短轨枕式整体道床高架结构变形控制指标分析

熊聪聪 潘 朋 张朋宽

(中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031)

伴随着庞大规模的轨道交通建设，密集的地铁网络如血脉一般贯通整个城市，邻近地铁的建设活动日益增多。对于高架结构，临近开挖卸荷难免会扰动地层，进而引发桥梁基础沉降和水平变形，并引起桥上线路产生附加轨道不平顺，影响列车运行的安全性和舒适性。

近年来，研究桥梁基础变形及其对轨道平顺的影响成为了热点。Wang等[4]提出随机反分析法预测基坑开挖引起的邻近建筑潜在损坏的可能性。一些研究针对桥梁基础沉降引起轨道附加不平顺进而引发列车-轨道-桥梁动力相互作用开展了部分工作[5-8]。蔡小培等[9]、赵立宁等[10]和仝炜[11]采用数值计算法分析地面沉降对轨道结构平顺性的影响规律。吴楠等[12]和De等[13]基于单元板式无砟轨道分析了桥墩不同变形模式和量值对高速铁路行车的影响。毛建红等[14]采用三维有限元，并将温度效应纳入计算，提出相邻墩高差合理取值范围的拟合计算公式。

上述研究采用解析、半解析及数值分析等手段，结合大量工程实践，对高速铁路桥墩基础变形与轨道几何状态的关系已有较清晰的认识，但并不适用于桥梁形式、轨道结构等发生变化的其它线路。为进一步加强对该问题的了解和认识，本文以上海市轨道交通11号线花桥段为例，从桥墩变形对既有线路的影响入手进行分析和探索，以期为实际工程提供有益参考。

1 工程概况

轨道交通11号线花桥段东起上海轨道交通11号线北段支线终点站安亭站，西至花桥巷浦路，线路全长约6 km，全线为高架桥，共设高架车站3座，分别为兆丰路站、光明路站、花桥站。运营后的上海轨道交通11号线单线里程达到了72 km，是全国首条跨省轨道交通。

(1)箱梁

一般路段，区间高架上部结构采用与11号线北段一期一致的简支双线蝶形预制组合小箱梁(局部路段采用上、下行线分开的单线组合小箱梁)[15]，标准跨径分别为25 m和30 m,梁体混凝土强度等级取C55，桥墩混凝土强度等级取C30。双线简支梁桩基主要为12～16根Φ800钻孔灌注桩，桩长45～57 m。

短轨枕式承轨台整体道床是一种与基础连成一体并纵向铺设在每股钢轨下面的条形钢筋混凝土结构[15]。整体道床分块布置，一般每隔5个轨枕设置1道伸缩缝，伸缩缝宽100 mm。桥梁横截面如图1所示。

图1 30 m跨径简支梁跨中截面图[15](单位：mm)Fig.1 Mid span section of 30 m simply-supported beam(unit:mm)

(2)支座

简支梁支座采用TGPZ-1500盆式橡胶支座，支座平面布置按图 2进行。采用弹簧单元对支座进行模拟，各类支座弹簧刚度见表 1。

图2 简支箱梁支座布置图Fig.2 Floor plans for bearings of the simply-supported bridge

表1 弹簧刚度Table 1 Spring stiffness

(3)扣件

高架区间正线采用60 kg/m钢轨、无缝线路。高架线采用WJ-2型有螺栓弹性分开式扣件。扣件采用三向非线性弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵向阻力、横向刚度和垂向刚度，并采用多根弹簧进行模拟，以真实模拟轨下垫板尺寸效应，同时降低轨道板上扣件位置处的应力集中。WJ-2A型扣件参数如表 2所示。

表2 WJ-2A型扣件参数Table 2 Parameters of SJ-2A fastener

2 桥墩-支座-桥梁-轨道静力分析

2.1 轨道平顺性控制标准

墩顶的位移直接通过梁体反映到轨道结构上，从而影响桥上线路平顺性。对于轨道的平顺性，规范[16]中规定的城市轨道交通结构安全控制指标如表 3所示，其中指标值不包括测量、施工等的误差。

表3 安全控制指标Table 3 Safety control index

2.2 桥墩变形控制指标

利用有限元软件ABAQUS建立了轨道-桥梁上部结构-支座-桥墩的有限元模型，计算钢轨随桥墩变形的附加变形曲线。考虑边界效应的影响，建立四跨简支梁(4 m×30 m)进行模拟，通过对桥墩底部节点施加强制位移模拟桥墩沉降及横向变形。计算模型如图3所示。

2.2.1 桥墩横向变形控制指标

(1)位移传递分析

对图3中3号桥墩取横向位移8 mm进行计算。结果表明，在该桥墩墩顶固定支座上方处箱梁最大横向位移为8.07 mm，大于桥墩产生位移，截取梁端底板剖面图位移并将比例放大夸张显示(如图4所示)，箱梁除了由于固定支座随桥墩横向位移带动下产生横向移动，梁端还会产生一定的转动，因此横向位移比下部桥墩位移更大。

图3 4跨简支梁计算模型Fig.3 Calculation model for 4-span simply supported beam bridge

图4 梁端底部转角Fig.4 Bottom corner of beam end

由于承轨台与桥梁梁部连成一体，承轨台结构与箱梁位移接近，最大横向位移为8.05 mm。在扣件横向刚度约束下，钢轨横向最大变形为7.95 mm，小于轨道结构及箱梁变形。

图5 中钢轨3、钢轨4为发生横向位移侧线路钢轨，钢轨1、钢轨2为另一侧线路钢轨。可以看出桥墩发生横向位移处钢轨3、钢轨4受拉，最大拉应力为18.47 MPa，横向位移发生另一侧线路钢轨1、钢轨2则受压，最大压应力为8.54 MPa。发生横向位移3# 桥墩处相邻两跨桥梁端部(远离3# 桥墩侧)钢轨则受压。

图5 钢轨应力Fig.5 Rail stress

(2)轨道平顺性分析

如图6 所示，桥墩横向变位对轨向不平顺造成的影响最大，最大轨向不平顺为1.26 mm，而其余3项不平顺指标虽然在桥墩横向位移作用下有小幅变动，幅值均在0.04 mm以内，后续分析工况仅对轨向不平顺进行分析。分别计算8种横向位移工况(横向位移1，2，4，6，8，12，14，16 mm)，轨向不平顺最大值随桥墩横向位移值变化如图 7所示，桥墩横向位移与轨向不平顺最大值呈线性关系。

图6 轨道不平顺Fig.6 Track irregularity

图7 桥墩不同横向位移情况下的轨向不平顺Fig.7 Track irregularity under different lateral displacements of piers

根据CJJ/T 202—2013[16]中轨向不平顺控制指标：预警值<2 mm，控制值<4 mm，可以得到桥墩横向位移预警值应控制在12.7 mm以内，控制值应控制在25.4 mm以内。

2.2.2 桥墩垂向变形控制指标

(1)位移传递分析

对图3中3号桥墩取沉降8 mm进行计算。计算结果表明，在发生位移桥墩处箱梁顶面最大垂向位移为8.1 mm，大于桥墩产生位移，截取梁端板剖面图垂向位移并将比例放大显示(如图8所示)，可以看出箱梁除了由于固定支座随桥墩竖向位移带动下产生垂向移动，梁端还会发生一定的转动，因此梁端顶面距梁底面竖向距离比原来的梁高小，箱梁顶面位移比下部桥墩位移大。

图8 梁端底部转角Fig.8 Bottom corner of beam end

由图 9可以看出，钢轨1-钢轨4在桥墩发生沉降处钢轨均受拉，最大拉应力为3.45 MPa。发生横向位移3# 桥墩处相邻两跨桥梁端部(远离3# 桥墩侧)钢轨则受压，最大压应力为3.32 MPa。

图9 钢轨应力Fig.9 Rail stress

(2)轨道平顺性分析

如图10所示，桥墩垂向位移对高低不平顺造成的影响最大，最大值为1.24 mm，而对轨向、水平、轨距不平顺的影响均在0.02 mm以内。因此，可认为桥墩垂向位移对加剧水平、轨距及轨向不平顺作用不明显，后续分析工况仅需对高低不平顺进行分析。

图10 轨道不平顺Fig.10 Track irregularity

分别计算8种桥墩垂向位移工况，高低不平顺最大值随桥墩垂向位移值变化如图 11所示，桥墩垂向位移与轨向不平顺最大值呈线性关系。根据规范[16]中高低不平顺控制指标：预警值<2 mm，控制值<4 mm，因此桥墩垂向位移预警值应控制在12.9 mm以内，控制值应控制在25.8 mm以内。

图11 桥墩不同垂向位移情况下的高低不平顺Fig.11 Track irregularity of bridge piers with different vertical displacements

2.2.3 桥墩纵向变形控制指标

(1)钢轨应力分析

对图3中3号桥墩取顺桥向位移8 mm进行计算。由于钢轨扣件纵向采用的是小阻力扣件，因此钢轨纵向变形约束小，钢轨纵向最大变形为2.52 mm，且在纵向挤压作用下会产生一定的横向变形。

如图12所示，钢轨在1#-3# 桥墩位置处均受拉，最大拉应力为15.23 MPa。处于3#-5# 桥墩位置的钢轨则受压，最大压应力为23.29 MPa。短轨枕式承轨台受钢轨作用最大拉应力为2.01 MPa，发生在纵向位移方向箱梁端部，小于C40混凝土抗拉强度标准值2.43 MPa。

图12 钢轨应力Fig.12 Rail stress

(2)轨道平顺性分析

在桥墩纵向位移8 mm的情况下，引起的高低不平顺最大为0.33 mm、轨向不平顺最大值为0.19 mm、水平及轨距不平顺均小于0.12 mm，可认为桥墩纵向位移对加剧高低、轨向、水平及轨距不平顺作用不明显，后续工况需对承轨台拉应力进行分析。

分别计算8种桥墩纵向位移工况，承轨台最大应力变化值随桥墩纵向位移变化如图13所示。桥墩纵向位移达到10 mm时，轨道板顶面最大拉应力为2.51 MPa，稍大于承轨台C40混凝土抗拉强度标准值2.43 MPa要求。因此，建议承轨台式无砟轨道结构桥梁桥墩顺桥向位移不大于9.7 mm。

图13 不同纵向位移情况下承轨台最大拉应力Fig.13 Maximum tensile stress of rail bearing platform under different longitudinal displacements

3 结论

本文以轨道交通11号线花桥段为研究对象，通过建立短轨枕式整体承轨台轨道结构-桥梁上部结构-支座-桥墩耦合模型，就桥梁桥墩产生1～14 mm沉降、横向、纵向变形时，分析了钢轨、承轨台变形内力分布规律及轨道平顺性，得出以下结论：(1)钢轨应力在跨与跨交界处数值较大，桥墩在发生顺桥向变形时，承轨台表面受力较大；(2)桥墩横向位移对轨道轨向不平顺影响最大，桥墩垂向位移对轨道高低不平顺影响较大，桥墩顺桥向位移对轨道纵向位移影响均较小；(3)对于短轨枕式承轨台轨道结构桥墩横向位移监测警戒值和控制值分别为12.7，25.4 mm；垂向位移监测警戒值和控制值分别为12.9，25.8 mm；顺桥向位移监测警戒值和控制值分别为5.8，9.7 mm。