连续梁桥上纵连板开裂对无砟道岔受力影响分析

张 瑶，宋 杨，陈小平，王 平

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

在桥上铺设底座纵连板式无砟轨道无缝道岔是新建铁路建设的重大技术难题之一，在国内外没有先例。与一般线路不同的是，桥上铺设底座纵连板式无砟轨道无缝道岔需要考虑几个复杂的相互作用关系;道岔与道岔板纵向相互作用关系;道岔板与底座板纵向相互作用关系;底座板与桥梁纵向相互作用关系;桥梁与墩台纵向相互作用关系;相邻股道底座板横向相互作用关系。这些相互作用导致轨道结构受力影响因素复杂。本文根据桥上底座纵连板式无砟轨道无缝道岔的受力特点，建立相应的计算模型，分析无缝道岔、无砟轨道、桥梁及其墩台的受力，以便进行相应的结构设计。本文还针对混凝土开裂这个影响因素，使用弹性模量折减系数的方法来表征混凝土开裂，并对钢轨结构和道岔结构进行受力分析比较，从而了解混凝土结构开裂对结构受力的影响。

1 计算参数和计算模型

1.1 线路概况

某高架桥左咽喉模型见图1。通过6组18号道岔，线路由两股过渡到六股;所有线路建立在27片桥梁上，其中，除去6组道岔所在的4片桥梁为连续梁外，剩余的都是简支梁;正线为无砟轨道结构，到发线为有砟轨道结构。

由于该高架桥上道岔数目较多，线路股数也很多，统一提取下行处于固定区的钢轨进行分析比较;并提取该钢轨经过的3个道岔进行分析。

图1 线路平面图和桥跨分布图

1.2 参数取值

1.2.1 温度取值

根据当地的气候资料，取各部件温度如下:升温时，钢轨温度变化为37.3℃，轨道板温度变化19.4℃，底座板温度变化17.3℃;降温时，钢轨温度变化为43.4℃，轨道板温度变化23.0℃，底座板温度变化23.0℃。桥梁温度变化值是根据桥梁日温差来确定的，对于混凝土梁桥，取日温差20.0℃。

1.2.2 阻力取值

扣件阻力取值如下:在非道岔区，取15.0 kN/m;在道岔区，取20.5 kN/m。

转辙器跟端限位器阻力R(kN/m)

式中，y为限位器子母块相对位移(mm)。

辙叉部位间隔铁阻力R′为

式中，y′为间隔铁联结钢轨相对位移(mm)。

1.2.3 滑动层摩擦系数

滑动层是桥梁与底座板之间的传力设备之一，具有降低摩擦的作用，减小桥梁伸缩和轨道部件伸缩之间的相互影响。由于滑动层的最不利情况是失效，所以取其失效状态，即摩擦系数为1.0。

1.2.4 弹性模量折减系数

由于混凝土抗拉强度差，导致混凝土结构在纵向拉力作用下开裂。基于这个情况，提出了一个基本假定，认为底座板在开裂之后不提供抗弯刚度，将长桥上的轨道板和底座板按照拉压杆件设计。采用刚度折减模型来进行简化，其应用了开裂后钢筋混凝土构件刚度折减的理念，利用极限状态法对底座混凝土板进行设计。该模型认为构件轴向力和应变之间遵循图2的关系。

图2 构件轴向力和应变的关系

图 2 中，Nsr，1为裂缝刚出现时 的法向 力;Nsr，2为 裂缝完全出现时的法向力;εsm，1为裂缝刚出现时的平均应变;εsm，2为裂缝完全出现时的平均应变;Δεs为裂缝完全形成时裂缝间混凝土作用;EAe为考虑裂缝间混凝土作用时的有效轴向刚度。

构件轴向力和应变发展经历三个阶段。第一阶段构件没有开裂，钢筋和未开裂的“完全”混凝土共同受力;当应变达到 εsm，1时，构件开始出现裂缝，进入受力第二阶段，开裂后的混凝土仍提供一定的抗拉贡献，直至应变达到 εsm，2，进入受力第三阶段，仅有钢筋承受轴向力作用，开裂混凝土完全失效。

这里所说的底座板的伸缩刚度是指其传递拉力、压力的能力。由于组合板的截面不会发生改变，其混凝土的弹性模量也不会改变，但由于裂缝的存在，其拉、压性能发生改变，伸缩刚度随之改变。因此，为了方便，一般以组合板弹性模量的变化来表征其伸缩刚度的变化。所以，在降温基本工况的基础上，改变弹性模量折减系数为 0.1、0.3、0.6、1.0，并分别进行计算分析，得到轨道各部件结构受力情况。

其他参数参考《全桥底座纵连板式无砟轨道无缝道岔与桥梁纵横向相互作用理论研究报告》。

1.3 计算模型

图3所示的岔—板—桥—墩一体化模型考虑了道岔各钢轨件、间隔铁、限位器、道岔板、底座板、桥梁、墩台、摩擦板、端刺、底座板上纵横向凸台、底座板与桥梁间的剪力齿槽的相互作用。钢轨与道床板、道岔板与底座板、底座板与桥梁、底座板与摩擦板间的纵向相互作用阻力按非线性考虑，使得计算模型更接近实际。

图3 全桥底座纵连板式无砟轨道无缝道岔模型

2 混凝土开裂后对结构受力的影响

将轨道各部件最大力提取出来，统计出结果如图4所示。由图4可知，钢轨纵向力几乎没有变化，并且只有桥梁墩台所受到的力随着开裂而增大，其余都是随着开裂而受力减小，尤其是底座板和端刺，减小幅度达到了89%。可见，开裂对大部分结构受力是有利的。下面就分别分析钢轨、轨道板、底座板受力详情。

2.1 钢轨受力分析(见图5)

在2#道岔前的简支梁区域，钢轨受力规律如同普通桥上固定区无缝线路一样，这说明道岔对钢轨受力的影响范围有限。在该区域里，桥梁伸缩带动底座板、轨道板和扣件位移，扣件对长钢轨施加纵向力。长钢轨在此机械力作用下产生实际应变，且产生与梁位移方向相同的位移。在邻近活动端一定范围内，两端桥头线路提供与梁位移方向相反的阻力，阻止长钢轨位移。由于长钢轨是连续的，在梁的固定端，即使梁的位移量为0，长钢轨依然产生位移，所以，在梁的固定端及其附近一定范围内，长钢轨位移并对梁施加纵向力，梁对长钢轨产生作用大小相等、方向相反的反作用力。随着开裂，该区域钢轨纵向力的波浪形明显，说明钢轨和桥梁之间的相互作用明显增大。

图4 轨道各构件纵向力图

图5 钢轨纵向力和位移曲线

在3#道岔后，开裂对钢轨受力基本不影响，这是因为选取的钢轨在3#道岔后就延伸到了到发线，在这部分没有轨道板和底座板，也就不存在开裂的影响。在2#、3#道岔区的钢轨受力变化不大，说明在这区域，道岔结构是主要制约因素。

在2#道岔到3#道岔之间的直线部分，钢轨力分布随着开裂有着明显的不同。尤其是在15#、18#号墩处，随着开裂，这一部分的钢轨力峰值逐渐从15#墩转移到了18#墩。

2.2 轨道板受力分析(见图6)

道岔区轨道板处存在着位移突变，而在到发线上的1#道岔却没有出现突变，说明这是由道岔结构和板式无砟结构双重作用而产生的突变。因为桥梁和道岔的影响是在一定范围内，所以在直线段的前端，轨道板如同在普通无砟线路上一样，受到一个固定纵向力。而在直线段的后端，因为和道岔区的轨道板没有约束，在降温作用下，会自然收缩，虽然会受到钢轨扣件和底座板摩擦板提供的阻力来阻止收缩，在总的作用力降到0的时候，就会达到最大的收缩位移，即在直线段和道岔区的交接处，出现位移最大负值。同时，道岔区的轨道板也会收缩产生正向位移，会在两者交界处出现轨道板位移的突变。

图6 轨道板纵向力和位移曲线

在岔前简支梁区域，钢轨纵向力在一定范围内呈波浪形，通过扣件传递给轨道板的力也相对稳定和均匀，所以，导致轨道板的位移都是随着轨道板力呈现一定的波浪形。随着轨道板和底座板的开裂，轨道板自身受到的温度力就会减小，所以，导致轨道板的纵向力都几乎平行下降。同时，在轨道板自由端需要释放的纵向力也大大减小，但是，此时温度工况等不变，钢轨受到的纵向力虽然有所变化，但幅度不大。在扣件作用下，将带动轨道板和钢轨同向伸缩，即产生正向位移。所以，轨道板的自由端收缩减小，并演变为伸长。这说明，随着开裂，轨道板受力受钢轨影响显著。

2.3 底座板受力分析(见图7)

岔前和岔后的简支梁部分，和轨道板一样，主要受桥梁影响，说明道岔对底座板的影响也是在一定范围内的。底座板纵向力的峰值分别在道岔的前端和后端，对应于轨道板位移的峰值。因为轨道板和底座板两者相对位移较大，通过CA砂浆作用也较大，因此，引起底座板在道岔处的纵向力也出现峰值。

图7 底座板纵向力和位移

开裂造成底座板受力减小，并且更加均匀了，这和轨道板受力变化一致。因为底座板是无间断连续浇筑的，所以底座板位移也是连续的，并没有像轨道板那样发生突变，而纵向位移峰值出现在道岔尖轨处，和轨道板的位移峰值一致。

2.4 道岔受力分析(见表1)

对于1#道岔，尖轨、心轨相对位移和转辙器所受到的纵向力变化都不明显。这是因为1#道岔处于到发线上，是有砟结构，所以，轨道板和底座板的开裂对它几乎没有影响。而对于 2#、3#道岔，随着开裂，道岔受力的各项指标都减小，幅值最大可达到36%。这是因为，随着开裂，底座板和轨道板的受力都减小，桥梁伸缩力传递到道岔上的力也就减小。

表1 道岔受力统计kN

3 结论

1)随着开裂，除了桥梁墩台受力增大外，其它结构受力都减小，说明开裂对结构受力有一定好处。因此，将道床板中的底座板设计成非预应力钢筋混凝土结构，有利于结构受力。但当钢筋混凝土构件裂缝宽度过大时，就会使钢筋混凝土结构内的钢筋严重锈蚀，从而影响构件的耐久性。所以，对混凝土构件的裂缝应该有一定的限制。这可以通过改变配筋率和钢筋强度来满足条件。

2)轨道板和底座板的变化对自身和与其直接传力的构件有着明显的影响，但对道岔区钢轨受力影响不大。可见，在岔群，道岔结构对钢轨的影响最显著。

3)鉴于弹性模量折减系数对轨道结构受力的影响，在设计时应根据实际情况取合适的弹性模量折减系数。

4)该种计算方法的不足之处在于，实际开裂是一个复杂的动态过程，利用静态弹性模量折减系数来完成对动态开裂的模拟，会在局部细节地方有所偏差。

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