既有橋嵌入式軌道系統優化設計

祝朋瑋

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510045）

1 引言

現代有軌電車多采用傳統軌道交通的軌道系統模式，即鋼軌-扣件-軌枕-道床系統。該系統雖然成熟可靠，但其所需結構高度高、適應性差，且由于其點支撐的特性，在混合路權段使用時極易出現瀝青鋪裝層壓潰破損、扣件罩破壞等病害。嵌入式軌道系統采用連續支撐取代傳統扣件系統的點支持模式，有效解決了上述問題，同時其具有良好的減振降噪效果，目前已廣泛應用于國內現代有軌電車建設中。

但當嵌入式軌道在橋梁，尤其是長大連續橋梁上應用時，軌-橋相互作用復雜，國內相關研究較少。本文針對某地有軌電車項目跨越既有橋段嵌入式軌道結構，根據無縫線路軌-橋相互作用機理，建立嵌入式軌道-橋梁有限元模型，分析溫度荷載作用下軌-橋相互作用力及相對位移，為該段嵌入式軌道設計提供必要的理論支撐和優化建議。

2 計算模型及計算參數

2.1 計算模型

某地有軌電車跨既有橋段下部基礎為5聯連續梁橋，橋梁跨徑為5×18 m+6×18 m+3×38 m+5×18 m+4×18 m，采用板式橡膠支座，橋面鋪設瀝青混凝土層。橋梁建設年代久遠，對后加外部荷載敏感。嵌入式軌道系統示意圖如圖1所示。

圖1 既有橋嵌入式軌道系統示意圖（單位：mm）

本文以上述實際案例為基礎，采用梁軌相互作用理論，建立5×18 m+6×18 m+3×38 m+5×18 m+4×18 m連續梁-有軌電車嵌入式軌道模型，如圖2所示。

圖2 模型示意圖

道床與橋梁量體之間采用膨脹螺栓連接，當梁體受溫度荷載作用產生伸縮變形時，道床受約束同步變形，兩者間變形差極小，可將兩者視為統一結構體。既有橋兩端分別建立50 m路基段，用以消除邊界效應的影響。

2.2 計算模型

2.2.1 鋼軌

本工程鋼軌采用60R2槽型鋼軌，模型中采用BEAM3梁單元進行模擬，其主要性能參數見表1。

表1 60R2槽型鋼軌性能參數表

2.2.2 槽內材料

槽內高分子材料為鋼軌提供垂向和橫向支撐，并提供縱向阻力以阻止鋼軌與道床間發生相對位移。根據相關測試結果，嵌入式軌道系統垂向剛度取60 kN/mm、橫向剛度取44 kN/mm、縱向阻力取20 kN/mm。

2.2.3 橋梁

橋梁采用BEAM3梁單元進行模擬，其主要性能參數見表2。

表2 橋梁性能參數表

3 工況設置

3.1 溫度荷載參數

依據TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》，某地最高軌溫59.1℃，最低軌溫0.00℃，年最大軌溫差為59℃。鎖定軌溫按（30±5）℃執行，最大溫升34.1℃，最大溫降35℃。橋梁梁體年溫差按30℃執行。

3.2 工況設置

采用單因素變量法，對伸縮調節器設置情況進行優化設計，分析溫度荷載作用下軌-橋相互作用力及相對位移。

1）全線采用無縫線路，無伸縮調節器設置。

2）全線采用無縫線路，梁縫處增設伸縮調節器裝置。

4 結論與分析

4.1 無伸縮調節器設置

全線采用無縫線路，無伸縮調節器設置時，鋼軌伸縮力、墩臺縱向受力、鋼軌位移、橋梁位移及梁軌相對位移如圖3～圖5示。

圖3 鋼軌伸縮力（1）

圖4 墩臺縱向受力（1）

圖5 工況位移（1）

從圖3～圖5可見：

1）鋼軌最大伸縮力-558.99 kN，經強度檢算：軌頭強度為353.84 MPa、軌底強度為350.04 MPa，均小于鋼軌容許強度。

2）墩臺縱向受力最大266.592 kN，可滿足橋梁專業要求。

3）鋼軌最大位移7.520 mm、橋梁最大位移-20.123 mm、梁軌相對最大位移17.482 mm。

胡燚斌、馮青松等[1-9]實驗測試結果表明，當梁軌相對位移達到7.66 mm時，槽內鋼軌兩側高分子材料產生局部破壞現象。本工況下梁軌相對最大位移可達17.482 mm，遠超上述實驗數據，極易促使高分子材料產生破壞現象，進而影響工程安全服役性能。

4.2 梁縫處增設伸縮調節器裝置

由3.1節可知，梁縫處鋼軌位移、橋梁位移、梁軌相對位移均比較大，尤其各梁縫處梁軌相對位移均突破了嵌入式軌道鋼槽內高分子材料安全服役所允許的最大值。為解決上述問題，可在各梁縫處增設伸縮調節器。

此工況條件下，鋼軌伸縮力、墩臺縱向受力、鋼軌位移、橋梁位移及梁軌相對位移如圖6～圖8所示。

圖6 鋼軌伸縮力（2）

圖7 墩臺縱向受力（2）

圖8 工況位移（2）

從圖6～圖8可見：

1）鋼軌最大伸縮力459.70 kN，經強度檢算：軌頭強度為346.92 MPa、軌底強度為342.19 MPa，均小于鋼軌容許強度。

2）墩臺縱向受力最大4 kN，可滿足橋梁專業要求。

3）鋼軌最大位移-18.067 mm、橋梁最大位移-22.614 mm、梁軌相對最大位移4.551 mm。梁軌相對位移可滿足嵌入式軌道鋼槽內高分子材料安全服役所要求。

5結 論

1）對于某工程既有多聯橋梁，在溫度荷載作用下，鋼軌強度、橋梁墩臺受到的縱向阻力均可滿足要求。

2）在做特殊設計條件下，梁軌最大相對位移可達17.482mm，遠超槽內鋼軌兩側高分子材料安全服役所允許值，極易造成高分子材料撕裂破壞現象，影響工程安全。

3）梁縫處增設伸縮調節器可以有效降低梁軌相對位移，確保滿足高分子材料安全服役要求。

4）嵌入軌道系統縱向阻力大，鋼軌與梁體（道床）之間的相對位移直接影響了槽內高分子材料的安全服役性能，是有軌電車橋上嵌入式軌道無縫線路設計的關鍵技術參數。