高速铁路大跨度连续斜拉桥上梁端一体化装置性能研究

周智强，邢书科，王兆刚，孙洪斌，董昆灵，杨荣山

(1.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; 2.中铁上海工程局集团有限公司,上海 201906;3.山东省路桥集团有限公司,济南 250101; 4.山东铁路投资控股集团有限公司,济南 250101)

引言

大跨度斜拉桥上铺设无缝线路可以减小下部基础沉降并提高线路的平顺性,但可能会在温度升降和列车荷载等因素的作用下导致桥梁-轨道结构-钢轨之间的相互作用增大,令钢轨产生较大的附加应力,引起钢轨断轨和线路失稳等问题,不利于列车高速行驶[1]。目前采用的梁端伸缩装置无法协调较大的梁轨相对位移,应用范围有限[2]。因此,我国科研人员根据工程实践和室内试验,成功研发了特有的“钢轨伸缩调节器+上承式梁端伸缩装置”一体化结构[3],保证列车在梁端位置行驶的可靠性和稳定性。

目前国内对梁端一体化装置的研究主要集中于设计、维护、运营等方面[4-6]。刘晓光[7]认为伸缩调节器和伸缩装置的协同设计是保证千米级桥梁线路安全运营的关键技术,研究梁端区域梁轨相互作用和线桥变形映射机理能为梁端伸缩一体化装置安全性能提供可靠的技术支持。张晓明[8]研究了国内自主研发的适用于高速铁路有砟轨道的梁端一体化设备,提出大跨度有砟轨道桥梁梁端一体化设备施工和养护维修技术要求。崔强[9]设计了徐州—连云港高速铁路邳州大跨度连续梁拱桥梁端伸缩一体化装置,并介绍其在高速铁路无砟轨道桥梁上的铺设技术。张明[10]根据现场试验研究斜拉桥上动车组交会、启停、制动对梁端一体化装置的影响。李晶晶[11]对大跨度无砟轨道钢桥上梁端伸缩一体化装置提出了一种设计方案,并介绍了其细节和主要功能。任化庆[12]研究梁缝伸缩对平竖曲线叠合段梁端一体化装置的影响,并提出科学的施工技术。

我国对于梁端一体化装置的性能研究一般集中于其材料、静力性能等[13-14],比较缺乏梁端一体化装置范围内轮轨空间几何关系的相关研究,也缺乏梁端一体化装置范围内轮轨系统动力学理论和方法。因此,对连续斜拉桥上梁端一体化装置范围内的车辆-轨道相互作用系统进行综合研究,确定它们在各种状态下的使用可靠性,对于承受移动荷载的大跨度桥梁的发展和设计建造具有十分重要的理论和实际意义。

1 工程概况

某新建高铁全长168.392 km,其一处主桥及引桥正线铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道,为双线铁路,设计速度350 km/h,是连接两省的重要通道。主桥为预应力混凝土斜拉桥,半结构如图1所示。在大桥与两端引桥之间采用4组钢轨伸缩调节器和梁端伸缩装置的一体化设备,简称梁端一体化装置。

图1 预应力混凝土斜拉桥主桥+引桥整体布置半结构Fig.1 Prestressed concrete cable-stayed bridge main bridge+approach bridge overall layout semi-structure

梁端一体化装置中,伸缩装置采用上承式“3-1-3”结构,共7根轨枕,其中中间1根钢枕为悬空钢枕、其余为长桁架枕。钢轨伸缩调节器全长为19 700 mm,尖轨锁定,基本轨最大伸缩为±300 mm。装置平面布置如图2所示,其中A-A～F-F为钢轨伸缩调节器轮轨接触关键截面。

图2 梁端一体化装置平面布置(单位:mm)Fig.2 Plane layout of the integrated beam end device(unit: mm)

2 大跨度斜拉桥模型建立

2.1 桥梁模型

主桥主梁全长1 081.7 m,计算跨度为(108+4×216+108) m。截面采用单箱双室、变高度连续箱梁,梁底下缘线型为二次抛物线。钢轨采用UIC60标准轨,底座板采用C40混凝土,主桥梁体采用C55混凝土,引桥梁体和轨道板采用C60混凝土,斜拉索钢材采用Q345B。

根据材料参数建立相应的有限元模型,导入Universal Mechanism软件。钢轨(包括尖轨和基本轨)采用梁单元模拟,主桥和引桥的主梁部分和CRTSⅢ型板式无砟轨道采用板壳单元模拟,主桥斜拉索采用杆单元模拟。轨道系统扣件、无砟轨道和桥面的连接采用三向弹簧-阻尼单元模拟。主桥中间塔墩顶设立纵向固定支座和横向活动支座,其余塔墩顶设立多向活动支座。梁端一体化装置区域的长桁架枕和活动钢枕均采用梁单元模拟,道床板与长桁架枕的连接和活动钢枕与纵梁的连接采用弹簧单元进行模拟。大跨度斜拉桥梁端与引桥之间布置4组梁端伸缩一体化装置,有限元模型如图3所示。

图3 大跨度斜拉桥主桥+引桥有限元模型Fig.3 Finite element model of main bridge+approach bridge of long-span cable-stayed bridge

2.2 车辆模型

本文采用高速列车CRH2C动车组,设计速度350 km/h。每节车有1个车体、2个转向架和4个轮对,总计7个刚体。每个刚体有3个平动自由度(伸缩、横移、沉浮),和3个转动自由度(侧滚、点头、摇头),总计6个自由度。因此每节车有42个自由度,高速列车8辆编组动车组共计336个自由度,编组模型如图4所示。

图4 CRH2C动车组8辆车编组模型Fig.4 CRH2C EMU 8-car formation model

3 梁端轨道变形分析

3.1 温度荷载工况

按TB10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[15]计算,将温度荷载分为升温和降温两种工况。工况一:升温组合,斜拉索(+30 ℃),主梁(横向10～20 ℃,垂向0～20 ℃),墩塔(横向20～25 ℃),轨道混凝土结构(+25 ℃),钢轨(+45.5 ℃)。工况二:考虑0.5倍温度负效应降温组合:斜拉索(-35 ℃),主梁横向(-15～-20 ℃),墩塔横向(-20～-22.5 ℃),轨道混凝土结构(-27.5 ℃),钢轨(-46.1 ℃)。

绘制温度荷载工况下主桥一跨和引桥区域的左线钢轨变形曲线,如图5和图6所示。

图6 降温工况左线钢轨变形曲线Fig.6 Deformation curve of left rail under cooling condition

升温工况下,左、右钢轨的垂向变形和横向变形趋势基本一样,钢轨最大垂向变形为10.65 mm,最大横向变形为6.44 mm。但在梁端一体化装置处钢轨的变形有明显的突变,说明在升温工况下,梁缝位置钢轨和尖轨与基本轨交接处钢轨结构比较薄弱。

降温工况下,左、右钢轨的变形整体趋势与升温基本相反,钢轨最大垂向变形为3.23 mm,最大横向变形为3.45 mm。相比于升温工况,降温工况的钢轨垂、横向变形较小。

3.2 梁端转角工况

大跨度桥梁在列车荷载、梁体徐变上拱、温度和桥墩沉降不均等不良因素作用下,很容易产生梁端竖向转角[16]。根据我国TB10621—2014《高速铁路设计规范》[17],无砟轨道相邻两片梁之间梁端转角限值为3‰rad,以此计算得出主桥梁端转角的极值为2‰rad,规范中要求350 km/h无砟轨道桥梁的梁端转角不得大于1‰rad,因此主桥的梁端转角最大值取为1‰rad,分为下挠和反弯两种工况进行分析。

对大跨度斜拉桥两端同时施加最大梁端下挠转角或反弯转角,钢轨变形如图7和图8所示。

图7 梁端下挠工况左线钢轨变形曲线Fig.7 Deformation curve of left rail under beam end buckling condition

图8 梁端反弯工况左线钢轨变形曲线Fig.8 Deformation curve of left rail under reverse bending condition of beam end

最大梁端下挠工况下,左右钢轨的垂向变形和横向变形趋势基本一致,钢轨的最大垂向变形为14.45 mm,最大横向变形为0.45 mm。但在梁端一体化装置处钢轨的变形有明显的突变,说明对主桥施加最大的梁端下挠转角时,梁端一体化装置区域的钢轨垂向变形受梁端转角影响较大。

梁端反弯工况下,钢轨变形的趋势与下挠工况基本相反,最大垂向变形为15.71 mm,最大横向变形为0.44 mm。梁端反弯工况比下挠工况的钢轨垂向变形较大,两者的钢轨横向变形基本一致。

4 梁端一体化装置行车响应

当列车高速通过梁端一体化装置时,温度和梁端转角等都会使轮轨相互作用力增大,影响梁端一体化装置的安全性能和行车舒适性[18]。因此,有必要对梁端一体化装置行车过程中的响应进行研究。根据TB10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》[19],有关梁端一体化装置动力性能评价规范指标如表1所示。

表1 梁端一体化装置动力性能评价指标Tab.1 Dynamic performance evaluation index of beam-end integrated device

4.1 梁端一体化装置轮轨接触关系

在车-线-桥耦合系统中,采用B-样条插值法得到钢轨关键横断面的型面,尖轨全长为11 200 mm,在距尖轨前端距离为100,3 100,4 900,6 700,7 900,8 500 mm,分别设置关键断面为A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F。

左右两侧钢轨廓形一致,在导入变截面轨道时将左轨型面镜像就可得右轨型面。以左侧LMA磨耗型踏面为参考,各关键截面轮轨接触如图9所示。

图9 钢轨伸缩调节器关键截面轮轨接触(单位:mm)Fig.9 Rail expansion adjuster key section wheel-rail contact(unit: mm)

4.2 车-线-桥梁端性能分析

本文采用德国低干扰轨道不平顺谱,轨底坡为1/40,轨距为1 435 mm,高速列车组以350 km/h经过主桥梁端时梁端一体化装置的峰值响应如表2所示。活动钢枕垂、横向加速度峰值分别为38.92 m·s-2和1.33 m/s2;钢轨垂、横向加速度峰值分别为67.82 m·s-2和2.97 m·s-2;连接梁与活动钢枕的垂、横向传导力的最大值分别为23.73 kN和0.71 kN。梁端一体化装置的安全性指标均满足规范标准。

表2 车-线-桥梁端耦合系统装置峰值响应Tab.2 Vehicle-wire-bridge terminal coupling device peak response

4.3 升温变形影响

由于温度变形对混凝土桥梁桥面影响较大,进而影响高速铁路的行驶安全,且升温工况比降温工况影响大[20]。因此保持其余参数不变,轨道不平顺谱采用升温工况温度变形叠加下的德国低干扰轨道不平顺谱。高速列车组以350 km/h通过梁端,提取梁端伸缩一体化装置动力响应数据,如表3所示。

表3 温度变形下车-线-桥梁端耦合系统装置动力响应Tab.3 Dynamic response of vehicle-wire-bridge coupling system to temperature deformation

相比于仅施加德国低干扰轨道不平顺谱,采用升温工况温度变形叠加后的梁端一体化装置各部件响应均有一定上升,且垂向加速度上升量明显,活动钢枕处垂向加速度从38.92 m·s-2上升至48.69 m·s-2,增加25.1%;钢轨垂向加速度从67.82 m·s-2上升至97.26 m·s-2,增加43.4%,但梁端一体化装置的安全性指标仍满足规范标准。

4.4 反弯转角变形影响

过大的梁端转角会显著影响轨道结构,不利于轨道结构的正常工作,甚至影响列车高速行驶,且反弯工况影响大于下挠工况[21]。因此保持其余参数不变,轨道不平顺谱采用最大梁端反弯转角叠加下德国低干扰轨道不平顺谱。列车组以350 km/h通过梁端,提取梁端伸缩一体化装置动力响应数据,如表4所示。

表4 转角变形下车-线-桥梁端耦合系统装置动力响应Tab.4 Dynamic response of vehicle-wire-bridge coupling system to angular deformation

相比于仅施加德国低干扰轨道不平顺谱,采用反弯转角变形叠加后的梁端一体化装置各部件响应均有一定上升,且垂向加速度上升量明显,活动钢枕处垂向加速度从38.92 m·s-2上升至52.41 m·s-2,增加了37.2%,钢轨垂向加速度从67.82 m·s-2上升至87.81 m·s-2,增加了39.5%,但梁端一体化装置的安全性指标均满足标准。相比升温变形,反弯转角对活动钢枕的影响更大,对活动钢枕处钢轨的影响量小。

4.5 梁端伸缩装置不同拉伸状态动力分析

梁端一体化装置中梁端伸缩装置在升温或降温的影响下会进行压缩或拉伸[22],活动钢枕与固定轨枕的间距也会随之发生相应的变化,影响了梁端伸缩装置对列车组的支承作用,进而影响列车的安全性和舒适性,因此有必要研究不同拉伸状态梁端伸缩装置的动力性能。极限拉伸或压缩状态下的梁端伸缩装置分别如图10和图11所示。

图10 梁端伸缩装置极限拉伸状态Fig.10 Ultimate tensile state of beam end expansion device

图11 梁端伸缩装置极限压缩状态Fig.11 Limit compression state of beam end expansion device

列车组以350 km/h通过梁端,提取梁端伸缩装置动力响应数据,如表5所示。对于梁端伸缩装置的响应,极限拉伸状态最大,活动钢枕加速度为62.39 m·s-2;极限压缩状态最小,活动钢枕加速度为40.64 m·s-2。这证明在极限压缩状态的活动钢枕与固定轨枕的间距变小,相应的支撑刚度变大,起到了更好的支撑作用。3种伸缩状态的梁端伸缩装置响应均满足安全指标规范要求。

表5 不同伸缩状态下梁端伸缩装置动力响应Tab.5 Dynamic response of beam end expansion device under different expansion states

5 结论

本文基于梁端车-线-桥耦合模型,对速度350 km/h下CRH2C动车组列车通过梁端时梁端一体化装置的响应进行分析,得出以下结论。

(1)在温度或梁端转角变形作用下,梁端一体化装置位置处钢轨有较为明显的变形,反弯工况垂向变形最高达15.71 mm,接近规范限值。应定期对梁端变形情况进行检测。

(2)采用叠加温度升温变形或梁端反弯转角变形的轨道不平顺谱的梁端一体化装置响应比仅采用德国低干扰轨道不平顺谱的大,说明轨道不平顺谱变差,则结构响应也会随之变大,且对振动加速度的影响较为明显,钢枕垂向加速度从67.82 m·s-2分别上升至97.26 m·s-2和87.81 m·s2,影响量达43.4%和39.5%。应在养护维修中保证桥上线路的高平顺性以提高行车安全性。

(3)梁端一体化装置中梁端伸缩装置在极限拉伸状态下支承刚度最低,动力响应最大,活动钢枕加速度达62.39m·s-2,但仍在标准规范限值以内。