連續梁橋上縱連板開裂對無砟道岔受力影響分析

張 瑤，宋 楊，陳小平，王 平

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

在橋上鋪設底座縱連板式無砟軌道無縫道岔是新建鐵路建設的重大技術難題之一，在國內外沒有先例。與一般線路不同的是，橋上鋪設底座縱連板式無砟軌道無縫道岔需要考慮幾個復雜的相互作用關系;道岔與道岔板縱向相互作用關系;道岔板與底座板縱向相互作用關系;底座板與橋梁縱向相互作用關系;橋梁與墩臺縱向相互作用關系;相鄰股道底座板橫向相互作用關系。這些相互作用導致軌道結構受力影響因素復雜。本文根據橋上底座縱連板式無砟軌道無縫道岔的受力特點，建立相應的計算模型，分析無縫道岔、無砟軌道、橋梁及其墩臺的受力，以便進行相應的結構設計。本文還針對混凝土開裂這個影響因素，使用彈性模量折減系數的方法來表征混凝土開裂，并對鋼軌結構和道岔結構進行受力分析比較，從而了解混凝土結構開裂對結構受力的影響。

1 計算參數和計算模型

1.1 線路概況

某高架橋左咽喉模型見圖1。通過6組18號道岔，線路由兩股過渡到六股;所有線路建立在27片橋梁上，其中，除去6組道岔所在的4片橋梁為連續梁外，剩余的都是簡支梁;正線為無砟軌道結構，到發線為有砟軌道結構。

由于該高架橋上道岔數目較多，線路股數也很多，統一提取下行處于固定區的鋼軌進行分析比較;并提取該鋼軌經過的3個道岔進行分析。

圖1 線路平面圖和橋跨分布圖

1.2 參數取值

1.2.1 溫度取值

根據當地的氣候資料，取各部件溫度如下:升溫時，鋼軌溫度變化為37.3℃，軌道板溫度變化19.4℃，底座板溫度變化17.3℃;降溫時，鋼軌溫度變化為43.4℃，軌道板溫度變化23.0℃，底座板溫度變化23.0℃。橋梁溫度變化值是根據橋梁日溫差來確定的，對于混凝土梁橋，取日溫差20.0℃。

1.2.2 阻力取值

扣件阻力取值如下:在非道岔區，取15.0 kN/m;在道岔區，取20.5 kN/m。

轉轍器跟端限位器阻力R(kN/m)

式中，y為限位器子母塊相對位移(mm)。

轍叉部位間隔鐵阻力R′為

式中，y′為間隔鐵聯結鋼軌相對位移(mm)。

1.2.3 滑動層摩擦系數

滑動層是橋梁與底座板之間的傳力設備之一，具有降低摩擦的作用，減小橋梁伸縮和軌道部件伸縮之間的相互影響。由于滑動層的最不利情況是失效，所以取其失效狀態，即摩擦系數為1.0。

1.2.4 彈性模量折減系數

由于混凝土抗拉強度差，導致混凝土結構在縱向拉力作用下開裂。基于這個情況，提出了一個基本假定，認為底座板在開裂之后不提供抗彎剛度，將長橋上的軌道板和底座板按照拉壓桿件設計。采用剛度折減模型來進行簡化，其應用了開裂后鋼筋混凝土構件剛度折減的理念，利用極限狀態法對底座混凝土板進行設計。該模型認為構件軸向力和應變之間遵循圖2的關系。

圖2 構件軸向力和應變的關系

圖 2 中，Nsr，1為裂縫剛出現時 的法向 力;Nsr，2為 裂縫完全出現時的法向力;εsm，1為裂縫剛出現時的平均應變;εsm，2為裂縫完全出現時的平均應變;Δεs為裂縫完全形成時裂縫間混凝土作用;EAe為考慮裂縫間混凝土作用時的有效軸向剛度。

構件軸向力和應變發展經歷三個階段。第一階段構件沒有開裂，鋼筋和未開裂的“完全”混凝土共同受力;當應變達到 εsm，1時，構件開始出現裂縫，進入受力第二階段，開裂后的混凝土仍提供一定的抗拉貢獻，直至應變達到 εsm，2，進入受力第三階段，僅有鋼筋承受軸向力作用，開裂混凝土完全失效。

這里所說的底座板的伸縮剛度是指其傳遞拉力、壓力的能力。由于組合板的截面不會發生改變，其混凝土的彈性模量也不會改變，但由于裂縫的存在，其拉、壓性能發生改變，伸縮剛度隨之改變。因此，為了方便，一般以組合板彈性模量的變化來表征其伸縮剛度的變化。所以，在降溫基本工況的基礎上，改變彈性模量折減系數為 0.1、0.3、0.6、1.0，并分別進行計算分析，得到軌道各部件結構受力情況。

其他參數參考《全橋底座縱連板式無砟軌道無縫道岔與橋梁縱橫向相互作用理論研究報告》。

1.3 計算模型

圖3所示的岔—板—橋—墩一體化模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺、摩擦板、端刺、底座板上縱橫向凸臺、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線性考慮，使得計算模型更接近實際。

圖3 全橋底座縱連板式無砟軌道無縫道岔模型

2 混凝土開裂后對結構受力的影響

將軌道各部件最大力提取出來，統計出結果如圖4所示。由圖4可知，鋼軌縱向力幾乎沒有變化，并且只有橋梁墩臺所受到的力隨著開裂而增大，其余都是隨著開裂而受力減小，尤其是底座板和端刺，減小幅度達到了89%。可見，開裂對大部分結構受力是有利的。下面就分別分析鋼軌、軌道板、底座板受力詳情。

2.1 鋼軌受力分析(見圖5)

在2#道岔前的簡支梁區域，鋼軌受力規律如同普通橋上固定區無縫線路一樣，這說明道岔對鋼軌受力的影響范圍有限。在該區域里，橋梁伸縮帶動底座板、軌道板和扣件位移，扣件對長鋼軌施加縱向力。長鋼軌在此機械力作用下產生實際應變，且產生與梁位移方向相同的位移。在鄰近活動端一定范圍內，兩端橋頭線路提供與梁位移方向相反的阻力，阻止長鋼軌位移。由于長鋼軌是連續的，在梁的固定端，即使梁的位移量為0，長鋼軌依然產生位移，所以，在梁的固定端及其附近一定范圍內，長鋼軌位移并對梁施加縱向力，梁對長鋼軌產生作用大小相等、方向相反的反作用力。隨著開裂，該區域鋼軌縱向力的波浪形明顯，說明鋼軌和橋梁之間的相互作用明顯增大。

圖4 軌道各構件縱向力圖

圖5 鋼軌縱向力和位移曲線

在3#道岔后，開裂對鋼軌受力基本不影響，這是因為選取的鋼軌在3#道岔后就延伸到了到發線，在這部分沒有軌道板和底座板，也就不存在開裂的影響。在2#、3#道岔區的鋼軌受力變化不大，說明在這區域，道岔結構是主要制約因素。

在2#道岔到3#道岔之間的直線部分，鋼軌力分布隨著開裂有著明顯的不同。尤其是在15#、18#號墩處，隨著開裂，這一部分的鋼軌力峰值逐漸從15#墩轉移到了18#墩。

2.2 軌道板受力分析(見圖6)

道岔區軌道板處存在著位移突變，而在到發線上的1#道岔卻沒有出現突變，說明這是由道岔結構和板式無砟結構雙重作用而產生的突變。因為橋梁和道岔的影響是在一定范圍內，所以在直線段的前端，軌道板如同在普通無砟線路上一樣，受到一個固定縱向力。而在直線段的后端，因為和道岔區的軌道板沒有約束，在降溫作用下，會自然收縮，雖然會受到鋼軌扣件和底座板摩擦板提供的阻力來阻止收縮，在總的作用力降到0的時候，就會達到最大的收縮位移，即在直線段和道岔區的交接處，出現位移最大負值。同時，道岔區的軌道板也會收縮產生正向位移，會在兩者交界處出現軌道板位移的突變。

圖6 軌道板縱向力和位移曲線

在岔前簡支梁區域，鋼軌縱向力在一定范圍內呈波浪形，通過扣件傳遞給軌道板的力也相對穩定和均勻，所以，導致軌道板的位移都是隨著軌道板力呈現一定的波浪形。隨著軌道板和底座板的開裂，軌道板自身受到的溫度力就會減小，所以，導致軌道板的縱向力都幾乎平行下降。同時，在軌道板自由端需要釋放的縱向力也大大減小，但是，此時溫度工況等不變，鋼軌受到的縱向力雖然有所變化，但幅度不大。在扣件作用下，將帶動軌道板和鋼軌同向伸縮，即產生正向位移。所以，軌道板的自由端收縮減小，并演變為伸長。這說明，隨著開裂，軌道板受力受鋼軌影響顯著。

2.3 底座板受力分析(見圖7)

岔前和岔后的簡支梁部分，和軌道板一樣，主要受橋梁影響，說明道岔對底座板的影響也是在一定范圍內的。底座板縱向力的峰值分別在道岔的前端和后端，對應于軌道板位移的峰值。因為軌道板和底座板兩者相對位移較大，通過CA砂漿作用也較大，因此，引起底座板在道岔處的縱向力也出現峰值。

圖7 底座板縱向力和位移

開裂造成底座板受力減小，并且更加均勻了，這和軌道板受力變化一致。因為底座板是無間斷連續澆筑的，所以底座板位移也是連續的，并沒有像軌道板那樣發生突變，而縱向位移峰值出現在道岔尖軌處，和軌道板的位移峰值一致。

2.4 道岔受力分析(見表1)

對于1#道岔，尖軌、心軌相對位移和轉轍器所受到的縱向力變化都不明顯。這是因為1#道岔處于到發線上，是有砟結構，所以，軌道板和底座板的開裂對它幾乎沒有影響。而對于 2#、3#道岔，隨著開裂，道岔受力的各項指標都減小，幅值最大可達到36%。這是因為，隨著開裂，底座板和軌道板的受力都減小，橋梁伸縮力傳遞到道岔上的力也就減小。

表1 道岔受力統計kN

3 結論

1)隨著開裂，除了橋梁墩臺受力增大外，其它結構受力都減小，說明開裂對結構受力有一定好處。因此，將道床板中的底座板設計成非預應力鋼筋混凝土結構，有利于結構受力。但當鋼筋混凝土構件裂縫寬度過大時，就會使鋼筋混凝土結構內的鋼筋嚴重銹蝕，從而影響構件的耐久性。所以，對混凝土構件的裂縫應該有一定的限制。這可以通過改變配筋率和鋼筋強度來滿足條件。

2)軌道板和底座板的變化對自身和與其直接傳力的構件有著明顯的影響，但對道岔區鋼軌受力影響不大。可見，在岔群，道岔結構對鋼軌的影響最顯著。

3)鑒于彈性模量折減系數對軌道結構受力的影響，在設計時應根據實際情況取合適的彈性模量折減系數。

4)該種計算方法的不足之處在于，實際開裂是一個復雜的動態過程，利用靜態彈性模量折減系數來完成對動態開裂的模擬，會在局部細節地方有所偏差。

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