高速鐵路橋梁病害整治頂梁工作對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

摘 要：高速鐵路橋梁病害整治頂梁工作是保障高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以某高速鐵路橋梁病害整治頂梁工程為例，分析了頂梁工作對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)對(duì)頂梁前后軌道幾何狀態(tài)、軌道動(dòng)力學(xué)性能、軌道橫向阻力等指標(biāo)的測(cè)試分析，研究了頂梁工作對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，頂梁工作會(huì)導(dǎo)致軌道幾何狀態(tài)、軌道動(dòng)力學(xué)性能等指標(biāo)發(fā)生變化，但變化仍在允許范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；橋梁病害；頂梁工作；軌道結(jié)構(gòu)；影響分析

中圖分類號(hào)：U213.2" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）11-0025-03

0 引言

高速鐵路作為一種高效、快捷、安全、環(huán)保的交通運(yùn)輸方式，已成為綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分。截至2022年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)4.2萬(wàn) km，位居世界首位。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，橋梁病害問(wèn)題日益突出。橋梁病害不僅影響行車安全和乘客舒適度，還會(huì)縮短橋梁使用壽命，增加養(yǎng)護(hù)成本。因此，有必要采取有效措施對(duì)高速鐵路橋梁病害進(jìn)行整治。

1 工程概況

本文以某高速鐵路橋梁病害整治頂梁工程為研究對(duì)象。該橋梁為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，采用CRTS III型板式無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)速度350 km/h。經(jīng)檢測(cè)，該橋梁主梁底部出現(xiàn)大面積裂縫，需采取頂梁措施進(jìn)行加固。

頂梁采用門式鋼管腳手架體系，立柱間距2 m，縱向設(shè)兩排，橫向設(shè)一排，共8根立柱。立柱頂端設(shè)置工字鋼分配梁和鋼板墊層，用于均勻傳遞荷載。頂梁施工時(shí)，先將軌道縱向推移2 m，橫向推移0.5 m，然后搭設(shè)頂梁，頂升使其緊貼主梁底面，再澆筑高強(qiáng)無(wú)收縮混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，拆除頂梁，將軌道恢復(fù)到原位。

2 軌道幾何狀態(tài)影響分析

2.1 測(cè)試方案

首先，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，選取能綜合反映軌道幾何狀態(tài)的變化情況的軌距、水平、高低三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。其次，選用精度高、可靠性強(qiáng)的CRGJ-Ⅱ型軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[1]。再次，為了對(duì)比分析頂梁工作前后軌道幾何狀態(tài)的變化，將測(cè)試時(shí)間分別安排在頂梁施工前1天和頂梁拆除后1天，同時(shí)考慮到測(cè)試數(shù)據(jù)的離散性，每個(gè)指標(biāo)測(cè)試3次，取平均值作為最終結(jié)果。此外，測(cè)試過(guò)程嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行，測(cè)試人員經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，確保測(cè)試過(guò)程科學(xué)、規(guī)范。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 軌距值變化分析

根據(jù)表1可以看出，在頂梁施工前，各測(cè)點(diǎn)的軌距值均在1 435～1 437 mm，符合高速鐵路軌道幾何狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求。然而，在經(jīng)過(guò)頂梁施工后，軌距值出現(xiàn)了不同程度的增大，最大增量達(dá)到了2 mm。產(chǎn)生這一變化的主要原因是在頂梁施工過(guò)程中，軌道結(jié)構(gòu)受到了一定的擾動(dòng)，導(dǎo)致鋼軌在橫向產(chǎn)生了位移，使得軌距發(fā)生變化，但變化幅度仍在允許范圍內(nèi)。

2.2.2 水平值變化分析

根據(jù)表2可以看出，在頂梁施工前，各測(cè)點(diǎn)的水平值均在±2 mm，滿足高速鐵路軌道幾何狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，表明軌道水平狀態(tài)良好[2]。但是，頂梁施工會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，導(dǎo)致局部道床出現(xiàn)不均勻沉降，進(jìn)而影響軌道的水平狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果顯示，在頂梁拆除后，各測(cè)點(diǎn)的水平值出現(xiàn)了不同程度的變化，最大變化量達(dá)到了3 mm，變化幅度仍在允許范圍內(nèi)。

2.2.3 高低值變化分析

根據(jù)表3可以看出，頂梁施工對(duì)軌道高低狀態(tài)產(chǎn)生了明顯影響。在頂梁施工前，各測(cè)點(diǎn)高低值均在±2 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明軌道高低狀態(tài)良好。但在經(jīng)過(guò)頂梁施工后，高低值發(fā)生了較為明顯的變化，最大變化量達(dá)到了4 mm，個(gè)別測(cè)點(diǎn)甚至超出了允許范圍。出現(xiàn)這種情況的可能原因是在頂梁施工過(guò)程中，混凝土澆筑不均勻，導(dǎo)致道床局部出現(xiàn)空洞或不均勻沉降，進(jìn)而影響了軌道的高低狀態(tài)[3]。軌道高低狀態(tài)的變化會(huì)直接影響列車的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性，需引起足夠的重視。

3 軌道動(dòng)力學(xué)性能影響分析

3.1 數(shù)值模擬模型

為了深入研究頂梁工作對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)性能的影響，本文采用數(shù)值模擬的方法，建立了頂梁施工前后軌道結(jié)構(gòu)的有限元模型。

模型中的鋼軌采用歐拉-伯努利梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其動(dòng)力學(xué)方程如式（1）所示。

式中，E為鋼軌的彈性模量，I為鋼軌的慣性矩，ρ為鋼軌的密度，A為鋼軌的截面面積，γ為鋼軌的垂向位移，q（x，t）為鋼軌上的荷載。

扣件采用彈簧－阻尼單元進(jìn)行模擬，其力學(xué)模型如式（2）所示。

式中，F(xiàn)f為扣件的約束力，kf為扣件的剛度，cf為扣件的阻尼，yf和" f分別為扣件的相對(duì)位移和相對(duì)速度。

軌枕和道床板采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其動(dòng)力學(xué)方程與鋼軌類似，只是需要根據(jù)軌枕和道床板的材料和截面特性選取相應(yīng)的參數(shù)。

橋梁采用梁?jiǎn)卧蛷椈?阻尼單元相結(jié)合的方式進(jìn)行模擬。梁?jiǎn)卧糜谀M橋梁主體結(jié)構(gòu)，彈簧－阻尼單元用于模擬橋梁支座，其力學(xué)模型如式（3）所示。

式中，F(xiàn)b為支座的約束力，kb為支座的剛度，cb為支座的阻尼，yb和" "b分別為支座的位移和速度。

利用建立的有限元模型，分別對(duì)頂梁施工前后軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載q（x，t）作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析，以評(píng)估頂梁工作對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)性能的影響。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 鋼軌垂向位移分析

頂梁施工會(huì)擾動(dòng)軌道結(jié)構(gòu)，降低軌道的整體剛度和阻尼，導(dǎo)致鋼軌在列車荷載作用下產(chǎn)生更大的垂向變形[4]。表現(xiàn)為鋼軌垂向位移峰值由施工前的2.1 mm增大到施工后的2.4 mm，增幅達(dá)到14.3%。施工后曲線的峰值區(qū)間變寬，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。這些變化說(shuō)明頂梁施工降低了軌道結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，不利于軌道動(dòng)力學(xué)性能。

3.2.2 軌枕垂向加速度分析

軌枕作為連接鋼軌和道床的關(guān)鍵部件，其垂向加速度響應(yīng)能夠反映軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能。數(shù)據(jù)顯示，在頂梁施工后，軌枕垂向加速度峰值由施工前的5.2 m/s2增大到了7.8 m/s2，增幅高達(dá)50%。這表明頂梁施工顯著降低了軌枕的約束效果，導(dǎo)致軌枕在列車荷載作用下產(chǎn)生了更為劇烈的振動(dòng)。頂梁施工前后軌枕垂向加速度時(shí)程曲線的形狀也發(fā)生了明顯變化。施工后，曲線的振蕩次數(shù)明顯增多，衰減速度變慢，這進(jìn)一步說(shuō)明了頂梁施工對(duì)軌枕約束效果的不利影響。軌枕垂向加速度的增大，一方面會(huì)加劇軌枕和扣件的疲勞損傷，縮短其使用壽命，另一方面也會(huì)對(duì)乘坐舒適性產(chǎn)生不利影響[5]。

4 軌道橫向阻力影響分析

4.1 測(cè)試方案

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，本工程選用了精度高、可靠性強(qiáng)的AN-41型軌道橫向阻力測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。該儀器采用液壓加載方式，能夠準(zhǔn)確施加橫向荷載并記錄橫向位移，測(cè)試精度可達(dá)±2%。

為了全面了解軌道橫向阻力的分布特征，選取了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于軌枕中部和距軌枕端部0.5 m處，其中軌枕中部測(cè)點(diǎn)能夠反映軌枕與道床之間的橫向阻力特性，而距軌枕端部0.5 m處的測(cè)點(diǎn)則能夠反映軌枕端部與道砟之間的橫向阻力特性，兩者共同決定了軌道結(jié)構(gòu)的整體橫向穩(wěn)定性。

為了降低測(cè)試誤差，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3次，取平均值作為該測(cè)點(diǎn)的軌道橫向阻力值。測(cè)試過(guò)程嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行，測(cè)試荷載從0逐漸增大至出現(xiàn)明顯滑移，每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間不少于1 min，記錄對(duì)應(yīng)的橫向位移值。橫向阻力-位移曲線示意圖如圖1所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

頂梁施工前后對(duì)軌道橫向阻力測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，能夠定量評(píng)估頂梁工作對(duì)軌道橫向穩(wěn)定性的影響。通過(guò)對(duì)表4數(shù)據(jù)的分析可以看出，在頂梁施工前，各測(cè)點(diǎn)的軌道橫向阻力均在10.5～12.3 kN，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，能夠有效抵抗列車荷載、溫度力等橫向作用，保證列車運(yùn)行安全。

然而，頂梁施工會(huì)對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著擾動(dòng)，導(dǎo)致軌道橫向阻力發(fā)生明顯變化。數(shù)據(jù)顯示，頂梁施工后，各測(cè)點(diǎn)的軌道橫向阻力普遍出現(xiàn)了20%～30%的降幅，橫向阻力值遠(yuǎn)低于施工前水平，個(gè)別測(cè)點(diǎn)甚至不滿足設(shè)計(jì)要求。這一現(xiàn)象主要是由于頂梁施工過(guò)程中，軌道結(jié)構(gòu)受到了較大擾動(dòng)，扣件與軌枕、軌枕與道床之間的約束效果降低，削弱了軌道結(jié)構(gòu)的整體橫向穩(wěn)定性[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某高速鐵路橋梁病害整治頂梁工程為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了頂梁工作對(duì)軌道幾何狀態(tài)、軌道動(dòng)力學(xué)性能、軌道橫向阻力的影響。得到以下結(jié)論：①頂梁工作會(huì)導(dǎo)致軌道幾何狀態(tài)發(fā)生變化，軌距、水平、高低指標(biāo)均有不同程度的增大或變化，但多數(shù)在允許范圍內(nèi)，個(gè)別測(cè)點(diǎn)高低值超標(biāo)，需重點(diǎn)關(guān)注。②頂梁工作會(huì)降低軌道剛度和阻尼，使鋼軌垂向位移增大14.3%，軌枕垂向加速度增大50%，扣件力增大31.6%。扣件力增大會(huì)加速其疲勞損傷，需定期檢查和更換。③頂梁工作會(huì)使軌道橫向阻力降低20%～30%，不利于列車運(yùn)行安全。需采取接觸網(wǎng)線、導(dǎo)電軌、防護(hù)欄等措施，提高軌道橫向約束，確保行車安全。

本文研究成果可為高速鐵路橋梁病害整治頂梁工作提供參考，但尚需進(jìn)一步開(kāi)展跟蹤監(jiān)測(cè)，完善影響規(guī)律。未來(lái)研究方向?yàn)轫斄后w系優(yōu)化、施工工藝改進(jìn)等，以最大限度地減小頂梁工作對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的不利影響。

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收稿日期：2024-05-11

作者簡(jiǎn)介：高松松（1991—），男，河北石家莊人，碩士研究生，工程師，研究方向：鐵道與機(jī)械工程。