新型明橋面軌枕板式無砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

張 政，董昆靈，劉 明，許釗榮，黃永輝，楊榮山

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031；3.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣州 510088)

到2020年12月底，我國高速鐵路運營里程達(dá)到3.79萬km[1]，其中包含1.6萬余km的鐵路橋梁，占總里程的45.2%，京津、京滬等高速鐵路的橋梁長度更是達(dá)到總里程的85%以上[2]。

鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)以其質(zhì)量輕、受力清晰，強(qiáng)度和剛度均較為出色，成為跨越地形的理想橋型[3]。受橋梁變形限制，大跨度鋼桁梁橋一般選擇鋪設(shè)有砟軌道，如武漢天興洲長江大橋[4]、五峰山長江大橋[5]、京滬高鐵濟(jì)南黃河大橋[6]和南廣鐵路西江特大橋[7]等，有砟軌道結(jié)構(gòu)較為成熟，但養(yǎng)護(hù)維修工作量大，結(jié)構(gòu)自重大，在大跨度橋上鋪設(shè)會顯著增加橋梁的建造費用。當(dāng)前，我國在中小跨度鋼桁梁上一般鋪設(shè)木枕明橋面軌道[8-9]，僅在香港青馬大橋[10-11]、中俄同江鐵路大橋[12]兩座大跨度橋梁上鋪設(shè)了明橋面無砟軌道，而且，這兩座橋上的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式也有所不同。

目前，在大跨度鋼桁梁橋上鋪設(shè)明橋面無砟軌道的實踐經(jīng)驗不足，相關(guān)技術(shù)也不成熟。因此，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下大跨度鋼桁橋上明橋面無砟軌道結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行研究具有緊迫的現(xiàn)實意義。

南沙港鐵路某大跨度鋼桁梁橋的主橋采用新型明橋面軌枕板式無砟軌道。為分析軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)合理性，采用有限元軟件建立橋上軌枕板式無砟軌道計算模型，研究了軌枕板幾何尺寸、板下墊層厚度等參數(shù)對明橋面軌枕板式無砟軌道力學(xué)性能的影響，為大跨度橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 橋上軌道結(jié)構(gòu)模型

1.1 橋梁概況

南沙港鐵路某大跨度橋為雙線鐵路橋，采用138 m鋼桁梁+(360+360)m連續(xù)雙鋼桁梁柔性拱+138 m鋼桁梁橋式布置，如圖1所示。

圖1 大跨度鋼桁梁橋橋式布置(單位：m)

橋面采用縱橫梁明橋面體系，每股道下方布置2道縱梁，共計4道縱梁，縱梁橫向間距為2 m，每隔兩個節(jié)間留有110 mm的斷縫，用來設(shè)置縱向活動鉸?？v梁通過橫梁相連，橫梁布置在2片鋼桁下弦節(jié)點處，2片主桁采用交叉式橫向聯(lián)接。

1.2 橋上軌道結(jié)構(gòu)概況

明橋面軌枕板式無砟軌道主要結(jié)構(gòu)部件包括混凝土軌枕板、板下墊層、高強(qiáng)度螺栓、限位圓管(焊接在縱梁上)等部件，如圖2所示。每個軌枕板上布置2組承軌臺，并且在2組承軌臺之間布置1對限位圓管和高強(qiáng)螺栓，軌枕板間預(yù)留100 mm板縫。其中軌枕板通過高強(qiáng)螺栓直接與縱梁連接，利用板下墊層調(diào)整軌道鋪設(shè)時的幾何形位；高強(qiáng)度螺栓的主要作用是將軌道板緊壓在縱梁上，增大結(jié)構(gòu)層間摩擦力，以此來限制軌枕板位移和變形；限位圓管焊接在縱梁上，通過彈性墊層與軌枕板連接，限制其縱橫向位移。

2 靜力學(xué)模型建立

2.1 模型參數(shù)

根據(jù)新型明橋面軌枕板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點和受力特性，建立軌枕板式軌道-縱梁靜力學(xué)模型，如圖3所示。其中，鋼軌簡化為彈性點支承梁，扣件簡化為線性點支承彈簧，軌道板、墊層、限位圓管、高強(qiáng)螺栓和鋼桁梁橋的縱梁均采用實體單元模擬。

圖3 新型明橋面軌枕板式無砟軌道靜力學(xué)模型

軌道采用MQ-1型彈性扣件，垂向剛度為39.15 kN/mm，橫向剛度為40 kN/mm，縱向剛度為9 kN/mm[13]；軌枕板采用C60混凝土，墊層采用C40混凝土。

為消除邊界效應(yīng)[14]，本模型采用3塊單元軌枕板進(jìn)行計算，以中間單元軌枕板作為研究對象。

2.2 載荷參數(shù)

根據(jù)橋梁設(shè)計要求，列車豎向荷載取為靜輪載(25 t軸重)的2.5倍，即625 kN；橫向力大小為靜輪載的0.8倍，即200 kN；縱向力主要考慮制動力，取值為75.901 kN[15]。溫度荷載包括垂向溫度梯度-45 ℃/m[16]和鋼桁梁橋與軌枕板之間15 ℃溫差[17]。10.9級M27高強(qiáng)聯(lián)接螺栓的扭矩為460 N·m[18]。

3 軌道結(jié)構(gòu)受力特性

軌道結(jié)構(gòu)重力作為鐵路橋梁主要的二期恒載，能直接影響到主橋的設(shè)計荷載和經(jīng)濟(jì)性[19]，所以高整體性和低自重一直是橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計時的重點目標(biāo)[20]。因此針對軌枕板長度、寬度和厚度和板下墊層厚度等參數(shù)開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，研究列車荷載和溫度荷載共同作用下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)的軌枕板式無砟軌道力學(xué)性能。

3.1 承軌臺組數(shù)

為了確定單個軌枕板上承軌臺的最優(yōu)組數(shù)，從而來進(jìn)一步確定軌枕板長度，所以承軌臺組數(shù)分別取2，3，4組，計算其軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移最大值，布置2組承軌臺的軌枕板應(yīng)力云圖如圖4所示，計算結(jié)果見圖5。

圖4 布置2組承軌臺的軌枕板應(yīng)力云圖

由圖4可知，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸時，限位圓管和螺栓附近區(qū)域主要承受擠壓作用，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致螺栓孔附近混凝土易受壓破壞，因此要特別注意螺栓孔附近區(qū)域的受力和變形情況。

由圖5可得，承軌臺組數(shù)由2組增加至4組的過程中，軌枕板縱、橫向拉應(yīng)力與承軌臺組數(shù)呈正相關(guān)，縱、橫向拉應(yīng)力分別增大了20.3%、17.4%；軌枕板的縱向壓應(yīng)力與承軌臺組數(shù)呈正相關(guān)，增大了59.7%，而其橫向壓應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，減小了33.8%；軌枕板的縱、橫向位移與承軌臺組數(shù)呈正相關(guān)，縱、橫向位移分別增大了256.1%、21.2%；螺栓孔縱、橫向位移與承軌臺組數(shù)呈正相關(guān)，螺栓孔縱、橫向位移分別增大了320%、17.5%。

圖5 不同承軌臺組數(shù)對比計算結(jié)果

綜上所述，隨著單塊軌枕板上承軌臺組數(shù)增加，高強(qiáng)螺栓組數(shù)也會隨之增加。增大板長會導(dǎo)致螺栓與軌枕板之間的相對位移增大，易造成螺桿與軌枕板的螺栓孔壁接觸，造成螺栓受力不利，同時，在荷載反復(fù)作用下，易造成高強(qiáng)螺栓疲勞失效，所以板長不宜過長。因此，考慮到軌道結(jié)構(gòu)的受力情況及橋梁布板，兼顧溫暖地區(qū)鋪設(shè)板式無砟軌道的適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性，建議每塊軌枕板上布置2組承軌臺，單塊軌枕板長度取為1 200 mm。

3.2 軌枕板寬度

為了研究軌枕板寬度對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，軌枕板寬度分別取2 600，2 800，3 000，3 200 mm，然后計算其軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值等，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同軌枕板寬度對比計算結(jié)果

由圖6可知，軌枕板寬度由2 600 mm增加至3 200 mm的過程中，軌枕板縱、橫向拉應(yīng)力與軌枕板寬度呈正相關(guān)，縱、橫向拉應(yīng)力分別增大了116%、46.7%，均在軌枕板抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)。而軌枕板縱、橫向壓應(yīng)力受軌枕板寬度的影響較小。

綜上所述，隨著板寬增大，軌枕板拉應(yīng)力成遞增趨勢，所以板寬不宜過大。由于鋼桁梁橋兩主縱梁中心橫向距離為2 m，主縱梁翼緣板寬度為580 mm，并且需要為高強(qiáng)螺栓預(yù)留足夠的軌枕板側(cè)面橫向安全距離，同時考慮到標(biāo)準(zhǔn)軌距及兩側(cè)軌道中心距，所以建議軌道板寬度取為2 800 mm。

3.3 軌枕板厚度

為了研究軌枕板厚度對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，軌枕板厚度分別取240，260，280，300 mm，計算其軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移最大值等，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同軌枕板厚度對比計算結(jié)果

由圖7可知，板厚由240 mm增加至300 mm的過程中，軌枕板所受縱、橫向壓應(yīng)力與軌枕板厚度呈正相關(guān)，縱、橫向壓應(yīng)力分別增大了25.7%、17.0%；縱、橫向拉應(yīng)力與軌枕板厚度呈負(fù)相關(guān)，縱、橫向拉應(yīng)力分別減少了52.8%、37.0%；板下墊層所受縱、橫向壓應(yīng)力與軌枕板厚度呈負(fù)相關(guān)，墊層縱、橫向壓應(yīng)力分別減少了18.3%、23.1%；而在溫度力和輪載作用下，軌枕板的垂向位移由0.12 mm增大到0.16 mm，受軌枕板厚度影響較小。

綜上所述，考慮到軌枕板中預(yù)應(yīng)力鋼筋凈距要求，所以軌枕板的厚度不宜過小，而板厚的增大會導(dǎo)致軌枕板所受壓應(yīng)力及變形增大，所以軌枕板的厚度也不宜過大。當(dāng)軌枕板厚度為240 mm或260 mm時，軌枕板所受橫向拉應(yīng)力接近軌枕板的抗拉強(qiáng)度，所以建議軌枕板的厚度取為280 mm。

3.4 板下墊層厚度

為了研究板下墊層厚度對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，板下墊層厚度分別取60，80，100，120，140 mm，然后計算其軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值等，計算結(jié)果見圖8。

圖8 不同墊層厚度對比計算結(jié)果

由圖8可知，墊層厚度由60 mm增加至140 mm的過程中，軌枕板縱、橫向拉應(yīng)力與墊層厚度呈正相關(guān)，縱、橫向拉應(yīng)力分別增大了54.5%、46.7%；軌枕板縱向壓應(yīng)力與墊層厚度呈負(fù)相關(guān)，縱向壓應(yīng)力減小了24.9%；板下墊層縱、橫向拉應(yīng)力與墊層厚度呈正相關(guān)，橫向拉應(yīng)力增大了68.3%，縱向拉應(yīng)力由0.05 MPa增大至0.86 MPa。而軌枕板橫向壓應(yīng)力和板下墊層縱、橫向壓應(yīng)力受墊層厚度的影響較小。

綜上所述，隨著墊層厚度增大，板下墊層和軌枕板所受拉應(yīng)力呈遞增趨勢，軌枕板所受縱向壓應(yīng)力呈遞減趨勢，但達(dá)到一定的限值時，板下墊層的受力受墊層厚度的影響較小，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在允許限值之內(nèi)，說明軌道結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度檢算要求。綜合以上分析結(jié)果，再考慮到橋梁布板和溫暖地區(qū)鋪設(shè)板式無砟軌道的適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性等因素，因此建議板下墊層厚度取為120 mm。

4 結(jié)論

通過對不同軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)下大跨度鋼桁梁柔性拱橋梁上新型明橋面軌枕板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行計算分析，主要結(jié)論如下。

(1)隨著單塊軌枕板上布置的承軌臺數(shù)目的增加，即隨著軌枕板的長度增大，軌枕板的螺栓孔附近區(qū)域的受力和變形也隨之增大，易造成螺桿受剪，從而導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓疲勞失效。高強(qiáng)螺栓作為聯(lián)結(jié)軌道結(jié)構(gòu)和鋼梁的構(gòu)件，其失效會進(jìn)而影響到軌道結(jié)構(gòu)與橋梁的整體性。

(2)板下墊層作為層間協(xié)調(diào)變形的主要部件，其厚度對該新型明橋面軌枕板式無砟軌道的受力影響較大，建議板下墊層厚度取為120 mm。

(3)建議南沙港某大跨度橋上新型明橋面軌枕板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中軌枕板采用2組承軌臺，軌枕板寬度取為2 800 mm，軌枕板厚度取為280 mm。