊/d；③從橋梁兩端分別向中跨跨中施工，鋪設(shè)速度為2塊/d。無(wú)砟軌道板鋪設(shè)順序如圖4所示。

圖4 無(wú)砟軌道板鋪設(shè)順序

根據(jù)軌道板的不同鋪設(shè)順序劃分無(wú)砟軌道板的施工階段，分析得到各工況下無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值，見(jiàn)圖5。

圖5 各工況下無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值

由圖5 可知：左邊跨跨中無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值工況1 最大，工況3 最小；中跨跨中無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值工況3最大，而右邊跨跨中無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值工況2最大。工況2、工況3左右邊跨跨中無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值相同，以中跨跨中為中心對(duì)稱。

結(jié)合高速鐵路無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高的高精度要求，考慮實(shí)際工程中的工期限制，采用從橋梁中跨跨中向兩端的鋪設(shè)順序（工況2）更有利于實(shí)際施工和控制橋梁中跨無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值，而采用從橋梁兩端同時(shí)向中跨跨中的鋪設(shè)順序（工況3）更有利于控制橋梁邊跨無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值。

3.3 存梁時(shí)間的影響

為減小混凝土收縮徐變對(duì)無(wú)砟軌道板標(biāo)高的影響，通常在成橋后無(wú)砟軌道板鋪設(shè)前將橋梁靜置一段時(shí)間，即設(shè)置一定的存梁時(shí)間。為分析存梁時(shí)間對(duì)無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值的影響，采用梁?jiǎn)卧M無(wú)砟軌道板，考慮混凝土收縮徐變的影響，軌道板從橋梁左端依次向右端鋪設(shè)，存梁時(shí)間分別設(shè)定為30，60，90 d。通過(guò)對(duì)各施工階段的分析得到不同存梁時(shí)間下無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值，見(jiàn)圖6。可知，存梁時(shí)間對(duì)橋梁中跨無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值影響較大，但對(duì)橋梁邊跨無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值影響較小。隨著存梁時(shí)間的增加，橋梁中跨跨中無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值由2.05 mm 逐漸減至1.21 mm。施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際存梁時(shí)間合理預(yù)測(cè)混凝土收縮徐變對(duì)橋梁中跨無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值的影響。

圖6 不同存梁時(shí)間下無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值

4 結(jié)論

1）采用梁?jiǎn)卧M和采用板單元模擬無(wú)砟軌道板時(shí)其預(yù)拋高值基本相等，而通過(guò)施加等效力模擬無(wú)砟軌道板重量時(shí)其拋高值要大于采用梁?jiǎn)卧筒捎冒鍐卧M無(wú)砟軌道板時(shí)。考慮到高速鐵路無(wú)砟軌道板立模標(biāo)高的高精度要求和計(jì)算效率，建模確定軌道板立模標(biāo)高時(shí)建議采用梁?jiǎn)卧虬鍐卧M無(wú)砟軌道板。

2）從橋梁中跨跨中向兩端鋪設(shè)更有利于實(shí)際施工和控制橋梁中跨無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值，從橋梁兩端同時(shí)向中跨跨中鋪設(shè)更有利于控制橋梁邊跨無(wú)砟軌道板的預(yù)拋高值。

3）橋梁存梁時(shí)間對(duì)橋梁中跨無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值影響較大，隨存梁時(shí)間增加中跨無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值逐漸較小。施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際存梁時(shí)間合理預(yù)測(cè)混凝土收縮徐變對(duì)橋梁中跨無(wú)砟軌道板預(yù)拋高值的影響。