橋梁溫度跨度對(duì)縱連底座板受力及配筋的影響

陳小平，趙衛(wèi)華

(1.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，成都 610106;2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

橋梁溫度跨度對(duì)縱連底座板受力及配筋的影響

陳小平1，趙衛(wèi)華2

(1.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，成都 610106;2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

考慮軌道與橋梁相互作用特點(diǎn)，建立橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道空間力學(xué)模型，分析橋梁溫度跨度對(duì)縱連底座板制動(dòng)力和伸縮力的影響，根據(jù)不同橋梁溫度跨度下的縱向力，按極限狀態(tài)法對(duì)縱連底座板進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：當(dāng)橋梁溫度跨度小于482 m時(shí)，縱連底座板最大制動(dòng)力隨著溫度跨度增加迅速增大，溫度跨度超過482 m后縱連底座板的最大制動(dòng)力趨于穩(wěn)定;縱連底座板最大伸縮力隨著橋梁溫度跨度線性增大;縱連底座板配筋率增幅小于橋梁溫度跨度的增幅。

CRTSⅡ無(wú)砟軌道;縱連底座板;配筋;橋梁溫度跨度

橋梁溫度跨度指兩相鄰固定支座間的距離。橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道在應(yīng)用中為跨越大江大河、高速公路等障礙設(shè)置大跨度連續(xù)梁或剛構(gòu)梁，橋梁溫度跨度大幅增加［1］。列車制動(dòng)和橋梁伸縮誘發(fā)的軌道與橋梁相互作用在底座板內(nèi)產(chǎn)生縱向力，其大小受橋梁溫度跨度影響［2-5］。縱連底座板是一條鋼軌混凝土板帶結(jié)構(gòu)［6］，運(yùn)用極限狀態(tài)法按受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中考慮了列車制動(dòng)和橋梁伸縮引起的底座板制動(dòng)力和伸縮力［7］。目前探索橋梁溫度跨度增加，底座板內(nèi)伸縮力、制動(dòng)力及配筋率如何變化的研究較缺乏，橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道相關(guān)研究主要集中在系統(tǒng)縱向受力特性、影響因素及無(wú)縫線路穩(wěn)定性等方面［8-11］。

本文擬在把握CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道與橋梁縱向作用本質(zhì)的基礎(chǔ)上建立橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道空間力學(xué)模型，分析列車制動(dòng)和橋梁伸縮引起的底座板縱向力隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，依據(jù)不同橋梁溫度跨度的收縮力、降溫力、制動(dòng)力、溫差力、活載力、伸縮力［12］按極限狀態(tài)法對(duì)底座板進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，揭示底座板配筋率隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，為橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)提供參考。

1 底座板縱向力計(jì)算

縱連底座板作為橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的核心結(jié)構(gòu)，是無(wú)縫鋼軌和下部結(jié)構(gòu)相互作用的紐帶。無(wú)縫鋼軌通過扣件系統(tǒng)、軌道板和砂漿將縱向力傳至底座板上，底座板通過滑動(dòng)層、剪力齒槽將縱向力傳至橋梁，橋梁通過支座將縱向力傳至墩臺(tái)基礎(chǔ)。在橋梁兩端的路基上，底座板和端刺、摩擦板發(fā)生縱向作用。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)，建立如圖1所示的橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道空間力學(xué)模型，計(jì)算底座板的縱向力，模型橫向考慮兩股道同時(shí)與橋梁發(fā)生縱向相互作用。模型中橋跨及梁型可以根據(jù)實(shí)際情況變化。軌道板和底座板通過高彈模砂漿聯(lián)結(jié)成一條混凝土拉帶，軌道板和底座板縱向協(xié)同變形，可作為一個(gè)整體考慮。設(shè)計(jì)中軌道板預(yù)設(shè)裂縫允許開裂，可認(rèn)為混凝土拉帶的縱向力完全由底座板承受，因此模型中考慮鋼軌通過扣件直接和底座板縱向相互作用。模型采用有限單元法求解，將鋼軌、底座板和橋梁用2節(jié)點(diǎn)空間桿單元模擬。扣件縱向阻力、滑動(dòng)層阻力、摩擦板阻力、路基阻力采用2節(jié)點(diǎn)非線性彈簧模擬，其剛度非線性變化規(guī)律同阻力變化。墩臺(tái)頂縱向水平剛度、端刺和剪力齒槽的縱向剛度均采用線性彈簧模擬。

圖1 底座板縱向力計(jì)算模型

以某客運(yùn)專線連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道為基本研究對(duì)象，該橋梁跨及支座布置如圖2所示，左側(cè)11跨32 m簡(jiǎn)支梁，中間一聯(lián)75 m+125 m+75 m連續(xù)梁，右側(cè)12跨32 m簡(jiǎn)支梁，該橋最大溫度跨度為232 m。橋梁固定支座處墩臺(tái)頂縱向水平剛度見表1，固定支座編號(hào)從左往右依次編號(hào)，活動(dòng)支座不參與編號(hào)。

圖2 橋跨及支座布置

表1 固定支座處墩臺(tái)頂縱向水平剛度 kN/cm

鋼軌參數(shù)、底座板截面尺寸、滑動(dòng)層摩擦阻力、扣件阻力、路基阻力、端刺剛度、剪力齒槽剛度等計(jì)算參數(shù)取值同文獻(xiàn)［10］“參數(shù)取值”部分。

2 制動(dòng)力影響

分別對(duì) 232、357、482、607、732、857 m 和 982 m 的最大溫度跨度下的底座板制動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算。不同最大溫度跨度以圖2所示橋跨布置為基礎(chǔ)，增加連續(xù)梁中間125 m大跨的數(shù)量，固定支座位置保持不變。依據(jù)文獻(xiàn)［2］的研究結(jié)果，列車制動(dòng)力從連續(xù)梁固定支座開始作用于溫度跨度較大一側(cè)時(shí)，底座板內(nèi)的制動(dòng)力最大。因此各工況計(jì)算列車制動(dòng)力均作用在連續(xù)梁固定支座右側(cè)300 m范圍內(nèi)的鋼軌上，大小為一股道16 kN/m，僅考慮一股道制動(dòng)。

底座板最大制動(dòng)力隨溫度跨度的變化如圖3所示。圖4給出了幾種代表性溫度跨度的底座板制動(dòng)力縱向分布。

圖3 最大制動(dòng)力隨溫度跨度的變化

圖4 底座板制動(dòng)力縱向分布

由圖3可知，底座板制動(dòng)力隨著溫度跨度增加非線性增大，當(dāng)溫度跨度小于482 m時(shí)底座板最大制動(dòng)力隨著溫度跨度迅速增大，當(dāng)溫度跨度大于482 m時(shí)底座板最大制動(dòng)力幾乎不變，482 m的溫度跨度是個(gè)分界值。出現(xiàn)這一規(guī)律的原因是，482 m以上的溫度跨度能保證列車制動(dòng)力全部作用在連續(xù)梁上，并且制動(dòng)力終點(diǎn)距相鄰簡(jiǎn)支梁上剪力齒槽超過了180 m，相鄰簡(jiǎn)支梁上剪力齒槽對(duì)連續(xù)梁上底座板的受力影響已很小。圖4表明底座板最大制動(dòng)力出現(xiàn)的位置在連續(xù)梁固定支座處，不隨溫度跨度的增加而改變。

3 伸縮力影響

溫度變化致橋梁伸縮，底座板與橋梁發(fā)生縱向相對(duì)位移，滑動(dòng)層摩擦阻力致底座板產(chǎn)生縱向力，簡(jiǎn)稱為伸縮力。本文伸縮力影響分析不考慮底座板自身的溫降，僅考慮橋梁降溫20℃。不同溫度跨度的橋跨布置方式同制動(dòng)力影響部分，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 底座板伸縮力縱向分布

由圖5可知，底座板伸縮力隨橋梁溫度跨度增加線性增大，增幅約為1.5～2.0 kN/m。原因是底座板和橋梁相對(duì)位移超過0.5 mm后，二者之間的滑動(dòng)層摩擦阻力已達(dá)最大值，此后不再隨相對(duì)位移的增加而增大。連續(xù)梁上溫度跨度超過232 m部分的相對(duì)位移已超過0.5mm，此部分底座板各點(diǎn)的滑動(dòng)層摩擦阻力大小不變，阻力總和隨著作用長(zhǎng)度增加線性增大。圖5還表明，底座板伸縮力最大值出現(xiàn)在連續(xù)梁溫度跨度較大一側(cè)的梁縫處。

4 配筋影響

底座板的縱向荷載效應(yīng)包括收縮力、降溫力、制動(dòng)力、溫差力、活載力、伸縮力［12］。文獻(xiàn)［12］在文獻(xiàn)［7］的基礎(chǔ)上，提出了考慮伸縮力的底座板配筋計(jì)算方法。以文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［12］兩種方法對(duì)不同溫度跨度下的底座板配筋率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 底座板配筋率 %

計(jì)算時(shí)收縮力的收縮徐變效應(yīng)按降溫30℃等效，降溫力按降溫幅度40℃(底座板鋪設(shè)完成時(shí)溫度為20℃，當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貫?20℃)考慮。溫差力為412 kN，由于該值是通過試驗(yàn)獲得，設(shè)計(jì)中考慮1.2的安全系數(shù)，則設(shè)計(jì)中采用的溫差力為494.4 kN。列車活載引起橋梁撓曲在底座板內(nèi)產(chǎn)生的縱向力按240 kN考慮，該值是以梁端容許轉(zhuǎn)角作為控制條件計(jì)算所得，因此可以適用于所有橋梁。不同溫度跨度對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力和伸縮力采用本文所建的橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道空間力學(xué)模型計(jì)算。圖6為兩種方法最大配筋率隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，圖中配筋率為兩種極限狀態(tài)的配筋率最大值。

圖6 底座板配筋率與溫度跨度的關(guān)系

從表2和圖6可看出以下幾點(diǎn)。

(1)不考慮伸縮力，正常使用和承載力極限狀態(tài)以溫度為主的底座板配筋率均不隨著橋梁溫度跨度的增加而變化，其原因是這兩種狀態(tài)的制動(dòng)力和活載力的組合系數(shù)均為0，而溫差力、收縮力和降溫力又不隨橋梁溫度跨度變化。考慮伸縮力，底座板配筋率隨橋梁溫度跨度增加而增大，可靠性更高。

(2)以荷載為主的組合方式控制底座板配筋設(shè)計(jì)。不考慮伸縮力的底座板所需配筋率隨溫度跨度的變化規(guī)律是非線性的，溫度跨度超過482 m后配筋率幾乎不增加，這是由最大制動(dòng)力趨于穩(wěn)定所致。考慮伸縮力的底座板配筋率隨溫度跨度的增加逐漸增大，當(dāng)溫度跨度超過732 m后，底座板的配筋率由承載力極限狀態(tài)荷載為主控制，不再由正常使用極限狀態(tài)荷載為主控制。

(3)橋梁最大溫度跨度從232 m增加至982 m時(shí)，不考慮伸縮力的底座板最大配筋率從2.31%增至2.57%，考慮伸縮力從2.41%增至2.97%，增幅分別為11.3%和23.2%，橋梁溫度跨度增幅為323.3%，底座板配筋率的增幅小于橋梁溫度跨度的增幅。

(4)不考慮伸縮力，當(dāng)橋梁溫度跨度小于357 m時(shí)底座板最大配筋率增加較快，當(dāng)橋梁溫度跨度達(dá)到482 m后底座板最大配筋率不再隨橋梁溫度跨度增長(zhǎng)而增加。考慮伸縮力，底座板最大配筋率隨橋梁溫度跨度增長(zhǎng)總是呈增加趨勢(shì)，并且存在357 m和732 m兩個(gè)拐點(diǎn)，當(dāng)橋梁溫度跨度小于357 m時(shí)底座板最大配筋率增加較快，此后放緩，超過732 m后再次加快。

5 結(jié)論

考慮鋼軌、扣件、底座板、滑動(dòng)層、剪力齒槽、橋梁、墩臺(tái)、端刺和摩擦板相互作用，運(yùn)用橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道空間力學(xué)模型，可以得到橋梁溫度跨度對(duì)底座板制動(dòng)力和伸縮力的影響規(guī)律。當(dāng)橋梁溫度跨度小于482 m時(shí)，制動(dòng)力隨著溫度跨度增加迅速增大，溫度跨度超過482 m后，底座板的最大制動(dòng)力趨于穩(wěn)定。伸縮力隨著橋梁溫度跨度增加線性增大，增加幅度為1.5～2.0 kN/m。

縱連底座板是以拉壓受力為主的鋼筋混凝土構(gòu)件，根據(jù)底座板所受的各種縱向力按極限狀態(tài)法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)合理可行。不考慮伸縮力，橋梁溫度跨度達(dá)到482 m以上時(shí)底座板最大配筋率不再改變。考慮伸縮力，底座板最大配筋率隨橋梁溫度跨度非線性增加，存在357 m和732 m兩個(gè)拐點(diǎn)。是否考慮伸縮力的影響，底座板最大配筋率的增幅均小于橋梁溫度跨度的增幅。

本文分析了縱連底座板配筋率隨橋梁溫度跨度的變化規(guī)律，如能從斷面尺寸、保護(hù)層厚度和鋼筋間距等方面確定底座板的容許配筋率，則可根據(jù)底座板容許配筋率分析橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道橋梁溫度跨度限值，本文計(jì)算方法和分析結(jié)果可為這一研究提供有益參考。

［1］ 顏華，姚力，楊榮山，等.遂渝線縱連板式軌道系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(1):1-3.

［2］ 陳小平，王平.客運(yùn)專線橋上縱連板式無(wú)砟軌道制動(dòng)附加力影響因素分析［J］.鐵道建筑，2008(9):87-90.

［3］ 徐錫江.大跨橋上縱連板式軌道縱向力計(jì)算研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［4］ 徐慶元，張旭久.高速鐵路博格縱連板橋上無(wú)砟軌道縱向力學(xué)特性［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，40(2):526-532.

［5］ 陳小平.大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道伸縮附加力的影響因素分析［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，40(3):383-387.

［6］ 姚宏生，王春陽(yáng).滬杭高速鐵路CRTSⅡ型無(wú)砟軌道橋上底座板施工技術(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(1):39-45.

［7］ 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.京津城際鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)原理與方法總結(jié)［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2007.

［8］ 陳小平.橋梁溫度跨度對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路的影響. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)［J］.2012，29(3):26-30.

［9］ 蔡小培，高亮，孫漢武，等.橋上縱連板式無(wú)砟軌道無(wú)縫線路力學(xué)性能分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2011，32(6):28-33.

［10］陳小平.底座板伸縮剛度對(duì)大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道縱向力的影響［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，9(1):1-6.

［11］姜子清.高速鐵路橋上CRTS II型板式無(wú)砟軌道縱向力分析［D］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2009.

［12］陳小平.考慮橋梁伸縮的縱連底座板配筋計(jì)算方法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，47(5):573-579.

Influence of Bridge Temperature Span on Stress State and on Reinforcing Bars of Longitudinally-continuous Base Layer

CHEN Xiao-ping1，ZHAO Wei-hua2
(1.School of Urban and Rural Construction，Chengdu University，Chengdu 610106，China;2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In view of the characteristics of the interaction between track and bridge，a spatial mechanical model of CRTS-Ⅱslab ballastless track on a bridge was established.And then for the longitudinallycontinuous base layer(LCBL)，the influences of the bridge temperature span on the braking force and on the expansion/contraction force were analyzed.Furthermore，based on different longitudinal forces corresponding to different bridge temperature spans，the reinforcing bars of the LCBL were calculated and designed by the limit state design method.The results show that the maximal braking force of the LCBL increases rapidly with the increasing of the bridge temperature span when the bridge temperature span is less than 482 meters，but tending towards stability when the bridge temperature span is greater than 482 meters.Moreover，the maximal expansion/contraction force of the LCBL increases linearly with the increasing of the bridge temperature span.In addition，the increasing range of reinforcement ratio of the LCBL is smaller than that of the bridge temperature span.

CRTS-Ⅱballastless track;longitudinally-continuous base layer;reinforcing bars;bridge temperature span

U441+.7;U213.2+44

A

1004-2954(2013)10-0006-04

2013-03-11;

2013-03-23

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011J05120);鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010G006-B);西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(2011-HRE-04)

陳小平(1978—)，男，副教授，工學(xué)博士，E-mail:cxp193@163.com。