高速铁路连续梁上CRTSⅠ型双块式无砟轨道温度应力影响研究

何建平

（中国铁路南昌局集团有限公司 南昌高铁维修段，江西 南昌 330100）

1 研究背景及方法

连续梁上CRTSⅠ型双块式无砟轨道为单元布置，夏季及冬季现场出现了梁端及板端较大纵向位移变化，而温度应力产生的梁端及板端纵向位移势必影响轨道结构性能，严重时甚至产生胶接绝缘接头拉开、轨距块拉裂以及轨下胶垫窜出，影响行车及轨道结构耐久性。因此，研究温度变化下梁与板的纵向变化情况对养护维修有较大的指导意义[1-4]。

选取合福高铁（32+48+32）、（40+56+40）、（40+64+40）、（32+78+32）及（60+100+60）m共5种不同形式的连续梁，采用梁-板理论，利用现场调研数据及建立有限元力学计算模型进行分析，从温度应力及自重作用下研究其对梁及板纵向的影响。

2 梁-板理论

弹性地基梁板理论计算模型见图1。梁板理论的计算模型物理概念清楚，与无砟轨道实际情况更加接近，适应性更强，计算参数便于测定，且与叠合梁理论中的计算参数可方便换算。

图1 弹性地基梁板理论计算模型

对于桥梁上双块式轨道这种无中间层的结构，可根据道床板与底座的界面连接状况按照位移一致的原则等效为单层板，与上部钢轨、下部桥梁一起构成梁板模型，桥墩采取支座约束进行计算。

将钢轨视为3D弹性梁，道床板和底座视为一个结构曲壳，桥梁视为一个结构曲壳，钢轨与道床板间通过扣件系统建立横向、纵向和垂向弹簧连接，道床板与桥梁间通过建立横向、纵向和垂向刚性连接，即协同变形，桥梁下部通过与支座建立约束，从左往右依次简化为垂向、横向位移约束的活动支座和垂向、横向、纵向位移约束的固定支座，具体支座布置形式为活动支座1—固定支座—活动支座2—活动支座3。

3 有限元计算力学模型

计算模型为（32+48+32）、（40+56+40）、（40+64+40）、（32+78+32）及（60+100+60）m共5种连续梁，梁-板耦合计算模型见图2、图3，计算参数均按照规范要求选取。

4 计算结果及分析

4.1 板端纵向位移

通过对梁-板有限元力学计算模型施加升温30 ℃、升温20 ℃、升温10 ℃、施工温度、降温10 ℃、降温20 ℃、降温30 ℃，板端纵向位移变化量见表1（正值为板端间距变小方向，负值为板端间距变大方向）。

图2 梁-板耦合计算模型

图3 有限元计算结果

表1 板端纵向位移变化量mm

由计算结果可知，不同升降温变化，在固定支座处附近板纵向位移量较小，除（60+100+60）m连续梁温度变化30 ℃有10.24 mm位移、温度变化20 ℃有6.83 mm位移，其余各种连续梁型温度变化下位移均在5 mm范围内；而在活动支座处有较大纵向位移，升、降温越大，纵向位移量越大，活动支座3附近纵向位移量均超过5 mm，（32+48+32）m连续梁活动支座3附近有最大纵向位移，20 ℃其值可达15.43 mm、30 ℃其值可达23.15 mm。不同形式连续梁板端升、降温纵向位移绝对值见图4。

现场累计实测温度变化20 ℃情况下，合福高铁丰溪河特大桥（40+64+40）m连续梁活动支座变化20 mm，丰溪河特大桥（32+48+32）m连续梁活动支座变化19 mm，饶北河2号特大桥（60+100+60）m连续梁活动支座变化10 mm，芹口特大桥（40+56+40）m连续梁活动支座变化14 mm。

4.2 梁端纵向位移

梁端纵向位移变化量见表2（正值为梁端间距变小方向，负值为梁端间距变大方向），升、降温不同形式梁4个支座附近梁位移情况见图5。梁与板的纵向位移情况基本一致，其纵向位移绝对值与板情况一致。

现场累计实测温度变化20 ℃情况下，合福高铁建瓯建溪大桥（60+100+60）m连续梁活动支座变化9 mm，南铝1号大桥（48+80+48）m连续梁活动支座变化15 mm，信江特大桥（60+100+60）m连续梁活动支座变化10 mm。

图4 升、降温20、10℃不同形式连续梁板端纵向位移绝对值

连续梁型/m 支座类型 升温30 ℃ 升温20 ℃ 升温10 ℃ 施工温度下 降温10 ℃ 降温20 ℃ 降温30 ℃

表2 梁端纵向位移变化量mm

图5 升、降温20、10℃不同形式连续梁端纵向位移

4.3 钢轨轴向应力

升温及降温钢轨轴向应力峰值见表3。按60轨截面积77.45 cm2计算，升、降温20 ℃（77 MPa应力）情况下拉应力及压力可达596.36 kN，按照TB/T 2975—2010《铁路钢轨胶接绝缘接头技术条件》，夹板抗拉强度≥900 MPa，绝缘套管压缩强度（轴向）138 MPa，常温固化环氧黏结剂剪切强度≥26 MPa，夹板抗拉强度≥900 MPa，螺栓不低于10.9S级高强度螺栓（按0.6剪切应力系数计算，其剪切应力达540 MPa）。由表3可知，5种连续梁在固定支座附近温度变化有较大的拉压应力，胶接绝缘接头布置在附近，梁-板伸长区极有可能降温20 ℃以上先产生黏结剂剪切破坏，黏结失效继而产生绝缘套管剪切破坏；如果日温度在施工温度上下变化，拉压应力反复交替，胶接绝缘接头黏结剂及绝缘套管将会产生疲劳效应，性能下降，直至发生破坏。

5 结论

连续梁上CRTSⅠ型双块式无砟轨道受整体升温及降温影响，会产生梁-板纵向位移以及钢轨纵向应力。根据理论计算及现场实测，可以得出：

表3 钢轨轴向应力峰值 MPa

（1）不同形式连续梁温度变化后板端位移不同，（32+48+32）m连续梁升温及降温30 ℃最大位移为23.15 mm，（40+56+40）m连续梁升温及降温30℃最大位移为21.06 mm，（40+64+40）m连续梁升温及降温最大位移为21.16 mm，（32+78+32）m连续梁升温及降温20 ℃最大位移为22.92 mm，（60+100+60）m连续梁升温及降温30 ℃最大位移为15.04 mm，现场实测与理论计算结果较为一致，梁端纵向位移与轨道板一致。

（2）梁-板因温度变化，板端纵向位移可达23.15 mm，如果连续梁上钢复合胶垫与钢轨摩擦系数过大，极限情况可想象成胶垫与钢轨底部因锈蚀黏结在一起，将导致胶垫窜出，因此应加强连续梁上板纵向位移较大区域扣件系统的养护维修。

（3）连续梁地段升、降温30 ℃（50 MPa应力）情况下钢轨拉力及压力可达596.36 kN。

（4）不同形式连续梁温度变化后钢轨纵向应力不同，胶接绝缘接头布置在附近，梁-板伸长区极有可能降温20 ℃以上先产生黏结剂剪切破坏，黏结失效继而产生绝缘套管剪切破坏。另外，如果日温度在施工温度上下变化，拉压应力反复交替，胶接绝缘接头将可能产生疲劳效应，性能下降，也可能发生破坏。在梁-板伸长区如果布置有胶接绝缘接头，温度明显变化情况下应作为薄弱设备加强检修，尤其是在车站岔区前后未设置小阻力扣件线路区段，在温度变化幅度较大的春秋季节、极端温度条件下应缩短检查周期和做好预防性应急处置方案。