温度作用下连续梁桥上CRTSⅡ型板式轨道纵向力影响因素分析

2011-07-27段翔远

铁道建筑 2011年11期

段翔远陈嵘

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

高速客运专线的快速发展对轨道结构提出了高平顺性、高稳定性的技术要求[1]。无砟轨道以其具有的稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修工作量显著减少和技术相对成熟等突出优点[2]，得到快速发展与广泛应用。由于京津城际铁路线下基础以桥梁为主，为了能够高质量、高效率地完成工程，京津城际轨道交通采用了一种桥上新型无砟轨道，即CRTSⅡ型板式无砟轨道[3]。大跨桥上纵连板式轨道以温度力为主要控制荷载，因此，研究桥上铺设 CRTSⅡ型板式无砟轨道在温度作用下的纵向力变化特性十分必要。滑动层摩擦系数、轨道板和底座板的伸缩刚度变化对梁轨相互作用影响显著[3]，故本文通过建立桥上 CRTSⅡ型板式无砟轨道的空间模型，以分析连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道不同参数变化对各部件纵向力的影响。

1 计算模型及参数

1.1 计算模型

根据CRTSⅡ型板式轨道部件间相互作用关系，建立桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道非线性空间模型，如图1所示。其中，钢轨、轨道板、底座板、摩擦板、桥梁用梁单元模拟。将轨道板与底座板视为一个整体，称为联合板，钢轨及联合板分左、右两线，分别用两线梁单元模拟。桥梁当作一个整体，用一线梁单元模拟。钢轨与联合板之间的扣件、联合板与桥梁纵向摩擦作用、联合板与摩擦板纵向摩擦作用及联合板与路基的纵向连接都采用纵向非线性弹簧单元来模拟。联合板与桥梁固结机构作用采用刚度很大的纵向连接弹簧来模拟。考虑边界条件对计算结果的影响，端刺两端路基上无砟轨道长度取为100 m，两端固结。将上述桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向相互作用模型采用有限元法计算。

图1 桥上CRTSⅡ型板空间一体化计算模型

1.2 计算参数

桥梁结构布置简图如图2所示。其中，主桥为16号墩至19号墩的三跨80 m+128 m+80 m的预应力混凝土连续梁。全桥位于直线段上。摩擦板长度和路基长度取100 m。钢轨截面积为77.45 cm2，钢轨弹性模量为 2.1×105MPa，钢轨线胀系数为 1.18×10－5/℃，混凝土线胀系数为 1 ×10－5/℃，轨道板重度为25 kN/m3，轨道板截面积为0.51 m2，轨道板弹性模量为3.5×104MPa，轨道板钢筋截面积为18.9 cm2，底座板重度为25 kN/m3，底座板截面积为0.649 m2，底座板弹性模量为3.0×104MPa，底座板钢筋面积为120 cm2。桥梁截面积为简化计算统一取为8.85 m2。底座板与桥梁固结刚度为1×109kN/m，端刺纵向刚度为1×108kN/m。扣件纵向阻力根据德国DS804规定，无载时为30 kN/m，有载时为60 kN/m。联合板上垂直恒定荷载，有载时为64 kN/m，无载时为0。联合板与路基阻力取为35 kN/m。对于以上各阻力，均为双线性，屈服点位移均为0.5 mm。当外界温度升高时，联合板内混凝土承受温度压力，联合板表现出的刚度较大。当外界温度降低时，联合板内将呈现出不同的裂缝状态，在裂缝处，仅有钢筋承受拉力，从而引起纵向刚度降低，进一步影响到联合板内温度力的降低。故考虑降温作用下，各影响因素对CRTSⅡ型板式轨道部件纵向力的影响，取钢轨降温48℃，板降温54℃。

图2 桥梁结构布置简图

2 影响因素分析

2.1 联合板纵向伸缩刚度对纵向力的影响

联合板纵向伸缩刚度的变化对轨道结构纵向力的影响较大。为定量分析该参数的影响，桥梁降温取20℃，摩擦系数取 0.7，伸缩刚度折减系数分别取0.08，0.30两种情况进行对比计算分析。两种工况下CRTSⅡ型板式轨道部件的纵向力结果如表1所示。钢轨和联合板纵向力分布如图3、图4所示。

表1 不同伸缩刚度下的最大纵向力 kN

图3 钢轨纵向力

图4 联合板纵向力

由表1、图3、图4可以看出，降温时，随着伸缩刚度的增大，联合板、固结机构、端刺、桥梁最大纵向力明显增大。钢轨最大纵向力减小，墩台顶最大纵向拉力减小，墩台顶最大纵向压力增大。伸缩刚度由0.08增加至0.30时，联合板最大纵向力增大了175%，端刺最大纵向力增大了273%，钢轨最大纵向拉力减小了15%。由F=EAαT(式中，α为联合板的线膨胀系数，T为联合板温度)可知，联合板内温度力F与伸缩刚度EA成正比，伸缩刚度的增大，相同温度变化情况下的联合板内温度力也随之成比例增大，而通过摩擦板传递至下部基础上的纵向力受摩擦系数和摩擦板长度的限制却有限，从而会引起端刺结构纵向力的急剧增大。联合板刚度增大后，联合板在纵向力作用下的位移有所减小，两者相对位移减小，引起钢轨纵向力减小。表明联合板刚度增大使得桥梁的伸缩变形产生的纵向力会更多地传给联合板。

2.2 滑动层摩擦系数对纵向力的影响

滑动层摩擦系数的变化直接影响到联合板与桥梁的相互作用程度，桥梁降温取20℃，伸缩刚度折减系数取 0.3，摩擦系数依次取 0.2，0.3，0.5，0.7，1.0 五种工况下的纵向力，见表2。固结机构纵向力和墩台纵向力分布如图5和图6所示。

表2 不同摩擦系数下的最大纵向力 kN

图5 固结机构纵向力

图6 墩台纵向力

由表2、图5和图6可以看出，降温时，随着摩擦系数的增大，钢轨、联合板、墩台、固结机构、桥梁最大纵向力大都增大，而端刺纵向力基本不变。当滑动摩擦层系数由0.3增大至1.0时，固结机构最大纵向力增大了208%，墩台顶最大纵向拉力、压力增大了220%，联合板最大纵向拉力增大了21%，钢轨最大纵向拉力增大了16%。由以上分析可知，温度力由桥梁的伸缩位移通过摩擦传递到轨道结构，随着滑动摩擦系数的增大，虽然桥与板的相对位移在减小，但由于摩擦系数的增大，以致滑动摩擦层所承担的力增大，固结机构力增大，墩台力也随之增大，表明桥梁的伸缩变形产生的纵向力越来越多地传递给轨道结构，故联合板及钢轨的纵向力增大。

2.3 摩擦板长度对纵向力的影响

为了考虑摩擦板长度以及端刺刚度对纵向力的影响，根据需要，计算模型取80 m+128 m+80 m的连续梁。计算时底座板与摩擦板摩擦系数取0.7，联合板伸缩刚度折减系数取0.3，桥梁降温取30℃，桥梁与联合板摩擦系数取0.5，摩擦板长度分别取0，20 m，50 m，70 m，100 m。不同摩擦板长度下的最大纵向力如表3所示。

表3 不同摩擦板长度下的最大纵向力 kN

从表3可以看出，降温作用下，随着摩擦板长度的增加(从0增加大100 m)，联合板最大纵向拉力、端刺以及墩台顶最大纵向力都减小，固结机构最大纵向力增大。但是，当摩擦板长度达到大概50 m以后，随着摩擦板长度的增加，联合板、端刺、固结机构、墩台顶的最大纵向力变化很小。由以上分析可知，摩擦板长度对端刺受力有很大影响。降温时，当摩擦板长度从0增加到约 50 m时，端刺受力迅速减小，降幅为20.8%;而摩擦板长度从50 m增加到约100 m时，端刺受力减小了9.6%。可见，当摩擦板长度达到约50 m时就能有效减小端刺受力，此后，即使再增加摩擦板长度，对端刺受力的影响已不很显著。