无砟轨道路桥连接处楔形体过渡方式优化设计

2013-01-17罗伟,陈嵘,颜乐,王宇

铁道标准设计 2013年10期

罗伟,陈嵘,颜乐,王宇

(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)

控制线路的平顺性是高速铁路设计的核心内容之一,是保证高速列车安全、可靠、舒适运行的前提[1-2]。无论是既有线路还是新建线路,路桥连接段均是影响线路平顺性的重要路段,在路基与桥梁的连接处,由于路基与桥梁刚度差异很大,一方面引起轨道刚度的变化,另一方面,路基与桥台的沉降也不一致,在路桥过渡点附近极易产生沉降差,导致轨面弯折[3]。在路桥连接处,由于前述的不平顺,当列车高速通过时,必然会增加列车与线路的振动,引起列车与线路结构相互作用力的增加,影响线路结构的稳定,甚至危及行车安全[4]。在路基与桥梁之间设置一定长度的过渡段,可使轨道刚度实现逐渐变化,并最大限度地减少路基与桥梁之间的沉降差,达到降低列车与线路的振动,减缓线路结构的变形,保证列车安全平稳、舒适运行的目的[5]。

无砟轨道桥头处楔形体过渡段是目前较为常见的处治不均匀沉降的方法之一[6-9]。考虑到无砟轨道路桥过渡段的结构复杂性,为比较全面地分析设计参数的影响,建立实体有限元模型,以处治手段消化地基沉降的能力作为主线索,以变形的协调和控制作为主要目标,开展楔形体路桥过渡段桥头“跳车”处治方法的作用性状及适应性研究,在此基础上,进行设计优化。

1 仿真分析计算模型

路桥过渡段楔形体处治方式如图1所示,根据纵坡设置方向不同分为正梯形楔形体过渡段(1∶n)和倒梯形楔形体过渡段(1∶-n)。

图1 路桥过渡段楔形体处理方式

考虑轨道结构的对称性,取半边轨道结构进行计算,建立图2所示的有限元模型,主要计算参数如表1所示。

图2 楔形体过渡段有限元分析模型

轨道部件弹性模量/MPa泊松比宽/m顶宽/m厚度/m高/m截面坡度道床板320000166728—024——CA砂浆5000———003——水硬性支承层(HGT层)500001538—03——楔形体5000015—86—61∶n台后回填土12001667—86—61∶n

边界条件为：路堤底面的地基沉降量Δ,y=0侧面侧向位移为0,路堤与桥台接触面纵向位移为0,HGT层与桥台接触面竖向位移为0。集中荷载P=125 kN沿着钢轨纵向从桥台端向路基移动。依据我国2003年修订版《京沪高速铁路设计暂行规定》,无砟轨道路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5 mm,过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1‰[10]。所以本文把地基沉降量Δ的变化范围确定为0～15 mm。

2 楔形体纵面坡度比选

2.1 比选纵面坡度形式

为合理选择路桥过渡段楔形体处治方式结构形式,结合以往的实践经验,主要考虑6种不同的楔形体纵面坡度及设置方向,如表2所示。

表2 楔形体纵面坡度及设置方向

2.2 轨道整体刚度对比分析

采用不同的楔形体纵面坡时,轨道整体刚度变化如图3所示。

图3 不同纵面坡度设置时的过渡段轨道刚度分布

从图3可以看出,轨道整体刚度由桥台处的65.36 kN/mm变化至路基上的55.64 kN/mm。采用正梯形楔形体时,刚度变化较采用倒梯形时平缓,刚度变化较快的地方位于过渡段开始的位置(距桥台边缘1.5～3 m处),在过渡段易控制区范围内,且采用不同的倾斜角度时刚度变化的趋势改变较小,即施工误差导致的偏差较小。采用倒梯形楔形体时,刚度变化较快的位置集中在过渡段尾端(距桥台7～10 m处),刚度在过渡段尾端很小的范围内实现过渡,因此在过渡段尾端容易发生二次跳车现象,且采用倒梯形时不同的纵面坡度刚度变化的趋势变化较大,施工误差所导致的偏差较大。因此,从平顺度和施工控制角度来看,在同等情况下,采用正梯形楔形体更为有利。

2.3 路基不均匀沉降的发展对比分析

列车荷载作用下的路基顶面位移如图4所示。

图4 列车荷载作用下的路基面位移

从图4中可以看出,路基面位移与轨道整体刚度有相似的分布。采用正梯形楔形体时,路基面沉降变化较采用倒梯形时平缓,且沉降量变化较快的地方主要集中于过渡段开始的位置(距桥台边缘1.5～3 m处),采用不同的倾斜角度,路基面沉降变化趋势的改变较小,即施工误差导致的偏差较小。而采用倒梯形楔形体时,沉降量变化较快的位置则主要从6 m处开始,实际上楔形体的纵向范围为1.5～7.5 m位置处,也就是说采用倒楔形体时,路基面沉降量开始变化的位置位于楔形体的尾端,最大折角相应地会出现在辅助轨的末端,折角将不易控制,且采用倒梯形时不同的斜率刚度变化的趋势变化较大,即施工误差所导致的偏差较大。从路基面沉降角度,也表明采用正梯形楔形体更为有利。

以前述所得的路基面位移作为列车第一次通过时的变形,由此可以得到,由路基不均匀沉降引起的折角分布如图5所示,由不均匀沉降引起的最大折角如表3所列。

图5 路桥过渡段由于不均匀沉降引起的折角分布

斜率正梯形倒梯形1∶11∶151∶21∶11∶151∶2最大折角1198‰1036‰0956‰1188‰1032‰0898‰

由图5及表3可以知道,没有其他辅助措施时,采用1∶1的纵断面坡度,不论采用正梯形还是采用倒梯形,均不能满足1‰的转角要求,而采用1∶2的过渡措施,虽然可以满足1‰的转角要求,但有造价太高的不利因素影响,特别是采用倒梯形时,最大折角出现在辅助轨的末端,折角将不易控制。采用1∶1.5的楔形体过渡,虽然最大折角超过了1‰,但配合以辅助钢轨措施可以将折角控制在1‰以内。

综合以上对比分析,建议采用纵断面坡度1∶1.5的正梯形楔形体过渡,结合辅助轨的设置,可以实现轨道整体刚度平缓过渡,满足钢轨折角控制在1‰以内的要求。

3 楔形体过渡段地基沉降适应性分析

3.1 路堤填料模量的影响

为了考虑路堤填料模量对楔形体过渡段路堤的压缩变形的影响,分别取填土模量E=120、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000、10 000 MPa进行分析,得到1∶1.5的正梯形楔形体过渡段桥头路堤的压缩变形与换填楔形体材料模量之间的关系,如图6所示。

图6 路堤压缩变形与填料模量关系曲线(Δ=0)

从图6中可以看出,换填区材料模量对桥台与路堤的差异沉降影响明显。当桥台路基采用一般填料(E=120 MPa)时,桥台与路堤衔接处的沉降差为0.132 mm。而换填高模量的填料时,路堤的压缩变形明显减小,当E≥5 000 MPa时,桥头与路堤的沉降差为0.087 mm。考虑到桥台附近填料压实的影响和水稳定性,桥台路堤采用高模量、透水性好的换填材料对于减轻桥台跳车病害更有其必要性。另从图中可以看出,当E≥5 000 MPa时,楔形体换填材料模量的继续提高对于减小路堤压缩变形作用甚微。

3.2 对地基均匀沉降的适应性

路基顶面沉降包括路堤的压缩沉降和地基沉降,随着填料模量的提高,路堤的压缩变形会相应地减小,当换填材料模量取E=5 000 MPa,地基发生不同大小的均匀沉降(Δ=0.5、1.0、1.5 cm)时,路基顶面竖向沉降曲线如图7所示。

图7 路基顶面竖向位移曲线

从图7中可以看出,当地基沉降为1 cm时,桥台与路堤衔接处的沉降差为2.3951 mm, 当地基沉降为2 cm时,为4.767 mm, 当地基沉降为3 cm时,为7.1621 mm,采用楔形体过渡段处治方式后,桥台处沉降差得到了很好地控制,但是并没有能够根本消减。

由路基面不均匀沉降引起的折角如图8所示。

图8 不均匀沉降引起的折角

由图8中可以看出，当地基沉降分别为0.5、1.0、1.5 cm时,由路基面不均匀沉降引起的最大折角依次为3.1625‰、6.33575‰、9.498‰,均大于1‰,且随着地基不均匀沉降量增大而增大,因此,楔形体换填方式对于地基均匀沉降的适应性不够,单纯采用楔形体换填方式无法达到从根本上消除桥头“跳车”的目的,需要结合其他处置方式共同应用。