溫度作用下連續梁橋上CRTSⅡ型板式軌道縱向力影響因素分析

段翔遠 陳 嶸

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

高速客運專線的快速發展對軌道結構提出了高平順性、高穩定性的技術要求[1]。無砟軌道以其具有的穩定性高、剛度均勻性好、結構耐久性強、維修工作量顯著減少和技術相對成熟等突出優點[2]，得到快速發展與廣泛應用。由于京津城際鐵路線下基礎以橋梁為主，為了能夠高質量、高效率地完成工程，京津城際軌道交通采用了一種橋上新型無砟軌道，即CRTSⅡ型板式無砟軌道[3]。大跨橋上縱連板式軌道以溫度力為主要控制荷載，因此，研究橋上鋪設 CRTSⅡ型板式無砟軌道在溫度作用下的縱向力變化特性十分必要。滑動層摩擦系數、軌道板和底座板的伸縮剛度變化對梁軌相互作用影響顯著[3]，故本文通過建立橋上 CRTSⅡ型板式無砟軌道的空間模型，以分析連續梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道不同參數變化對各部件縱向力的影響。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

根據CRTSⅡ型板式軌道部件間相互作用關系，建立橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道非線性空間模型，如圖1所示。其中，鋼軌、軌道板、底座板、摩擦板、橋梁用梁單元模擬。將軌道板與底座板視為一個整體，稱為聯合板，鋼軌及聯合板分左、右兩線，分別用兩線梁單元模擬。橋梁當作一個整體，用一線梁單元模擬。鋼軌與聯合板之間的扣件、聯合板與橋梁縱向摩擦作用、聯合板與摩擦板縱向摩擦作用及聯合板與路基的縱向連接都采用縱向非線性彈簧單元來模擬。聯合板與橋梁固結機構作用采用剛度很大的縱向連接彈簧來模擬。考慮邊界條件對計算結果的影響，端刺兩端路基上無砟軌道長度取為100 m，兩端固結。將上述橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向相互作用模型采用有限元法計算。

圖1 橋上CRTSⅡ型板空間一體化計算模型

1.2 計算參數

橋梁結構布置簡圖如圖2所示。其中，主橋為16號墩至19號墩的三跨80 m+128 m+80 m的預應力混凝土連續梁。全橋位于直線段上。摩擦板長度和路基長度取100 m。鋼軌截面積為77.45 cm2，鋼軌彈性模量為 2.1×105MPa，鋼軌線脹系數為 1.18×10－5/℃，混凝土線脹系數為 1 ×10－5/℃，軌道板重度為25 kN/m3，軌道板截面積為0.51 m2，軌道板彈性模量為3.5×104MPa，軌道板鋼筋截面積為18.9 cm2，底座板重度為25 kN/m3，底座板截面積為0.649 m2，底座板彈性模量為3.0×104MPa，底座板鋼筋面積為120 cm2。橋梁截面積為簡化計算統一取為8.85 m2。底座板與橋梁固結剛度為1×109kN/m，端刺縱向剛度為1×108kN/m。扣件縱向阻力根據德國DS804規定，無載時為30 kN/m，有載時為60 kN/m。聯合板上垂直恒定荷載，有載時為64 kN/m，無載時為0。聯合板與路基阻力取為35 kN/m。對于以上各阻力，均為雙線性，屈服點位移均為0.5 mm。當外界溫度升高時，聯合板內混凝土承受溫度壓力，聯合板表現出的剛度較大。當外界溫度降低時，聯合板內將呈現出不同的裂縫狀態，在裂縫處，僅有鋼筋承受拉力，從而引起縱向剛度降低，進一步影響到聯合板內溫度力的降低。故考慮降溫作用下，各影響因素對CRTSⅡ型板式軌道部件縱向力的影響，取鋼軌降溫48℃，板降溫54℃。

圖2 橋梁結構布置簡圖

2 影響因素分析

2.1 聯合板縱向伸縮剛度對縱向力的影響

聯合板縱向伸縮剛度的變化對軌道結構縱向力的影響較大。為定量分析該參數的影響，橋梁降溫取20℃，摩擦系數取 0.7，伸縮剛度折減系數分別取0.08，0.30兩種情況進行對比計算分析。兩種工況下CRTSⅡ型板式軌道部件的縱向力結果如表1所示。鋼軌和聯合板縱向力分布如圖3、圖4所示。

表1 不同伸縮剛度下的最大縱向力 kN

圖3 鋼軌縱向力

圖4 聯合板縱向力

由表1、圖3、圖4可以看出，降溫時，隨著伸縮剛度的增大，聯合板、固結機構、端刺、橋梁最大縱向力明顯增大。鋼軌最大縱向力減小，墩臺頂最大縱向拉力減小，墩臺頂最大縱向壓力增大。伸縮剛度由0.08增加至0.30時，聯合板最大縱向力增大了175%，端刺最大縱向力增大了273%，鋼軌最大縱向拉力減小了15%。由F=EAαT(式中，α為聯合板的線膨脹系數，T為聯合板溫度)可知，聯合板內溫度力F與伸縮剛度EA成正比，伸縮剛度的增大，相同溫度變化情況下的聯合板內溫度力也隨之成比例增大，而通過摩擦板傳遞至下部基礎上的縱向力受摩擦系數和摩擦板長度的限制卻有限，從而會引起端刺結構縱向力的急劇增大。聯合板剛度增大后，聯合板在縱向力作用下的位移有所減小，兩者相對位移減小，引起鋼軌縱向力減小。表明聯合板剛度增大使得橋梁的伸縮變形產生的縱向力會更多地傳給聯合板。

2.2 滑動層摩擦系數對縱向力的影響

滑動層摩擦系數的變化直接影響到聯合板與橋梁的相互作用程度，橋梁降溫取20℃，伸縮剛度折減系數取 0.3，摩擦系數依次取 0.2，0.3，0.5，0.7，1.0 五種工況下的縱向力，見表2。固結機構縱向力和墩臺縱向力分布如圖5和圖6所示。

表2 不同摩擦系數下的最大縱向力 kN

圖5 固結機構縱向力

圖6 墩臺縱向力

由表2、圖5和圖6可以看出，降溫時，隨著摩擦系數的增大，鋼軌、聯合板、墩臺、固結機構、橋梁最大縱向力大都增大，而端刺縱向力基本不變。當滑動摩擦層系數由0.3增大至1.0時，固結機構最大縱向力增大了208%，墩臺頂最大縱向拉力、壓力增大了220%，聯合板最大縱向拉力增大了21%，鋼軌最大縱向拉力增大了16%。由以上分析可知，溫度力由橋梁的伸縮位移通過摩擦傳遞到軌道結構，隨著滑動摩擦系數的增大，雖然橋與板的相對位移在減小，但由于摩擦系數的增大，以致滑動摩擦層所承擔的力增大，固結機構力增大，墩臺力也隨之增大，表明橋梁的伸縮變形產生的縱向力越來越多地傳遞給軌道結構，故聯合板及鋼軌的縱向力增大。

2.3 摩擦板長度對縱向力的影響

為了考慮摩擦板長度以及端刺剛度對縱向力的影響，根據需要，計算模型取80 m+128 m+80 m的連續梁。計算時底座板與摩擦板摩擦系數取0.7，聯合板伸縮剛度折減系數取0.3，橋梁降溫取30℃，橋梁與聯合板摩擦系數取0.5，摩擦板長度分別取0，20 m，50 m，70 m，100 m。不同摩擦板長度下的最大縱向力如表3所示。

表3 不同摩擦板長度下的最大縱向力 kN

從表3可以看出，降溫作用下，隨著摩擦板長度的增加(從0增加大100 m)，聯合板最大縱向拉力、端刺以及墩臺頂最大縱向力都減小，固結機構最大縱向力增大。但是，當摩擦板長度達到大概50 m以后，隨著摩擦板長度的增加，聯合板、端刺、固結機構、墩臺頂的最大縱向力變化很小。由以上分析可知，摩擦板長度對端刺受力有很大影響。降溫時，當摩擦板長度從0增加到約 50 m時，端刺受力迅速減小，降幅為20.8%;而摩擦板長度從50 m增加到約100 m時，端刺受力減小了9.6%。可見，當摩擦板長度達到約50 m時就能有效減小端刺受力，此后，即使再增加摩擦板長度，對端刺受力的影響已不很顯著。

2.4 端刺剛度對縱向力的影響

計算摩擦板長度取50 m，底座板與摩擦板摩擦系數取0.7，滑動層摩擦系數取0.5，伸縮剛度折減系數取0.3，橋梁降溫取30℃，端刺剛度分別取1×108kN/m，5×107kN/m，1 × 107kN/m，5×106kN/m，1 × 106kN/m。不同端刺剛度下的最大縱向力如表4所示。

表4 不同端刺剛度下的最大縱向力 kN

從表4可以看出，隨著端刺剛度的減小(從1×108kN/m減小到1×106kN/m)，只有端刺最大縱向力明顯減小，降幅達到34.7%，并且隨著端刺剛度的減小，端刺最大縱向力減小得越來越快，而其它縱向力，如聯合板最大縱向拉力、固結機構以及墩臺頂最大縱向力變化都很小。

3 結語

通過建立橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道非線性空間模型，在降溫作用下，分析影響因素對 CRTSⅡ型板式無砟軌道部件縱向力的影響，得出如下結論:

1)隨著聯合板伸縮剛度的增大，聯合板、固結機構、端刺、橋梁最大縱向力明顯增大。

2)隨著滑動層摩擦系數的增大，鋼軌、聯合板、墩臺、固結機構、橋梁最大縱向力大都增大，而端刺縱向力基本不變。

3)當摩擦板長度達到約50 m時，就能有效減小端刺受力，此后，即使再增加摩擦板長度，對端刺受力的影響已不很顯著。故在一些橋隧相連地段，可適當縮短摩擦板的長度。

4)隨著端刺剛度的減小，只有端刺最大縱向力明顯減小，而其它縱向力，如聯合板最大縱向拉力、固結機構以及墩臺頂最大縱向力變化都很小。

[1]劉學毅，趙坪銳，楊榮山，等.客運專線無砟軌道設計理論與方法[M].成都:西南交通大學出版社，2010:1-2.

[2]何華武.無砟軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社，2005:1-2.

[3]徐錫江.大跨橋上縱連板式軌道縱向力計算研究[D].成都:西南交通大學土木工程學院，2007:1-10.