大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道线路维护的力学影响

陈小平,王芳芳,郭利康

(1.成都大学城乡建设学院, 成都　610106; 2.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)



大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道线路维护的力学影响

陈小平1,2,王芳芳1,郭利康2

(1.成都大学城乡建设学院, 成都610106; 2.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)

摘要：建立一种桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力学模型,取消部分区段的扣件纵向阻力以模拟维护作业对轨道和桥梁受力的影响。利用所建力学模型对一座80 m+128 m+80 m大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道松开扣件进行线路维护作业的纵向力变化进行分析,结果发现：钢轨纵向力最大变化值为64.82 kN,相当于轨温变化3.38 ℃产生的温度力；底座板纵向力最大变化值为52.75 kN；剪力齿槽和桥梁固定支座的纵向力变化均在20 kN以下。松开扣件维护作业对钢轨、底座板、剪力齿槽和固定支座的强度影响可承受,按现行《高速铁路无砟轨道线路维修规则》对大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道松开扣件进行维护作业是可行的。

关键词：CRTSⅡ型板式无砟轨道；线路维护；力学影响；大跨度；连续梁桥

为了跨越既有高速公路、铁路、河流等障碍物，我国高速铁路建设时有将CRTSⅡ型板式无砟轨道铺设在大跨度连续梁桥上[1，2]。随着运营时间增加，车辆荷载动态作用导致轨道几何状态逐渐恶化，为了满足高速列车安全、平稳运行的需求，大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道需要在适当时机松开扣件进行垫板、改道等维护作业[3，4]。桥梁伸缩、挠曲及列车制动等因素作用下，桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的无缝钢轨、底座板、桥梁将发生极为复杂的纵向相互作用，这其中扣件纵向阻力是重要影响参数[5-9]。为了明确松开扣件进行垫板、改道等维护作业对大跨度连续梁桥上无缝钢轨、底座板、桥梁等主要部件的纵向力影响，以确定其强度是否能满足使用要求，本文拟建立一种考虑在线路任意区段松开扣件的无缝钢轨-无砟轨道-大跨度连续梁桥纵向相互作用力学模型，分析一座80 m+128 m+80 m的大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道在不同位置松开扣件进行改道、垫板等维护作业对无缝钢轨、底座板、剪力齿槽和桥梁固定支座等部件纵向力的影响，为大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道合理维护及结构优化提供相关理论参考。

1力学模型

图1　考虑维护作业的大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力学模型示意

考虑桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向连续层主要有无缝钢轨、无砟轨道和桥梁，并根据三个纵向连续层的相互作用关系建立图1所示模型。模型中无缝钢轨与无砟轨道通过扣件纵向阻力相互作用，无砟轨道与桥梁通过滑动层摩擦阻力和剪力齿槽阻力相互作用，与摩擦板通过摩擦板阻力相互作用，与路基通过路基阻力相互作用。桥梁通过固定支座阻力与墩台及基础相互作用。模型中大跨度连续梁的两侧只给出1跨简支梁作为示意，实际力学模型需要根据具体桥跨布置建立，图1重点在于说明系统的相互作用关系如何考虑。另外，本文所建模型考虑了两股道与桥梁共同纵向相互作用，本质为一无缝钢轨、无砟轨道和桥梁纵向相互作用空间一体化模型，图1所示为模型正面图，未体现这一特点。运营阶段进行维修作业时，某区段同时松开两股道扣件的可能性很小，但同时松开一股道2根钢轨的扣件有可能的，考虑到2根钢轨的扣件纵向阻力比1根大，为了对不利情况进行分析，所建计算模型取消维修地段一股道的扣件纵向阻力，保留另一股道的扣件纵向阻力。对图1所示模型采用有限单元法求解，钢轨、无砟轨道及桥梁采用空间梁单元模拟，单元长度为1 m。扣件纵向阻力、滑动层摩擦阻力、摩擦板阻力和路基阻力采用非线性弹簧单元模拟，非线性弹簧的拉伸和压缩性能相同，弹簧拉压变形量等效成弹簧单元2个节点的纵向相对位移，弹簧产生的拉力或压力等于相应的阻力，非线性特性表现在阻力随纵向相对位移非线性变化。端刺阻力、剪力齿槽阻力和桥梁固定支座阻力采用线性弹簧模拟，弹簧拉压性能相同，其中固定支座阻力弹簧的刚度等于墩台顶纵向水平刚度。根据位置，分别建立端刺、路基、摩擦板及墩台基础节点用来连接各类相应的弹簧单元。对整个模型进行统一编号，约束端刺、路基、摩擦板及墩台基础节点的所有自由度，根据各类单元的单元刚度矩阵组集系统总刚度，建立系统平衡方程，然后求解。

2计算参数

以我国客运专线上某座80 m+128 m+80 m大跨度连续梁桥为研究对象，在连续梁左侧和右侧分别布置9跨和10跨32 m简支梁，大跨度连续梁固定支座位置见图1，所有简支梁的固定支座布置在左侧，固定支座对应的墩台顶纵向水平刚度如表1所示，表中序号为从左桥台向右桥台顺序编号。每跨简支梁和大跨度连续梁上均设置1个剪力齿槽，位置对应桥梁固定支座布置。无砟轨道、各类阻力及其他参数取值见表2。

表1　墩台顶纵向水平刚度　kN/cm

表2　主要计算参数取值

扣件纵向阻力、滑动层摩擦阻力、摩擦板阻力、路基阻力非线性变化特性如图2所示，区别在于各自的屈服点位移和极限阻力不同。扣件纵向阻力和路基阻力的极限阻力值见表2，除扣件纵向阻力的屈服点位移为2 mm外，其余阻力的屈服点位移均为0.5 mm。滑动层摩擦阻力和摩擦板阻力的极限阻力值等于上部钢轨、轨道和底座板的重力乘以摩擦系数，钢轨为60 kg/m钢轨、计算轨道板和底座板重力所需参数及摩擦系数见表2。表2中端刺及剪力齿槽的阻力弹簧刚度取值是参考文献[10]确定的。由于混凝土裂缝对底座板伸缩刚度的影响，计算考虑最不利状态，即底座板处于全断面开裂状态，伸缩刚度折减至开裂前的11.92%，这是因为底座板伸缩刚度越小，无缝钢轨纵向力受桥梁伸缩影响越大[8]。

图2　非线性阻力变化特性

3松开扣件数量的影响

文献[11]规定，高速铁路无砟轨道进行改道、垫板作业时允许作业轨温差不超过10 ℃，连续松开扣件数量不超过40个。文献[12]规定，桥上无缝线路纵向力计算，桥梁温差按年温差考虑时为30 ℃。考虑大跨度连续梁上进行线路维护作业时钢轨和桥梁温差处于最不利状况，即作业时钢轨温差为10 ℃，桥梁温差为30 ℃。连续松开扣件数量按4种工况考虑：以大跨度连续梁固定支座位置为中心分别连续松开扣件10个、20个、30个和40个，扣件间距按0.6 m考虑。大跨连续梁固定支座距左桥台的距离为368 m，4种工况扣件松开区段分别距左桥台365～371 m(工况A)、362～374 m(工况B)、359～377 m(工况C)和356～380 m(工况D)。

表3为4种工况对应的钢轨、底座板、剪力齿槽和桥梁固定支座纵向力最大变化值。图3～图6分别为钢轨、底座板、剪力齿槽和固定支座在作业区段各工况纵向力变化值的比较。图3、图4横轴表示的位置坐标以左桥台为原点、指向右桥台为正，纵轴表示的纵向力变化值为作业前后的纵向力差值，正值表示作业后增加了。剪力齿槽和固定支座编号均是从左桥台往右桥台顺序编号，大跨连续梁桥上的剪力齿槽和固定支座编号均为10。在松开扣件地段，钢轨与无砟轨道的最大纵向相对位移从工况A的0.15 mm增大至工况D的0.57 mm，4种工况的最大纵向相对位移均出现在距左桥台368 m处，即松开扣件地段的中心位置。

表3　不同工况主要部件纵向力最大变化值　kN

图3　钢轨纵向力变化

图4　底座板纵向力变化

由表3可知，扣件松开后，钢轨、底座板、剪力齿槽、固定支座的纵向力降低值不会随着扣件连续松开数量线性增加，这是因为扣件纵向阻力和滑动层摩擦阻力都是非线性变化，并且纵向相对位移超过各自的屈服点位移后阻力不再增加。松开扣件对钢轨纵向力影响最大、底座板次之，剪力齿槽再次之，桥梁固定支座最小。在大跨度连续梁桥上对CRTSⅡ型板式无砟轨道连续松开40个扣件进行维护作业，钢轨纵向力最大变化值为64.82 kN，相当于一根60 kg/m无缝长钢轨轨温变化3.38 ℃所产生的温度力。底座板纵向力最大变化值为52.75 kN，没有超过其设计检算所采用最大纵向力3 245.5 kN的1.63%[10]。

图5　剪力齿槽纵向力变化

图6　固定支座纵向力变化

图3表明钢轨纵向力变化的两个极值出现在松开扣件区段的两端附近，在松开扣件区段的中心区域钢轨纵向力基本保持不变，这是由于该区域钢轨没有扣件纵向阻力作用。连续松开40个扣件时距左桥台314～420 m范围内的钢轨纵向力有明显变化，表明连续松开扣件对两端相邻约42 m(相当于70个扣件支点)范围内的钢轨纵向力有明显影响。

图4表明底座板纵向力变化规律与钢轨具有反向相似性，钢轨纵向力出现减小极值时底座板纵向力出现增大极值，在松开扣件中心区域底座板的纵向力也没什么变化。底座板纵向力只在松开扣件区段前后约26 m范围内变化较大，松开扣件对底座板纵向力的影响范围比钢轨小，这是因为滑动层摩擦阻力比扣件纵向阻力大，松开扣件后底座板上表面的扣件纵向阻力变化可以被更短范围内的滑动层摩擦阻力平衡。

由图5和图6可知，松开扣件对剪力齿槽和桥梁固定支座产生相似的影响：松开扣件所在梁跨的剪力齿槽和桥梁固定支座纵向力降低，相邻梁跨增加，随着扣件松开数量增加，这种变化幅值增大。剪力齿槽和固定支座纵向力的变化仅限于连续梁及两侧相邻简支梁，其余简支梁上的剪力齿槽和固定支座纵向力变化不明显。虽然剪力齿槽比桥梁固定支座的变化幅值稍大，但都没有超过20 kN，这一变化与各自的承载能力相比，几乎可以忽略不计[10]。

4作业位置的影响

为了分析大跨度连续梁桥上维护作业位置对系统纵向力的影响，对图7所示7个位置(位置A和G为大跨度连续梁的两端，位置B、D、F为跨中，位置C和E为主跨两侧桥梁墩台处，剪力齿槽和固定支座均在位置C处，各位置松开扣件区段距左桥台距离见表4)进行了计算，每一个位置连续松开扣件的数量均为40个，即现有维修规则允许松开的最多扣件个数[11]，计算中的钢轨和桥梁的温差幅度分别为10 ℃和30 ℃。表5为在不同位置作业后，各主要部件的纵向力最大变化值，表中剪力齿槽和固定支座纵向力变化均为大跨度连续梁的。

图7　连续梁上作业位置示意

表4　各作业位置松开扣件区段距左桥台距离　m

表5　主要部件纵向力最大变化值　kN

由表5可知，对主要部件纵向力影响最大的作业位置在连续梁固定支座处、各跨中其次，连续梁的两端较小，这是因为连续梁在固定支座附近设有剪力齿槽，松开扣件后底座板因约束减弱出现纵向变形趋势，但剪力齿槽限制了这一趋势，从而剪力齿槽的纵向力增加，并就近传至连续梁固定支座上。各作业位置均是对钢轨和底座板的纵向力影响较大，剪力齿槽和固定支座则很小。

图8和图9分别为不同作业位置对钢轨和底座板纵向力变化的影响。

图8　钢轨纵向力变化

图9　底座板纵向力变化

从图8和图9可看出，各作业位置钢轨和底座板纵向力变化峰值在松开扣件区段的两端附近出现，在松开扣件区段的中部纵向力变化最小。在距左桥台相同位置，钢轨纵向力增大、底座板减小，钢轨纵向力减小、底座板就增大，表明二者纵向力变化规律类似反对称，但数值有差异。位置G进行维护作业时，钢轨和底座板纵向力变化范围最小，位置C维修作业时则最大，因此建议在位置C松开扣件进行维护作业时，应注意对松开扣件区段前后约70个支点范围的线路状态、特别是扣件的拧紧状态进行仔细检查，以保证线路的强度和稳定性。位置A和位置G进行维护作业时，底座板纵向力有突变，其原因是在这两个位置附近有相邻简支梁上的剪力齿槽的约束作用。

5结论

(1)按《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》规定，桥上CRTSⅡ型板式无砟轨进行垫板、改道作业允许连续松开扣件最多40个，此时80 m+128 m+80 m大跨度连续梁桥上钢轨纵向力最大变化值为64.82 kN，相当于轨温变化3.38 ℃产生的温度力，根据现行规则进行维护作业，对无缝线路强度影响不大。

(2)底座板纵向力变化比钢轨纵向力变化小，对称连续梁固定支座连续松开40个扣件时，底座板纵向力变化最大，为52.75 kN，该值远小于底座板设计检算时所采用的纵向力，按现行规则松开扣件进行维护作业对底座板强度的影响几乎可以忽略。

(3)剪力齿槽和桥梁固定支座的纵向力变化比钢轨和底座板有较大幅度的减小，按现行维修规则松开扣件进行维护作业剪力齿槽和桥梁固定支座的纵向力变化均在20 kN以下，这一变化与其承载能力相比很小，可以不考虑松开扣件维护作业对剪力齿槽和桥梁固定支座强度的影响。

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Mechanical Effect of Track Maintenance on CRTSⅡ SlabTrack and Long Span Continuous Beam BridgeChen Xiao-ping1,2, Wang Fang-fang1, Guo Li-kang2

(1.School of Urban and Rural Construction, Chengdu University, Chengdu 610106, China;

2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：A longitudinal mechanical model of CRTSⅡ slab track on the bridge is set up to simulate the effects of track maintenance operation on the stress of the track and bridge by eliminating fasteners’ longitudinal resistance in some track sections. The longitudinal stress changes of CRTSⅡ slab track and 80 m+128 m+80 m long span continuous beam bridge with fasteners loosed for maintenance operation are analyzed with the model. The results show that the maximal rail longitudinal stress change is 64.82 kN, equaling to its temperature stress caused by 3.38 ℃ change. The maximal longitudinal foundation plate stress change is 52.75 kN. The Longitudinal stress changes of shear alveolar and fixed support are both smaller than 20 kN. The effects of track maintenance with loosed fasteners on the strength of the rail, foundation plate, shear alveolar and fixed support are acceptable. Therefore, it is feasible to loose fasteners and conduct track maintenance on CRTSⅡ slab track on long span continuous beam bridge according to current Regulations for High-speed Railway Ballastless Track Maintenance.

Key words：CRTSⅡ slab track; Track maintenance; Mechanical effect; Long span; Continuous beam bridge

中图分类号：U213.2+44

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.001

文章编号：1004-2954(2015)02-0001-05

作者简介：陈小平(1978—)，男，副教授，博士，E-mail:cxp193@163.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51308081)；铁道部科技研究开发计划项目(2010G006-B)

收稿日期：2014-05-12； 修回日期：2014-05-20