桥梁温度跨度对双块式无砟轨道无缝线路的影响研究

郭成满，任娟娟，杨荣山，刘 勇

(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)

桥梁温度跨度对双块式无砟轨道无缝线路的影响研究

郭成满，任娟娟，杨荣山，刘 勇

(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)

为研究桥梁温度跨度对桥上双块式无砟轨道无缝线路的影响，运用线板桥墩一体化模型，计算不同温度跨度下，分别采用常阻力和小阻力扣件时的钢轨纵向力、道床板纵向力、抗剪凸台纵向力、梁轨相对位移以及钢轨断缝，分析桥梁温度跨度对轨道结构强度与变形的影响。结果表明：(1)随着桥梁温度跨度的增加，钢轨伸缩、挠曲、制动附加力和梁轨相对位移均增大；道床板、抗剪凸台纵向力和钢轨断缝保持不变。(2)扣件阻力减小时，轨道结构纵向力均减小；但梁轨相对位移和钢轨断缝增大。(3)为保证钢轨强度要求，当桥上铺设常阻力扣件时，桥梁温度跨度限值可取135m；当桥上铺设小阻力扣件时，桥梁温度跨度限值可取250m。

双块式无砟轨道；桥上无缝线路；温度跨度

目前，双块式无砟轨道结构大量运用于我国铁路桥上无缝线路，武广客运专线上的王灌冲特大桥温度跨度达195 m，轨道几何状态良好，未出现轨向不良、轨道结构破坏、钢轨碎弯等病害[1]；郑西客运专线上渭南二跨渭河特大桥，温度跨度达736 m，在运营期间，梁端附近由于梁轨相对位移过大出现轨下胶垫窜出等隐患(图1)[2]，胶垫窜出后，轨道结构刚度增大，造成轮轨动力作用增大，对轨道结构的冲击加剧，加速轨道结构的损坏，影响行车的安全性与舒适性。可见，对于长大混凝土桥上无缝线路，桥梁温度跨度过大会对轨道结构产生不良影响[3-5]。本文将采用Ansys有限元计算方法，探讨桥梁温度跨度对桥上双块式无砟轨道无缝线路的影响，并初步提出桥梁温度跨度的合理限值，以期指导工程应用。

图1 轨下胶垫窜出

1 计算模型与参数选取

1.1 计算模型

桥上无缝线路与路基上不同，其钢轨除受温度力作用之外，还受桥上附加纵向力作用。梁因温度变化而产生伸缩，在列车荷载作用下梁因挠曲而产生位移，通过梁轨间的相互作用，使钢轨受到纵向力的作用[6-10]。基于桥上无缝线路基本原理以及桥上双块式无砟轨道结构建立如图2所示线-板-桥-墩一体化计算模型，分析桥梁温度跨度对桥上双块式无砟轨道无缝线路的影响。

1.2 计算参数

桥梁以5-32 m简支梁+(L1+L2+L1) m连续梁+5-32 m简支梁为例，支座布置如图3所示。随着墩台纵向刚度的增加，钢轨伸缩力和挠曲力变化不大，而制动力明显减小[12]，故本文计算时取墩台纵向刚度的最小值。桥台纵向刚度取3 000 kN/cm[13]，双线32 m简支梁桥墩纵向刚度取350 kN/cm[13]，双线连续梁桥墩纵向刚度取1 500 kN/cm[12]，其他结构参数如表1所示[14]，连续梁桥跨如表2所示[11]。

本文扣件均采用WJ-8型扣件，扣件间距0.65 m，扣件垂向刚度为35 kN/mm，纵向阻力如图4所示，常阻力扣件极限位移为2 mm[14]，小阻力扣件的极限位移为0.5 mm[12]。道床板与底座间的摩擦阻力0.5×(60×2+2 500×28×0.26)×9.8=9.5 kN/m，限位凹槽四周橡胶垫板刚度180 kN/mm[12]。

图2 钢轨-道床板-桥梁-墩台一体化计算模型

图3 桥梁支座布置形式

表1 结构参数表

表2 连续梁桥跨 m

图4 WJ-8有载时车辆下、无载时扣件阻力

1.3 荷载

根据《铁路无缝线路设计规范》可知，对于温度荷载，取桥梁升温30 ℃，道床板升温30 ℃，钢轨升温50 ℃；对于列车荷载，高速客运专线采用ZK标准活载；对于制动荷载，制动率取0.164，制动长度400 m，加载时，车头作用在伸缩力最大位置处[9，14]；桥上铺设小阻力扣件时，只在连续梁段进行铺设。

2 桥梁温度跨度对结构受力的影响

2.1 桥梁温度跨度对钢轨纵向力的影响

桥上无缝线路钢轨纵向除受温度力外，还受伸缩、挠曲和制动附加力的作用，其中伸缩力最大值发生在连续梁梁端处，挠曲力最大值发生在连续梁跨中处，制动力最大值发生在制动起点处(即连续梁梁端处)。其各项极值与温度跨度的关系如图5所示。

图5 温度跨度与钢轨纵向力的关系

由图5可知：温度力与伸缩附加力之和随着温度跨度增加而线性增大，铺设常阻力扣件时增长梯度为4.86 kN/m，铺设小阻力扣件时增长梯度为3.23 kN/m。挠曲附加力、制动附加力也随温度跨度的增加而增大；但当温度跨度增大到一定值时，制动附加力增长梯度变小，其原因是桥梁跨度已超过其制动长度。相比于常阻力扣件，桥上铺设小阻力扣件时，温度力与伸缩附加力之和、制动附加力、挠曲附加力都变小，原因是扣件纵向阻力减小时，梁轨间的相互作用减弱，由此产生的附加力也会减小。所以，铺设小阻力扣件能有效减少梁轨间相互作用。

2.2 基于钢轨强度下的温度跨度限值研究

根据《铁路无缝线路设计规范》可知，在钢轨强度检算时，钢轨附加力取伸缩力和挠曲力的较大值，并叠加制动力。由图5可知，附加力应取伸缩力和制动力之和。

本文计算基于郑西客运专线，其车型为CRH3动车组，其中轴重150 kN，固定轴距2.5 m，运行速度350 km/h，无砟轨道支撑刚度取23 kN/mm。结合以上参数按规范计算可知[14]，列车运行时动弯应力为100 MPa。由钢轨的允许强度为352 MPa可得，钢轨剩余允许纵向力为1 952 kN。图6为钢轨纵向力(即温度力、伸缩力与制动力之和)与温度跨度的关系。

图6 钢轨纵向力与温度跨度的关系

为保证钢轨强度，钢轨纵向力应小于其纵向力限值1 952 kN，结合图6可知：当桥上铺设常阻力扣件时，桥梁温度跨度限值可达135 m，当桥上铺设小阻力扣件时，桥梁温度跨度限值可达250 m。

2.3 桥梁温度跨度对道床板受力的影响

桥上双块式无砟轨道道床板采用单元板式结构，道床板长5～7 m，本文道床板长度取6.4 m，板缝取0.1 m[15]。温度荷载作用下，桥梁伸缩带动道床板产生位移，由于钢轨、道床板、桥梁间的约束作用，从而在道床板中产生纵向力，图7是道床板最大纵向力与温度跨度的关系。

图7 道床板最大纵向力与温度跨度关系

由图7可知：随着温度跨度的增加，道床板最大纵向力基本保持不变，这是由于道床板上最大纵向力为其上所有扣件最大纵向阻力之和，当温度跨度较大时，一部分道床板上的所有扣件阻力均达到最大值，因此，道床板上的最大纵向力保持不变，扣件阻力越小，道床板最大纵向阻力越小。此时，道床板最大纵向力的极值为107 kN，对应道床板应力为0.14 MPa，道床板采用C40混凝土，其抗拉强度1.71 MPa，故道床板偏安全。

2.4 桥梁温度跨度对抗剪凸台受力的影响

桥上双块式无砟轨道结构底座上设限位凹槽，道床板相应位置设抗剪凸台，以实现传递水平力和限位作用。抗剪凸台通过箍筋与道床板连接，与底座板之间的接触面上采用弹性垫片。温度荷载作用下，桥梁伸缩带动道床板与底座间的相对滑动，将会在抗剪凸台上产生较大的纵向力。图8表示在温度荷载作用下工况1的连续梁上抗剪凸台纵向力的分布情况，其中抗剪凸台最大纵向力值发生在连续梁的两端一定范围内。图9为抗剪凸台最大纵向力与温度跨度的关系。

图8 连续梁桥上抗剪凸台纵向力分布

图9 抗剪凸台最大纵向力与温度跨度的关系

由图9可知，随着温度跨度的增大，抗剪凸台最大纵向力保持不变；但是扣件阻力减小时，抗剪凸台最大纵向力也随之减小。

抗剪凸台横断面尺寸为600 mm×600 mm，钢筋采用HRB335级钢筋，钢筋用量为12φ12 mm，采用C40混凝土浇筑[16]。由《混凝土结构设计规范》可知[17]，抗剪凸台跨高比l0/h=1<5，故抗剪凸台宜按深受弯构件进行设计，深受弯构件的抗剪截面应满足以下条件。

当hw/b≤4时：

V≤1/60×(10+l0/h)fcβcbh0

当hw/b≥6时：

V≤1/60×(7+l0/h)fcβcbh0

当4

按线性内插法取用。

对于抗剪凸台hw/b=h0/b=520/600=0.87<4。

所以抗剪承载力为

[V]=1/60×(10+l0/h)βcfcbh0=1 025 kN

由图9可知，抗剪凸台最大纵向力为160 kN，远小于抗剪凸台的抗剪承载力，故抗剪凸台较安全。

3 桥梁温度跨度对梁轨相对位移的影响

由于温度荷载取的是年温差，故温度荷载作用下梁轨相对位移是一年的累积变形；而制动荷载作用下，梁轨相对位移是快速的，对于有砟轨道的桥上无缝线路，其快速梁轨相对位移的限值为4 mm；目前，对于桥上无砟轨道，梁轨相对位移的限值不确定，还有待研究。

由图10可知：随着温度跨度的增加，温度荷载作用下，最大梁轨相对位移随之增大；列车制动时，最大梁轨快速相对位移也随之增大，但温度跨度达到一定值时，梁轨快速相对位移增长梯度变小。相比于常阻力扣件，铺设小阻力扣件时，温度荷载作用下梁轨相对位移最大值以及列车制动时快速梁轨相对位移最大值均增大。

图10 最大梁轨相对位移与温度跨度关系

4 桥梁温度跨度对钢轨断缝的影响

规范规定无砟轨道一般情况钢轨断缝容许值为70 mm，特殊情况下为90 mm[14]。钢轨断缝值的计算关系到行车安全，是桥上无缝线路设计的核心内容之一。在钢轨最大降温条件下，若一根钢轨折断，相邻轨条会通过限制墩顶纵向位移而阻止钢轨断缝的继续扩大。断轨位置依据规范设定在伸缩附加力最大位置处(即连续梁的活动端处)，将其中一根钢轨在此处折断，其他钢轨保持不变，考虑钢轨降温50 ℃。图11表示钢轨断缝值与温度跨度的关系。

图11 钢轨断缝值与温度跨度关系

由图11可知：钢轨断缝值随着温度跨度的增加几乎不变；相比于常阻力扣件，铺设小阻力扣件时，钢轨断缝值变大。对于常阻力扣件，钢轨断缝值均小于其限值70 mm，对于小阻力扣件(因为温度降50 ℃，可看作特殊情况)，钢轨断缝值小于在特殊情况下的钢轨断缝限值90 mm。

5 结论

(1)随着桥梁温度跨度的增加，钢轨伸缩、挠曲、制动附加力和梁轨相对位移均不断增大，制动附加力以及制动时梁轨相对位移的增长梯度在温度跨度达到一定值后减小；道床板、抗剪凸台纵向力不变。

(2)桥上采用小阻力扣件可降低钢轨最大纵向附加力以及轨道结构的受力，同时又增大了梁轨相对位移和钢轨断缝值，故扣件纵向阻力不宜过小。

(3)通过控制钢轨强度要求，桥上双块式无砟轨道无缝线路铺设常阻力扣件时，桥梁温度跨度限值建议为135 m，而铺设小阻力扣件时，桥梁温度跨度限值建议为250 m。

[1] 崔丽红，郭福安，江忠贵，刘增杰.长大混凝土无砟轨道温度跨度研究[J].铁道工程学报，2012(7):11-14.

[2] 韩文超.郑西高铁渭河特大桥钢轨伸缩调节器存在问题的整治与管理[J].西铁科技，2013(1):28-30.

[3] 刘建利.对称连续梁桥上无缝线路最大温度跨度适应性研究[J].铁道工程学报，2013(8):40-43.

[4] 陈小平.桥梁温度跨度对CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路的影响[J].华东交通大学学报，2012(6):26-30.

[5] 王平，颜乐，等.桥上无缝线路温度跨度的极值影响因素分析[J].铁道科学与工程学报，2013(10):34-39.

[6] 周群立，赵洪波.桥上无缝线路梁轨相互作用分析[J].地下工程与隧道，2006(4):49-50.

[7] 曲村，高亮，等.高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型双块式无砟轨道无缝线路影响因素分析[J].铁道工程学报，2011(3):46-51.

[8] 刘浩，王平，等.线路纵向阻力形式对桥上无缝线路计算影响[J].铁道标准设计，2013(3)：61-64.

[9] 熊震威，王平，等.列车制动对刚构桥上无缝线路梁轨相对位移的影响[J].铁道标准设计，2013(10)：10-14.

[10]曲村，高亮，等.高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路力学特性分析[J].铁道标准设计，2011(1)：12-16.

[11]邵旭东.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社，2007.

[12]中铁二院工程集团有限责任公司.高墩结构桥梁梁轨相互作用分析研究[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2013.

[13]中国铁路总公司.TB10015—2012铁路无缝线路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[14]中铁第四勘察设计院集团有限公司.国内外大跨度桥梁无砟轨道无缝线路设计研究报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2011.

[15]孙立.武广客运专线双块式无砟轨道设计[J].铁道标准设计，2006(9):155-158.

[16]孙立.客运专线桥上双块式无砟轨道抗剪凸台设计计算研究[J].铁道建筑，2009(4)：1-3.

[17]中华人民共和国住房与城乡建设部.GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

Research on Effects of Bridge Temperature Span on Continuous Welded Rail and Double Block Ballastless Track

GUO Cheng-man， REN Juan-juan， YANG Rong-shan， LIU Yong

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

In order to study the effects of bridge temperature span on continuous welded rail and double block ballastless track， a line-slab-bridge-pier integration model is established to calculate the longitudinal force of the rail， the longitudinal force of the track slab， the longitudinal force of the shear cam， relative displacement between bridge and rail， and rail cracks with constant resistance and small resistance fasteners at different temperature span， and analyze the impact of bridge temperature span on the strength and stability of track structure. The results show that (1) with the increase of temperature span， the additional longitudinal force of the rail and relative displacement between bridge and rail all increase， but the longitudinal force of the track slab and shear cam and rail cracks stay unchanged; (2) when the fastening resistance decreases， the longitudinal forces of track structure all decrease， but the relative displacement between bridge and rail and rail cracks increase; (3) in order to ensure the strength of the rail， when the fasteners with constant resistance are installed， the limit of temperature span may reach 135 m; when the fasteners with small resistance are fixed， the limit of temperature span can reaches 250 m.

Double block ballastless track; CWR on bridge; Temperature span

2014-05-27；

2014-06-04

中国铁路总公司科技开发重点项目(2013G008-C)，中央高校基本科研业务费专项资金科技创新项目(A0920502051308-46)

郭成满(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：1158131160@qq.com。

1004-2954(2015)03-0059-05

U213.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.014