大跨度桥梁与无砟轨道的纵向作用力

李文明

(中国交通建设股份有限公司 隧道工程局有限公司， 北京 100105)

大跨度桥梁与无砟轨道的纵向作用力

李文明

(中国交通建设股份有限公司 隧道工程局有限公司， 北京 100105)

采用有限单元法建立了“钢轨—底座板—桥梁—墩台”空间一体化模型，分析了列车制动和桥梁伸缩作用下，某75 m+135 m+75 m连续梁桥与轨道的纵向作用力.结果表明：钢轨、底座板、桥梁墩台与固结机构的制动力随着连续梁上制动力作用范围增加而非线性增大，其中桥梁墩台制动力最大，达3 094.99 kN；钢轨、底座板、桥梁墩台、固结机构伸缩力均随着滑动层摩擦因素增大同步增大，其中底座板纵向力最大，达900.13 kN.

桥梁；无砟轨道；大跨度；纵向力

0 引 言

为了保证列车行车安全性和舒适性，高速铁路对轨道平顺性要求极高，对线下基础的变形须严格控制[1].由于工程施工后的沉降不易控制，路基很难适应300 km/h及以上高速铁路的变形要求，我国高速铁路大量采用桥梁作为线下基础，例如，京沪高速铁路全长1 318 km，桥梁长度约1 140 km，占正线长度86.5%，其中有不少是大跨度连续桥梁[2-4].目前，在桥梁上铺设CRTSⅡ型板式无砟轨道(以下简称Ⅱ型板式轨道)是我国铁路工程施工中的重大创新技术，并在京沪、京津、杭长等高铁工程中得到了普遍应用.桥梁上Ⅱ型板式轨道最大特点是底座板贯通全桥梁且连续铺设，其施工特点是底座板与桥梁之间铺设“两布一膜”(2层土工布+1层薄膜)滑动层，底座板与摩擦板间铺设2层土工布，底座板的两端设置端刺限制其纵向变形[5].随着Ⅱ型板式轨道应用范围增加，铺设Ⅱ型板式轨道的桥梁跨度不断增大[6].在桥梁伸缩和列车制动作用下，桥上Ⅱ型板式轨道的无缝钢轨、底座板、桥梁及其墩台发生极为复杂的纵向相互作用，在桥梁与轨道结构设计时必须考虑二者相互作用产生的纵向力[7].目前，关于大跨度连续梁桥与Ⅱ型板式轨道的纵向作用力研究报道较少.对此，本研究采用有限单元法建立“钢轨—底座板—桥梁—墩台”空间一体化模型，分析列车制动和桥梁伸缩作用下，某75 m+135 m+75 m的大跨度连续桥梁与Ⅱ型板式轨道的纵向作用力，拟为桥梁与轨道结构的设计提供相应参考.

1 计算模型与参数

桥上Ⅱ型板式轨道纵向相互作用关系极为复杂：钢轨与轨下基础(轨道板、砂浆和底座板)通过扣件纵向阻力相互作用，底座板与下部的路基、摩擦板、桥梁通过路基阻力、摩擦板阻力、滑动层阻力等实现纵向相互作用，桥梁与基础通过墩台顶纵向水平刚度相互作用.综合考虑桥上Ⅱ型板式轨道各部件纵向相互作用关系，本研究建立如图1所示“钢轨—底座板—桥梁—墩台”空间一体化模型，图2为该模型桥跨及支座布置方式.

图1 “钢轨—底座板—桥梁—墩台”空间一体化模型

图2 桥跨及支座布置

如图2所示，桥跨布置从左至右依次为6跨32 m简支梁、75 m+135 m+75 m 3跨连续梁、6跨32 m简支梁，桥梁全长669 m.固定支座标记为三角形，活动支座标记为椭圆形，对固定支座从左往右顺序编号，共13个固定支座，其中连续梁的固定支座编号为7号.

采用有限单元法对图1所示模型求解时，因只考虑所有部件在纵向的相互作用，不考虑纵向构件的剪切与弯曲效应，故钢轨、轨道板、底座板和桥梁采用空间杆单元，每个单元2个节点，每个节点3个自由度，单元长度为1 m.桥梁两端摩擦板与路基的计算长度分别为100 m和200 m.模型中钢轨和底座板单元个数分别为5 076和2 538，桥梁单元个数为669.扣件纵向阻力、滑动层摩擦阻力、摩擦板阻力与路基阻力采用非线性弹簧单元模拟，通过定义弹簧的刚度非线性特性，可以准确地模拟各阻力，固结机构刚度、端刺刚度及墩台顶纵向水平刚度采用线性弹簧单元模拟，对应的弹簧单元个数分别为13、2、13.为方便计算，采用ANSYS软件APDL语言将模型求解编制成通用程序，各结构参数定义成变量，通过调整变量取值实现不同工况的计算.其中，列车制动力加载计算是在制动范围内将其转换成等效节点力施加于钢轨节点上，伸缩力计算则通过定义材料线膨胀系数后，把温度变化幅度作为体荷载施加在梁体上.模型中，各计算参数取值如表1所示.

表1 参数取值

为平衡多余纵向力，桥梁两端铺设100 m长摩擦板，其上铺设2层土工布，摩擦因素为0.7.由于纵连底座板在施工、环境温度变化、列车荷载与桥梁伸缩变形综合作用下，出现不同程度的开裂，其纵向传荷能力随之变化.对此，本研究以伸缩刚度折减系数来考虑这种变化，纵连底座板伸缩刚度等于未开裂状态下的伸缩刚度乘以折减系数，表1中折减系数0.1291对应全面开裂状态，为最不利状态.各固定支座对应的墩台顶纵向水平刚度见表2，表2中支座编号如图2所示.

计算结果显示，连续梁及两端桥台对应的墩台顶纵向水平刚度为同一数量级，其中，连续梁墩台顶纵向水平刚度最大，达到了9 660.8 kN/cm，其余简支梁墩台顶纵向水平刚度均在500 kN/cm～750 kN/cm范围内.

表2 墩台顶纵向水平刚度

2 制动力与伸缩力

2.1 制动力

制动力，是指在列车制动作用下，桥梁与轨道各部件的纵向作用力.考虑不同制动方向和位置对纵向作用力的影响，本研究计算了6种列车制动工况下，桥梁与轨道的纵向作用力，结果如图3所示.其中，工况1～工况3为从左向右制动，工况起点分别为8号、9号和10号墩，对应的连续梁上制动力范围依次为75 m、210 m和285 m；工况4～工况6为从右向左制动，工况起点分别为9号、8号和7号墩，对应的连续梁上制动力范围也是依次增大.所有工况制动力均为16 kN/m，制动长度从起点开始向后延伸300 m.

图3 制动工况示意

6种制动工况下各部件纵向受力最大值(绝对值)如表3所示.数值正负只代表了作用力的方向.图4和图5分别为两个方向制动时的轨道纵向力分布，图中纵向位置坐标以左桥台为0点，向右桥台为正方向.

表3 6种制动工况计算结果最大值(kN)

图4 从左向右制动3种工况轨道纵向力分布

图5 从右向左制动3种工况轨道纵向力分布

从表3、图4和图5可看出：

1)随着大跨度连续梁上制动力作用范围增加，钢轨、底座板、桥梁墩台与固结机构的纵向作用力均增大，且各部件纵向力增大与连续梁上制动力作用范围增加呈非线性关系，比如，工况3与工况1的连续梁制动力作用范围比为3.8，而对应的钢轨、底座板、桥梁墩台、固结机构纵向力比值分别为1.65、2.23、2.11、2.19.

2)端刺纵向力随着大跨度连续梁上制动力作用范围增加而减小，其原因是制动力终点与端刺的距离增加了，摩擦板承受了更多的制动力.

3)当大跨度连续梁上制动力作用范围相同时，钢轨、底座板、桥梁墩台、固结机构的最大纵向作用力大致相当，这与连续梁两侧桥跨布置方式相同及墩台顶纵向水平刚度变化不大有关.

4)钢轨最大制动压力出现在制动起点附近，最大制动拉力出现在制动终点附近，底座板纵向力在端刺与固结机构处均出现突变.

2.2 伸缩力

伸缩力，是指在桥梁伸缩作用下，桥梁、轨道各部件的纵向作用力.桥梁上Ⅱ型板式轨道在桥梁与底座板间铺设“两布一膜”滑动层是为了降低梁体伸缩引起的轨道纵向作用力，这对将滑动层的摩擦因素控制在较低水平至关重要.一般情况下，线路在运营初期滑动层摩擦因素为0.2，但随着材料老化、粉尘脏污等作用，滑动层的摩擦因素可能增大.本研究中，伸缩力计算工况1、工况2与工况3的滑动层摩擦因素分别为0.2、0.25和0.3，考虑桥梁的温度变化幅度均为30 ℃[8].表4为3种工况下桥梁和轨道各部件纵向力的最大值，图6和图7分别为钢轨和底座板的纵向力分布.

表4 伸缩力计算结果最大值(kN)

图6 钢轨伸缩力

图7 底座板伸缩力

从表4、图6和图7可看出：

1)钢轨、底座板、桥梁墩台、固结机构和端刺的纵向力最大值均随着滑动层摩擦因素增大同步增大.比如，当滑动层摩擦因素从0.2增大至0.25，对应的钢轨、底座板、桥梁墩台、固结机构、端刺的纵向力最大值分别增大1.249 kN、1.246 kN、1.250 kN、1.245 kN和1.250 kN.

2)钢轨最大纵向压力出现在距左桥台286 m处，该点位于大跨度连续梁固定支座附近，即图2中7号桥墩右侧19 m处.钢轨最大纵向拉力出现在距左桥台477 m处，该点位于大跨连续梁的右端，即图2中9号固定支座处.

3)底座板纵向力在每一跨简支梁上均出现一对峰值，最大纵向压力、拉力的位置分别对应所在梁跨的固定支座和活动支座位置.全桥最大纵向压力出现在距左桥台267 m处，该点是连续梁固定支座位置，最大纵向拉力出现在距左桥台477 m处，该点位于大跨连续梁的右端.

3 结 论

1)在列车制动作用下，随着大跨度连续梁上制动力作用范围增加，钢轨、底座板、桥梁墩台与固结机构的纵向力均随之增大，端刺的纵向力减小.所有工况情况下，钢轨、底座板、桥梁墩台与固结机构的纵向力最大值分别为442.73 kN、1 045.09 kN、3 094.99 kN和1 557.75 kN.当连续梁两侧桥跨布置方式相同、墩台顶纵向水平刚度变化不大时，列车制动方向对桥梁与轨道纵向相互作用影响有限.

2)在桥梁伸缩作用下，钢轨、底座板、桥梁墩台、固结机构和端刺的纵向力最大值几乎随着滑动层摩擦因素增大同步增大，当滑动层摩擦因素为0.3时，钢轨、底座板、桥梁墩台、固结机构和端刺的纵向力最大值分别为348.82 kN、900.13 kN、804.55 kN、761.25 kN和50.88 kN.钢轨和底座板的最大压力均出现在大跨连续梁的固定支座附近，最大拉力均出现在大跨连续梁的右端.

3)滑动层摩擦因素对伸缩力影响很大，本研究认为：“两布一膜”设计应采用合理的材料性能标准，防止因材料老化速度过快而引起的滑动层摩擦因素增大；同时，在线路运营过程中，应通过有效维护措施使轨道长期处于整洁状态.

[1]周全能，潘正风.武广铁路客运专线无砟轨道平顺性评估[J].铁道标准设计，2010，44(1)：64-66.

[2]郝晋豫，朱少捷.郑西客运专线路基工后沉降监测方案的探讨[J].铁道工程学报，2010，27(3)：33-36.

[3]姜领发，陈善雄.铁路客运专线路基工后沉降预测方法研究[J].铁道标准设计，2010，44(2)：19-22.

[4]文望青，罗世东.京沪高速铁路桥梁设计关键技术[J].铁道建筑技术，2009，26(2)：30-40.

[5]陈小平，王芳芳，赵才友.纵连底座板断裂对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道受力的影响[J].交通运输工程学报，2014,14(4)：25-35.

[6]王庆波，姜子清，司道林.桥上纵连板式无砟轨道相关技术问题分析[J].铁道工程学报，2010，27(5)：9-13.

[7]吴青松，任娟娟，刘学毅，等.用于铺设Ⅱ型板式轨道的大跨连续梁桥合理温度跨度研究[J].铁道科学与工程学报，2016,13(3)：414-422.

[8]中铁第四勘察设计院集团有限公司．铁路无缝线路设计规范：TB10015-2010[S]．北京:中国铁道出版社，2010．

Longitudinal Forces between Long Span Bridge and Ballastless Track

LIWenming

(Tunnel Engineering Co., Ltd., China Communications Construction Co., Ltd., Beijing 100105, China)

Base on finite element method(FEM),a spatial integration mechanical model of rail-base plate-bridge-abutment is established.Longitudinal forces between a long span bridge with 75 m+135 m+75 m continuous beam and track under action of train braking and bridge expansion is analyzed.The results show that longitudinal forces on rail,base plate,bridge abutment and shear alveolar show a nonlinear increase when the area of the train braking on the continuous beam expands.Meanwhile,the maximum longitudinal force existing on bridge abutment is as large as 3 094.99 kN.When the friction factors of sliding layer increase,longitudinal forces on rail,base plate,bridge abutment and shear alveolar synchronously increase,among which,the maximum longitudinal force existing on base plate is as large as 900.13 kN.

bridge;ballastless track;long span;longitudinal forces

1004-5422(2017)01-0094-04

2017-01-05.

李文明(1982 — )， 男， 工程师， 从事铁路桥隧工程设计与施工管理.

U213.244

A