既有桥嵌入式轨道系统优化设计

祝朋玮

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510045）

1 引言

现代有轨电车多采用传统轨道交通的轨道系统模式，即钢轨-扣件-轨枕-道床系统。该系统虽然成熟可靠，但其所需结构高度高、适应性差，且由于其点支撑的特性，在混合路权段使用时极易出现沥青铺装层压溃破损、扣件罩破坏等病害。嵌入式轨道系统采用连续支撑取代传统扣件系统的点支持模式，有效解决了上述问题，同时其具有良好的减振降噪效果，目前已广泛应用于国内现代有轨电车建设中。

但当嵌入式轨道在桥梁，尤其是长大连续桥梁上应用时，轨-桥相互作用复杂，国内相关研究较少。本文针对某地有轨电车项目跨越既有桥段嵌入式轨道结构，根据无缝线路轨-桥相互作用机理，建立嵌入式轨道-桥梁有限元模型，分析温度荷载作用下轨-桥相互作用力及相对位移，为该段嵌入式轨道设计提供必要的理论支撑和优化建议。

2 计算模型及计算参数

2.1 计算模型

某地有轨电车跨既有桥段下部基础为5联连续梁桥，桥梁跨径为5×18 m+6×18 m+3×38 m+5×18 m+4×18 m，采用板式橡胶支座，桥面铺设沥青混凝土层。桥梁建设年代久远，对后加外部荷载敏感。嵌入式轨道系统示意图如图1所示。

图1 既有桥嵌入式轨道系统示意图（单位：mm）

本文以上述实际案例为基础，采用梁轨相互作用理论，建立5×18 m+6×18 m+3×38 m+5×18 m+4×18 m连续梁-有轨电车嵌入式轨道模型，如图2所示。

图2 模型示意图

道床与桥梁量体之间采用膨胀螺栓连接，当梁体受温度荷载作用产生伸缩变形时，道床受约束同步变形，两者间变形差极小，可将两者视为统一结构体。既有桥两端分别建立50 m路基段，用以消除边界效应的影响。

2.2 计算模型

2.2.1 钢轨

本工程钢轨采用60R2槽型钢轨，模型中采用BEAM3梁单元进行模拟，其主要性能参数见表1。

表1 60R2槽型钢轨性能参数表

2.2.2 槽内材料

槽内高分子材料为钢轨提供垂向和横向支撑，并提供纵向阻力以阻止钢轨与道床间发生相对位移。根据相关测试结果，嵌入式轨道系统垂向刚度取60 kN/mm、横向刚度取44 kN/mm、纵向阻力取20 kN/mm。

2.2.3 桥梁

桥梁采用BEAM3梁单元进行模拟，其主要性能参数见表2。

表2 桥梁性能参数表

3 工况设置

3.1 温度荷载参数

依据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》，某地最高轨温59.1℃，最低轨温0.00℃，年最大轨温差为59℃。锁定轨温按（30±5）℃执行，最大温升34.1℃，最大温降35℃。桥梁梁体年温差按30℃执行。

3.2 工况设置

采用单因素变量法，对伸缩调节器设置情况进行优化设计，分析温度荷载作用下轨-桥相互作用力及相对位移。

1）全线采用无缝线路，无伸缩调节器设置。

2）全线采用无缝线路，梁缝处增设伸缩调节器装置。

4 结论与分析

4.1 无伸缩调节器设置

全线采用无缝线路，无伸缩调节器设置时，钢轨伸缩力、墩台纵向受力、钢轨位移、桥梁位移及梁轨相对位移如图3～图5示。

图3 钢轨伸缩力（1）

图4 墩台纵向受力（1）

图5 工况位移（1）

从图3～图5可见：

1）钢轨最大伸缩力-558.99 kN，经强度检算：轨头强度为353.84 MPa、轨底强度为350.04 MPa，均小于钢轨容许强度。

2）墩台纵向受力最大266.592 kN，可满足桥梁专业要求。

3）钢轨最大位移7.520 mm、桥梁最大位移-20.123 mm、梁轨相对最大位移17.482 mm。

胡燚斌、冯青松等[1-9]实验测试结果表明，当梁轨相对位移达到7.66 mm时，槽内钢轨两侧高分子材料产生局部破坏现象。本工况下梁轨相对最大位移可达17.482 mm，远超上述实验数据，极易促使高分子材料产生破坏现象，进而影响工程安全服役性能。

4.2 梁缝处增设伸缩调节器装置

由3.1节可知，梁缝处钢轨位移、桥梁位移、梁轨相对位移均比较大，尤其各梁缝处梁轨相对位移均突破了嵌入式轨道钢槽内高分子材料安全服役所允许的最大值。为解决上述问题，可在各梁缝处增设伸缩调节器。

此工况条件下，钢轨伸缩力、墩台纵向受力、钢轨位移、桥梁位移及梁轨相对位移如图6～图8所示。

图6 钢轨伸缩力（2）

图7 墩台纵向受力（2）

图8 工况位移（2）

从图6～图8可见：

1）钢轨最大伸缩力459.70 kN，经强度检算：轨头强度为346.92 MPa、轨底强度为342.19 MPa，均小于钢轨容许强度。

2）墩台纵向受力最大4 kN，可满足桥梁专业要求。

3）钢轨最大位移-18.067 mm、桥梁最大位移-22.614 mm、梁轨相对最大位移4.551 mm。梁轨相对位移可满足嵌入式轨道钢槽内高分子材料安全服役所要求。

5结 论

1）对于某工程既有多联桥梁，在温度荷载作用下，钢轨强度、桥梁墩台受到的纵向阻力均可满足要求。

2）在做特殊设计条件下，梁轨最大相对位移可达17.482mm，远超槽内钢轨两侧高分子材料安全服役所允许值，极易造成高分子材料撕裂破坏现象，影响工程安全。

3）梁缝处增设伸缩调节器可以有效降低梁轨相对位移，确保满足高分子材料安全服役要求。

4）嵌入轨道系统纵向阻力大，钢轨与梁体（道床）之间的相对位移直接影响了槽内高分子材料的安全服役性能，是有轨电车桥上嵌入式轨道无缝线路设计的关键技术参数。