差异沉降对运营高速铁路无砟轨道结构安全影响分析

2014-07-25石德斌

铁道勘察 2014年6期

关键词：墩台齿槽剪力

石德斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

差异沉降对运营高速铁路无砟轨道结构安全影响分析

石德斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

采用有限元计算模型，模拟计算高速铁路无砟轨道受差异沉降变形的影响程度。差异沉降通过底座板与桥梁间的摩擦和固定支座处的固结机构对纵连轨道结构产生附加轴向拉、压力，同时对剪力齿槽固结机构产生附加力，通过分析底座板配筋和剪力齿槽固结机构受力来评估无砟轨道结构的安全性。

差异沉降结构安全影响分析

《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)有关沉降变形的相关规定为：相邻墩台工后沉降差限值为5 mm；路基与桥梁交界处的工后沉降差不应大于5 mm，不均匀沉降造成的折角不应大于1/1 000。

1 无砟轨道结构与变形

桥梁地段CRTSⅡ型板式无砟轨道主要由钢轨、配套扣件、预制轨道板、砂浆调整层、连续底座板、滑动层、侧向挡块等部分组成，一般情况下，每孔梁固定支座上方设置剪力齿槽，梁缝处设置高强度挤塑板，台后路基内设置摩擦板、端刺及过渡板等结构，桥面上设置加高平台和梁端凹槽。

相邻墩台差异沉降会引起轨道结构的变形，桥墩差异沉降通过底座板与桥梁间的摩擦和固定支座处的固结机构对纵连轨道结构产生附加轴向拉、压力，同时对剪力齿槽固结机构产生附加力。分析底座板配筋和剪力齿槽固结机构是否满足结构要求，同时对扣件上拔力进行检算。参照桥梁段轨道安全评估分析，同样进行台后过渡段(摩擦板、端刺)差异沉降对轨道结构影响的计算分析。

工程实践分析可知，相邻墩台差异沉降存在连续性和突变性特点，台后过渡段向路基方向沉降值要大于桥、隧和涵洞的沉降值，在与路基连接处易形成折角，也造成轨道结构沉降值增大，基本呈线性变化。

2 轨道结构安全性模拟计算

2.1 简支梁墩台差异沉降对轨道结构影响

(1)试算模型

钢轨、轨道板、底座采用杆单元来模拟，桥梁看做梁单元，扣件、底座与桥梁之间的摩擦模拟为弹簧单元，模拟分析差异沉降变形对纵连轨道结构的影响(如图1)。

图1 无砟轨道力学模型

(2)试算参数设定

钢轨为60 kg/m；轨道板宽度为2.55 m，高度为0.2 m，弹性模量36 000 (MN/m2)；底座板宽度为2.95 m，曲线地段平均厚度为0.34 m，直线地段厚度为0.20 m，弹性模量26 700 (MN/m2)；曲线地段底座板(超高175 mm)配筋：42根φ16+20根φ20 HRB500钢筋，配筋147.2cm2，钢筋抗拉强度为435 MPa；直线地段底座板配筋：58根φ16 HRB500钢筋，底座板配筋116.6 cm2，钢筋抗拉强度为435 MPa；底座板与桥梁之间的摩擦系数取0.3。

荷载种类及荷载组合，CRTSⅡ型板式无砟轨道部件采用极限状态法进行设计，对不同种类的荷载采用不同安全系数和组合系数(如表1)。

表1 荷载列表

根据荷载组合计算底座板最大拉力，进行配筋设计，并与施工图设计进行比较。

(3)计算结果及初步分析

以相邻墩台产生5 mm、10 mm直至60 mm的差异沉降进行计算分析。桥墩发生差异沉降，底座板随墩台一起沉降，底座板受到较大的轴向拉力。底座板受到的轴向附加拉、压力随墩台差异沉降呈线性变化(如图2、图3)。

图2 底座板受力随墩台差异沉降变化曲线

图3 底座板所需配筋量随墩台差异沉降变化曲线

通过模拟计算可知，曲线地段相邻墩台差异沉降值达到15 mm时正常使用极限状态(裂纹控制0.3 mm)所需配筋量147.8 cm2，直线地段相邻墩台差异沉降值达到35 mm时正常使用极限状态(裂纹控制0.3 mm)所需配筋量117.9 cm2，超过设计值。

纵连底座板安全性分析：

由图3可知，底座板配筋量随差异沉降的增加而增加，当相邻墩台差异沉降曲线地段超过15 mm、直线地段超过35 mm时，底座板裂纹宽度可能超过0.3 mm，影响结构耐久性，进而影响结构安全。

纵连底座板稳定性分析：

两侧向挡块间的纵连底座板模拟看做两端固定的压杆，根据欧拉公式，压杆的临界压力为

按μ=0.5，扣压式侧向挡块间距为8 m，

根据设计要求，底座板最低锁定温度为20 ℃，考虑当地底座板极端最高温度为50 ℃，则底座板最大温升为30 ℃。底座板整体温升30 ℃时，受到的温度压力为：

Fw=EαsΔTA=31 500×106×30×11.8×

10-6×2.95×0.2=6.58 MN

底座板富余的抗压力=32.7-6.58=26.12 MN，远远大于沉降变形产生的附加力114 kN(发生60 mm差异沉降)，所以底座板的稳定性受墩台差异沉降的影响较小。

剪力齿槽安全性分析：

简支梁地段底座板与梁体间设置3排剪力齿槽+2排剪力筋的固结机构，可以承受2 130 kN的纵向力。

剪力齿槽固结机构在不同沉降量情况下产生的附加纵向力如图4、图5。

图4 剪力齿槽固结机构不同沉降量情况下产生的附加纵向力(曲线地段)

图5 剪力齿槽固结机构在不同沉降量情况下产生的附加纵向力(直线地段)

设计采用的剪力齿槽纵向力为1 038 kN。直线地段，当相邻墩台差异沉降超过75 mm时，模拟计算的剪力齿槽附加纵向力为1 055 kN；曲线地段，当相邻墩台差异沉降超过70 mm时，模拟计算的剪力齿槽附加纵向力为1 039 kN，底座板与梁体间固结机构的纵向力超过设计荷载，影响结构安全。

2.2 连续梁墩台差异沉降对轨道结构影响

(1)计算参数

轨道板宽度为2.55 m，高度为0.2 m，弹性模量32 800 (MN/m2)；底座板宽度为2.95 m，平均高度为0.278 m，弹性模量26 700 (MN/m2)；底座与桥梁之间的摩擦系数取0.3。

(2)计算结果及初步分析

参照简支梁，同样计算相邻墩台产生5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm直至90 mm的沉降差值时，底座板受到的最大拉/压力和底座板所需的配筋情况。

纵连底座板安全性分析：

底座板配筋量随差异沉降的增加而增加，当相邻墩台差异沉降超过15 mm时，底座板所需配筋量超过设计的146.7 cm2，底座板裂纹宽度可能超过0.3 mm，影响结构耐久性，进而影响结构安全。

底座板稳定性分析：

考虑最不利状态，轨道板与底座板分离后，只考虑底座板的纵向稳定性，把两侧向挡块间的底座板看做两端锚固的压杆，扣压式侧向挡块间距取6 m，计算压杆的临界应力为：Fcr=64.6 MN，Fw=9.15 MN，F附加=2 340 kN，则底座板富余的抗压力为64.6-9.15-2.34=53.11 MN，底座板的稳定性能够满足要求，并有较大的富余量。

剪力齿槽安全性分析：

某大跨连续梁的底座板与梁体间设置7排剪力齿槽+6排剪力筋的固结机构，可以承受6 630 kN的纵向力。

剪力齿槽固结机构在不同沉降量情况下产生的附加纵向力远小于设计采用的剪力齿槽纵向力5 510 kN，如图6所示。

图6 连续梁剪力齿槽固结机构在不同沉降量情况下产生的附加纵向力

2.3 台后过渡段沉降对轨道结构影响

(1)试算模型

台后路基地段(摩擦板及端刺范围)沉降采用折角形不平顺模拟计算(如图7)。

图7 桥台路基沉降折角型不平顺模型

钢轨、轨道板、底座用梁单元来模拟，各层之间传力用弹簧单元来模拟，考虑轨道结构自重的影响，假设50 m范围轨道结构沉降值为δ，建立100 m范围的有限元模型。

(2)试算参数

采用60 kg/m钢轨；轨道板宽度为2.55 m，高度为0.2 m，弹性模量36 000 (MN/m2)；底座板宽度为2.95 m，高度为0.2 m，弹性模量26 700 (MN/m2)；水泥乳化沥青砂浆层弹性模量约为9 000 MPa，桥梁底面刚度为1 000 MPa/m，路基面刚度取76 MPa/m。过渡段底座板配筋：58根φ16HRB500钢筋(116.6 cm2)，钢筋抗拉强度为435 MPa。

(3)试算结果及初步分析

路桥差异沉降，在桥台处形成折角，轨道结构随沉降发生变形，桥台折角位置的底座板易形成附加弯矩。以台后过渡段50 m范围发生15 mm、20 mm、40 mm直至200 mm的沉降差进行计算，计算摩擦板、端刺地段纵连底座板的的附加弯矩，并将其做为恒载施加在底座板上，分析不同状态下所需配筋量(如图8)。