连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道伸缩附加作用计算分析

代永波

(武汉铁路局，武汉 430000)

CRTSⅡ型板式无砟轨道选用了在短桥上连续铺设轨道板的优点，取消了轨道板在长桥上分块。桥上轨道结构通过梁面铺设“两布一膜”滑动层、桥梁固定支座上方梁面设置抗剪齿槽和锚固筋、台后设置端刺和摩擦板等技术措施，实现了轨道结构跨梁缝连续铺设，轨道结构整体性和纵向连续性好[1-4]。

1 计算模型及参数

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道与桥梁间的相互作用与普通桥上无缝线路的梁、轨相互作用既有共性又存在差异。桥梁伸缩而引起的钢轨纵向附加力、轨道板和底座板的纵向附加力为伸缩力，伸缩力是梁、轨相互作用中一项重要计算荷载。

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道与桥梁的伸缩附加作用原理可以表述为:在梁体温度变化作用下，桥梁与轨道结构之间产生相对位移，这种相对位移通过滑动层摩擦、剪力齿槽、钢轨扣件等梁轨间相互约束，使轨道结构受到纵向力的作用。这些力同时又反作用于桥跨和固定支座，使桥梁墩台产生弹性变形，最终桥梁与轨道形成一个相互作用的力学平衡体系。

1.1 计算模型

桥上纵连板式无砟轨道是一个非常复杂的力学系统，要进行完全精确的模拟是十分困难的，其计算模型的建立，应满足既能在总体上较为真实地反映结构的受力情况，同时也能考虑到计算的方便和可靠性，在满足工程精度需要的前提下，进行适当的简化。现对全桥纵连板式无砟轨道的线—板—桥—墩一体化模型作如下假定:①钢轨为纵向连续长梁，其拉、压刚度相等，且为常量;②钢轨和轨道板间产生纵向相对位移，二者通过扣件相互作用，扣件阻力与钢轨、轨道板的相对位移为非线性关系;③假设桥梁固定支座能完全阻止梁的伸缩，阻止桥梁纵向变形的刚度就为墩台顶纵向水平刚度，活动支座抵抗伸缩的阻力可忽略不计;④底座板与桥梁间产生纵向相对位移，二者通过滑动层与限位机构进行纵向相互作用，滑动层的摩擦阻力与二者间的相对位移为非线性关系，固结机构纵向作用力与二者间的相对位移为线性关系;⑤假定沥青砂浆对轨道板和底座板提供非线性阻力作用，轨道板和底座板间的非线性阻力随着二者的相对位移呈非线性变化，非线性阻力的最大值依据相关试验数据确定;⑥底座板与端刺和摩擦板产生纵向相互作用，端刺纵向刚度为线性的，摩擦板与底座板的摩擦阻力为非线性。根据以上假定，建立如图1所示的线—板—桥—墩空间一体化纵向力计算模型。

1.2 计算参数选取

针对高速铁路某一特殊工点，桥梁跨数较多，选取其中间部分简支梁和连续梁建立有限元模型进行计算，桥梁结构的参数如表1所示。

钢轨扣件纵向阻力采用非线性弹簧模拟，有载 r=60 kN/m·线;无载 r=30 kN/m·线，极限位移 u0=0.5 mm;底座板与桥梁之间“两布一膜”采用非线性弹簧模拟，纵向摩擦系数取0.3，滑动极限位移0.5 mm。钢轨为60 kg/m钢轨，桥梁的截面面积8.962 m2，竖向抗弯惯性矩11.0 m4，横向抗弯惯性矩84.73 m4，混凝土弹性模量3.55×104MPa;梁体降温按15℃计算。

图1 线—板—桥—墩纵向力计算模型

表1 桥梁结构参数

2 伸缩附加作用计算

2.1 伸缩位移计算

从降温工况下梁体纵向位移曲线图2(图中横坐标原点为模型小里程端起点，图3至图7同)可以看出，各跨梁体位移曲线主要受自身温度跨度大小控制，温度跨度越大梁体的伸缩位移越大，32 m等跨度简支梁的位移曲线大致相同。

轨道各结构层的总体位移特征如图3所示。由位移特征图形可以发现，轨道板、底座板的位移特征与钢轨的位移特征相似。受连续梁大温度跨度的影响，在连续梁上的轨道结构伸缩位移与梁伸缩方向相同，最大位移量出现在连续梁与简支梁接缝附近，钢轨最大位移为0.43 mm，轨道板和底座板的最大位移为0.45 mm，并且在连续梁中部也存在位移零点。

图2 桥梁位移

图3 轨道各结构层位移

钢轨相对于轨道板位移及底座板相对于梁面的位移分别如图4和图5所示，可以看出，梁体降温15℃时，大部分区域内梁面与底座板间的相对位移差超过0.5 mm，即两者处于滑动状态;而轨道板和钢轨间的相对位移远小于0.5 mm，扣件阻力处于弹性范围。

图4 钢轨相对于轨道板位移

图5 底座板相对于梁面位移

2.2 伸缩附加力计算

轨道各结构层的纵向力特征如图6、图7所示。由钢轨纵向力特征图形可以看出，受中部连续梁大伸缩跨影响，连续梁上钢轨受到较大的压力，简支梁上部区域钢轨受拉。轨道板、底座板的纵向受力特征与钢轨大致相同。在连续梁固定支座上方附近区域，轨道结构受到的伸缩附加力最大，钢轨受到的最大伸缩压力为28.4 kN，轨道板最大伸缩压力为295.1 kN，底座板最大伸缩压力为580.1 kN。

图6 钢轨纵向力

图7 轨道板及底座板纵向力

单线剪力齿槽受力如图8所示。最大剪力出现在连续梁固定支座，为591 kN，且由于连续梁的固定支座布置在靠近小里程端的268#号墩上，与简支梁固定支座布置在大里程端不同，所以连续梁上剪力齿槽受力方向与简支梁上的相反。另外还可以看出简支梁跨剪力齿槽主要与温度跨度大小有关，等跨的32 m简支梁上剪力齿槽受力较为均匀，在205～291 kN之间;而25 m和24 m跨度的简支梁上剪力齿槽受力为165 kN左右。桥墩受力如图9所示。可以看出，连续梁固定支座所在的268#号桥墩所受的纵向力最大为255 kN，另外靠近大里程端简支梁的桥墩受力较小里程端简支梁桥墩受力要大。

图8 单线剪力齿槽纵向力

图9 桥墩受力

3 伸缩附加作用影响因素分析

3.1 滑动层摩擦系数影响分析

滑动层对桥上纵连板式结构起着非常重要的作用，但在运营过程中，其摩擦系数会发生变化，有可能发生滑动层失效的情况，而且滑动层一旦失效，将无法修复，因此在设计中必须要考虑到滑动层摩擦系数对轨道结构的影响。本节将滑动层摩擦系数分别取为0，0.15，0.30，0.45，0.60，计算 5 种工况下梁轨相互作用的伸缩特性。由图10可以看出，随着底座板和桥梁之间滑动层的摩擦系数的增大，底座板相对桥梁的位移值不断减小。钢轨、轨道板、底座板的纵向力随滑动层摩擦系数的增加而不断增大(如图11—图 13所示)，由图14、图15也可看出剪力齿槽最大剪力及连续梁固定支座所在桥墩的受力变化趋势也有相同的规律。

总的来看，在相同梁体伸缩量的条件下，摩擦系数的大小直接反应了梁体和轨道间相互作用力。随着运营时间的延长，滑动层若出现破损，将导致其摩擦系数增大，从安全角度考虑，宜采用其在极限状态下的最大摩擦系数进行线—桥系统的设计检算，同时应规定桥面滑动层在服役期内的最大摩擦系数不宜超过一定的限值。

3.2 底座板刚度折减影响分析

轨道结构由钢轨、轨道板、底座混凝土板和CA砂浆垫层组成，随着温度变化和外部荷载的作用，底座板必然会出现开裂现象，使底座板抗拉刚度减小，最终影响结构受力。在此，主要讨论底座板在开裂状态下轨道和桥梁各结构的受力变化情况，为深入研究纵连板式桥上无砟轨道的设计检算提供计算依据。

图10 底座板相对桥梁最大位移随摩擦系数变化

图11 钢轨纵向力随摩擦系数变化

图12 轨道板纵向力随摩擦系数变化

图13 底座板纵向力随摩擦系数变化

图14 剪力齿槽最大剪力随摩擦系数变化

图15 连续梁桥墩受力随摩擦系数变化

本节在考虑温度荷载作用下底座板刚度对结构受力的影响时，取底座板全线伸缩刚度为全截面刚度的20%，40%，60%，80%和100%，计算5种工况下的桥上纵连板式无砟轨道的伸缩特性。

由图16可以看出，底座板轴向刚度的增大，底座板相对桥梁的位移值有所增加。钢轨、轨道板、底座板的纵向力随着底座板纵向刚度折减的变化规律分别如图17—图19所示，随着底座板轴向刚度的增加，轨道板纵向力下降，但是底座板所受纵向力则呈增大趋势。这主要是由于在降温时，铺设完成的纵连底座板，由于伸缩刚度较大，在最大温降及收缩徐变作用下承受相当大的纵向力，会导致混凝土开裂，随着底座板裂缝的增多及加宽，底座板纵向刚度减小，其所承受的纵向力也逐渐减小，最终达到受力与开裂的平衡。

由图20可以看出，剪力齿槽最大剪力随底座板刚度的增加而逐渐增大，但增大幅度不断减小;而图21显示连续梁固定支座桥墩所受的纵向力随着底座板刚度的增加而逐渐减小。

图16 底座板相对桥梁最大位移随底座板刚度变化

图17 钢轨纵向力随底座板刚度变化

图18 轨道板纵向力随底座板刚度变化

图20 剪力齿槽最大剪力随底座板刚度变化

图21 连续梁桥墩受力随底座板刚度变化

4 结论

由以上计算结果及分析，可以得出如下结论:

1)由于桥上底座板和轨道板纵连，相当于桥上无缝线路的固定区，其纵向受力及变形特征与钢轨的相似，不过底座板受滑动层摩擦及剪力齿槽的传力作用，其位移特征受梁跨影响相对明显。整体上看，底座板与桥梁之间设置“两布一膜”的隔离层，减弱了桥梁的伸缩对轨道结构的影响，轨道结构受梁轨相互作用产生的轴力和位移量值不大;

2)扣件纵向阻力大于底座板和梁面间“两布一膜”隔离层的最大静摩擦力，因此滑移面首先出现在梁面和底座板之间;分析表明，各种工况下钢轨和轨道板间相对位移小于滑移位移，扣件系统受力处于弹性范围;

3)梁轨相互作用过程中，轨道板与底座板之间相对位移较小，基本为同步变形，即砂浆调整层使得底座板和轨道板协同受力;

4)底座板和桥梁之间滑动层的摩擦系数直接影响桥梁伸缩作用的大小，随着摩擦系数的增大，底座板相对桥梁的位移值不断减小，而轨道结构各层的最大轴力、剪力齿槽最大剪力及连续梁固定支座所在桥墩的受力不断增大;

5)在伸缩工况下，随底座板轴向刚度的增大，底座板相对桥梁的位移值有所增加，轨道板纵向力下降，但是底座板所受纵向力则呈增大趋势。对于纵连的底座板，在最大温降及收缩徐变作用下承受相当大的纵向力，会导致混凝土开裂，随着底座板裂缝的增多及加宽，底座板纵向刚度减小，其所承受的纵向力也逐渐减小，最终达到受力与开裂的平衡。随底座板刚度的增加，剪力齿槽最大剪力逐渐增大，但连续梁固定支座桥墩所受的纵向力逐渐减小。

[1]何华武.无砟轨道技术[M].北京:中国铁道出版社，2005.

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