客運專線無砟軌道梁端鋼軌超限支承間距處理措施

于 鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

客運專線橋梁比例通常較高，長聯(lián)、大跨等特殊結(jié)構(gòu)橋梁使用較為廣泛［1］。特殊結(jié)構(gòu)橋梁由于梁體的溫度伸縮、混凝土收縮、徐變等［2］原因引起橋梁梁縫變化量過大，造成梁端處鋼軌支承間距超限。列車通過較大的鋼軌支承間距處時，在相鄰鋼軌支承點中部引起較大的垂向、橫向位移，形成短波不平順［3，4］，加劇列車動力沖擊，導(dǎo)致旅客舒適度降低，以及軌道結(jié)構(gòu)和部件使用壽命縮短，甚至危及行車安全。

1 造成梁端鋼軌支承間距增大的原因

梁端鋼軌支承間距增大的原因一般有以下幾種:1)簡支梁在直線、曲線上均為直線梁，曲線上內(nèi)側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)梁縫，外側(cè)梁縫增大。簡支梁與簡支梁間或簡支梁與臨近連續(xù)梁的梁縫都存在曲線外側(cè)梁縫增大。如半徑7 000 m曲線上32 m簡支梁，曲線內(nèi)側(cè)梁縫最小為標(biāo)準(zhǔn)值100 mm，曲線外側(cè)線路外軌處梁縫為143 mm，扣件節(jié)點間距由標(biāo)準(zhǔn)的621 mm～664 mm，增加43 mm。2)混凝土連續(xù)梁收縮、徐變引起梁縫增大。3)溫度變化引起的橋梁縮短。4)列車制動或加速引起的梁縫變化。5)橋梁施工誤差，導(dǎo)致實際梁縫大于設(shè)計梁縫。梁縫最大值為設(shè)計梁縫與溫度變化、收縮、徐變、制動或加速等可能引起的梁縫增加量之和。

2 超限鋼軌支承間距處理措施

為解決鋼軌超限支承間距問題，工程設(shè)計人員主要提出采用梁端道床板懸出、設(shè)置抬枕裝置和跨梁縫短梁等措施。其中梁端道床板懸出適用于梁縫較小的情況，其余兩種則是針對梁縫較大的情況設(shè)計的，梁縫越大對梁端鋼軌的支撐越不利。本節(jié)對梁端道床板設(shè)計方案進(jìn)行簡要介紹，主要對兩種適用于大梁縫的設(shè)計方案進(jìn)行研究。

1)梁端道床板懸出。一般情況下，梁縫處道床板需設(shè)置伸縮縫，道床板邊緣與梁端對齊設(shè)置。當(dāng)梁縫處道床板(軌道板)鋼軌支承間距超出限值時，可將道床板懸出梁端一定長度，以減小跨越梁縫處的鋼軌支承間距(見圖1)。

道床板(軌道板)懸出梁端，需要根據(jù)無砟軌道施工時機(jī)，確定橋梁結(jié)構(gòu)剩余的收縮、徐變量，進(jìn)而確定懸出量，必須保證溫度升高時，伸縮縫不頂嚴(yán)。因此，道床板(軌道板)懸出梁端的距離不能過大，適用于支承間距超限較小的情況。

圖1 道床板（軌道板）懸出示意圖

長大連續(xù)梁一側(cè)道床懸出梁端的最大值一般不大于60 mm;簡支梁一側(cè)道床懸出梁端一般宜為20 mm～30 mm。哈大客運專線大跨度連續(xù)梁梁縫采用軌道板懸出梁端設(shè)計措施，鋼軌支承間距滿足設(shè)計要求，施工便捷、簡單，應(yīng)用情況良好。

2)抬枕裝置。梁端抬枕裝置的設(shè)計思路為在梁端鋼軌支承間距超限處，加入額外的軌枕(增加鋼軌支點)，使額外軌枕兩側(cè)的鋼軌支承間距都能小于限值要求;同時，加入軌枕持中裝置，使兩側(cè)鋼軌支承間距對稱，軌枕居中，剛度均勻(見圖2)。

圖2 抬枕裝置結(jié)構(gòu)圖

鋼軌外側(cè)增設(shè)兩根鋼縱梁，沿線路縱向，梁縫一側(cè)采用固定式扣壓塊與軌枕連接，梁縫另一側(cè)采用滑動式扣壓塊與軌枕連接。其工作原理為橋梁伸縮時縱梁在固定扣壓塊一側(cè)與道床板沒有相對位移，滑動式扣壓塊一側(cè)兩者之間發(fā)生縱向滑移。連桿設(shè)備兩端與埋在混凝土道床內(nèi)的軌枕連接，中心與鋼枕連接，可使鋼枕在橋梁伸縮時始終處于梁縫中間，保證鋼枕前后支承間距相等。

抬枕裝置由于在鋼軌支承間距超限處增加了鋼軌支點，同時通過連桿設(shè)備保證軌枕間距均勻，適用于鋼軌支承間距超限較大的情況。一般梁端單枕支承抬枕裝置適用范圍為梁縫兩側(cè)鋼軌支承間距750 mm～1 300 mm。

為分析梁縫處設(shè)置抬枕裝置方案的可靠性，本文針對鋼軌支撐間距達(dá)到1 300 mm的情況，基于有限元分析方法建立了抬枕裝置有限元模型，對輪載作用下鋼縱梁、鋼軌及扣件的受力及變形特性進(jìn)行了模擬分析。具體如下:

1)計算模型。

本文建立的梁縫處抬枕裝置有限元模型如圖3所示。其中道床板采用實體單元模擬;鋼軌、鋼縱梁及軌枕采用等截面梁單元模擬;扣件和縱梁扣壓件采用線性彈簧單元模擬。板上扣件間距為625 mm;伸縮縫處扣件間距為650 mm;伸縮縫寬度1 300 mm。抬枕裝置扣件位置編號見圖4。

圖3 抬枕裝置有限元分析模型圖

圖4 抬枕裝置扣件位置編號

2)檢算指標(biāo)。

檢算指標(biāo)包括鋼軌、鋼枕、鋼縱梁的強(qiáng)度及變形以及扣件上拔力、扣件墊板的壓縮變形量。a.鋼枕、鋼縱梁強(qiáng)度檢算。在列車荷載作用下，鋼枕、鋼縱梁的最大拉、壓應(yīng)力要小于所用鋼材的容許強(qiáng)度235 MPa。b.扣件上拔力檢算。鋼軌對扣件上拔力應(yīng)小于扣件扣壓力12 kN。c.扣件墊板壓縮變形檢算。由于膠墊壓縮變形過大將影響膠墊的疲勞壽命［5，6］，所以限定膠墊變形不能超過自身厚度的20%［7］，WJ-7B型扣件彈性墊板厚度10 mm，膠墊變形應(yīng)小于2 mm。

3)計算參數(shù)。

鋼軌采用60 kg/m鋼軌;道床板采用C40混凝土;道床板上選取WJ-7型扣件，鋼枕上選取超小阻力扣件;鋼枕和鋼縱梁采用Q235鋼。計算參數(shù)如表1，表2所示。

表1 材料參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)尺寸表 mm

取設(shè)計軸重20 t，動荷系數(shù)取3.0，采用單軸加載，將兩個車輪的作用力簡化為兩個豎向集中力，作用在梁縫中部截面鋼軌上。

4)計算結(jié)果。

由表3，表4可以看出:鋼軌的最大位移為1.56 mm，鋼枕的最大位移為0.76 mm，鋼縱梁的最大位移為0.16 mm，扣件最大上拔力為3.5 kN，最大下壓力為56.67 kN。

表3 位移及彎矩計算結(jié)果匯總表

表4 扣件反力計算結(jié)果匯總表

根據(jù)WJ-7B扣件節(jié)點靜剛度為35 kN/mm，并考慮靜動剛度比為1.3，扣件節(jié)點動剛度取50 kN/mm，可計算得出對應(yīng)扣件最大扣壓力的膠墊最大壓縮變形量為1.13 mm。

鋼枕的最大彎矩:Mmax1=31.263 kN·m。

鋼枕、鋼縱梁應(yīng)力均小于材料強(qiáng)度;鋼軌豎向位移、扣件反力及扣件墊板最大壓縮量均滿足要求，且具有一定的安全儲備。

根據(jù)以上分析可知，抬枕裝置可以有效解決大梁縫處超限鋼軌支承間距問題。

跨梁縫短梁:

跨梁縫短梁是利用道床板跨越梁縫，下部設(shè)置混凝土底座。短梁一端設(shè)置固定端傳力鍵，另一端設(shè)置活動端縱肋結(jié)構(gòu)，將荷載傳遞給底座，同時實現(xiàn)道床板的限位。滑動端一側(cè)設(shè)置不銹鋼摩擦副或不銹鋼板與高密度聚乙烯板滑動副，以保證墊梁與底座之間能夠相對滑動(見圖5，圖6)。其優(yōu)點是墊梁與底座完全接觸，道床板滿支承，基本不承受彎矩，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠。

鋼縱梁最大彎矩:Mmax2=21.287 kN·m。

圖5 跨梁縫短梁示意圖

圖6 跨梁縫短梁結(jié)構(gòu)圖

為研究跨梁縫短梁的可行性，本文基于有限元方法，建立了“梁—板—板”實體有限元分析模型，對跨梁縫短梁在列車荷載、溫度荷載、梁端轉(zhuǎn)角等作用下的受力變形特性進(jìn)行了研究分析。

1)計算模型。

本文所建立的有限元模型如圖7所示。

鋼軌以梁單元模擬，扣件以彈簧單元模擬，短梁、底座采用殼單元模擬，橋梁以實體單元模擬。

圖7 跨梁縫短梁有限元分析模型

2)計算參數(shù)。

設(shè)計動輪載取300 kN，考慮垂向溫度的影響，溫度梯度取45 ℃ /m［8］。

當(dāng)梁體結(jié)構(gòu)發(fā)生梁端豎向轉(zhuǎn)角時，對墊梁的受力狀態(tài)是不利的。依據(jù)橋梁與橋梁間的相對轉(zhuǎn)角限值為2‰rad進(jìn)行計算。梁端轉(zhuǎn)角示意圖見圖8。

圖8 梁端轉(zhuǎn)角示意圖

梁縫伸長時，墊梁懸空的長度更大，對墊梁受力不利［9，10］。按梁縫最大伸長量為0.6 m，即梁縫寬度0.9 m進(jìn)行計算。相關(guān)計算參數(shù)如表5所示。

表5 計算參數(shù)表

3)計算結(jié)果。

計算結(jié)果匯總表見表6。

表6 計算結(jié)果匯總表

按各種荷載同時作用的最不利工況進(jìn)行組合，得到短梁的彎矩值見表7。根據(jù)表7可以看出:墊梁的最大等效應(yīng)力4.52 MPa，小于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8 MPa，滿足設(shè)計要求。

表7 最不利荷載組合情況下短梁彎矩值

研究表明:跨梁縫短梁設(shè)計方案能夠滿足現(xiàn)場需求。

3 結(jié)語

綜合上述研究結(jié)果，本文得出的主要結(jié)論及建議如下:

1)針對大跨連續(xù)梁梁縫處超限支承間距推薦采用梁端道床板懸出、梁端抬枕裝置和跨梁縫短梁處理措施。

2)梁端道床板懸出，處理措施簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度高，但僅限于支承間距超出限值較小時采用。

3)梁端抬枕裝置，通過連桿機(jī)構(gòu)可使鋼軌支承點均勻分布，整體結(jié)構(gòu)剛度較好，平順度高，可以有效消除梁端轉(zhuǎn)角等位移對上部結(jié)構(gòu)的影響，可以用于支承間距超出限值較大的情況。

4)跨梁縫短梁采用混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)基本一致，整體性好。但跨梁縫短梁處橋梁結(jié)構(gòu)伸縮頻繁，對短梁與下部結(jié)構(gòu)間的滑動性能要求高，同時對現(xiàn)場施工要求較高，如現(xiàn)場環(huán)境惡劣，不建議采用該設(shè)計方案。

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