高速鐵路大跨度鋼橋無砟軌道結構設計探討

丁靜波,楊 松,禹 雷,劉亞航,郭 驍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

目前國內大型鋼結構橋梁工程，例如武漢天興洲長江大橋、南京大勝關長江大橋等，多采用有砟軌道結構[1]。高速列車運營時速達350 km時，有砟軌道幾何狀態不易長期保持，且這種局部范圍內鋪設有砟軌道，也不利于高速鐵路全線軌道類型統一，增加了維修工作量和養護維修設備種類。

無砟軌道相對有砟軌道具有良好的穩定性、平順性和耐久性，且無砟軌道結構自重輕、維護工作量少、全壽命周期內經濟性較好[2]。一般大跨度鋼橋通常是線路上的重要節點，為提高線路的利用效率，需要盡量延長大跨橋梁軌道的維修周期，采用無砟軌道是實現該目的的有效途徑[3]。有砟軌道全壽命周期約15年，總成本年值55.42萬元/年；無砟軌道全壽命周期60年，總成本年值37.43萬元/年，因此無砟軌道綜合成本低[4]。另外無砟軌道較有砟軌道對橋梁二期恒載輕，可降低橋梁體量。

因此，在大跨度鋼橋上推廣使用無砟軌道，不僅是實現高速鐵路高速平穩運營的要求，同時對于節約工程造價，降低后期軌道養護維修工作量都有積極的意義。本文研究大跨度鋼橋無砟軌道結構設計方案，針對鋼橋周期性變形特點，計算分析對橋上無砟軌道結構的影響等內容。

2 大跨度鋼橋無砟軌道結構設計方案

2.1 大跨度鋼橋無砟軌道與橋面連接方案

大跨度鋼橋無砟軌道主要由道床板、隔離層及底座等組成，道床板寬度為2 800 mm，按與橋面連接方式不同主要有2種方案。

(1)方案1：先在鋼橋上鋪設一整塊橋面板，橋面板通過100 mm剪力釘與鋼橋連接成整體，然后在橋面板上鋪設厚270 mm底座，見圖1。

圖1 大跨度鋼橋無砟軌道方案1(單位：mm)

(2)方案2：底座直接與鋼橋連接，通過300 mm剪力釘與鋼橋連接成整體，設計底座厚度420 mm，該方案橋面板為不連續結構，見圖2。

圖2 大跨度鋼橋無砟軌道方案2(單位：mm)

方案1先鋪設一層15 cm厚混凝土橋面板，整體性好，有利于橋梁橋面的防腐，也可有效提高無砟軌道結構局部剛度。通過對比分析，在相同荷載作用下，無砟軌道結構底座受力降低明顯，其拉應力值減少約60%，見圖3，有利于提高無砟軌道耐久性；綜上，推薦采用方案1與橋面連接。

圖3 無砟軌道與橋面連接構造方案對比分析

2.2 大跨度鋼橋變形對無砟軌道結構的影響

在列車活載和溫度荷載作用下會產生撓曲變形，引起了軌道狀態的變化，特別是大跨度鋼橋無砟軌道，這種周期性的下撓和上拱影響更顯著?；诖?，應對在這種變形作用下的軌道結構進行計算分析[5-6]。

需要說明，一般無砟軌道計算已考慮橋梁實際最大下撓位移，本文重點研究大跨度鋼橋在溫度、徐變等作用下出現上拱變形時無砟軌道的受力狀態及規律[7]。為簡化軌道模型，模型中將底座與鋪裝層的變形按協調一致處理，撓曲變形位移施加在鋪裝層的下表面。

上拱變形模擬分析表明，道床板上表面表現為壓應力，下表面表現為拉應力。按168 m鋼橋跨中最大上拱位移為8.5 mm，計算最大主拉應力為2.20 MPa，上拱變形引起道床板與底座間離縫值為0.015 mm，見圖4。

圖4 軌道位移變形云圖(單位：m)

另外，無砟軌道限位凸臺考慮列車荷載、溫度作用和橋梁撓曲變形影響，通過建立三維模型，計算其縱橫向力，計算結果見表1。

表1 限位凸臺的縱橫向受力計算結果 kN

按最不利條件，假定縱橫向組合全作用于其中一個無砟軌道限位凸臺，且不考慮道床板與底座間摩擦力，其剪切應力τ=0.36 MPa，承壓面壓應力σ2=2.31 MPa。計算結果遠小于C40混凝土抗剪強度設計值2.6 MPa，抗壓強度設計值19.1 MPa，因此無砟軌道限位凸臺結構安全可靠。

大跨度鋼橋上無砟軌道底座宜用單元結構，有利于控制底座裂紋[8]?？紤]溫度和活載作用，底座的撓曲變形為35 mm，計算裂紋最大寬度為0.057 mm，其裂紋控制滿足耐久性的要求。

2.3 大跨度鋼橋上剪力釘受力模擬分析

大跨度鋼橋鋪設無砟軌道，橋面鋪裝層與底座間接地通過剪力釘連接。通過對鋪裝層-剪力釘這種復合結構的力學行為特性分析，揭示剪力釘、鋪裝層的受力情況，這對保證大跨度鋼橋無砟軌道穩定性十分重要。

剪力釘推出試驗的目的是測試剪力釘在混凝土中的荷載-滑移量曲線和極限承載力。其中混凝土試塊、剪力釘、鋼梁均采用實體單元模擬，混凝土試塊底部施加位移約束，在鋼梁表面逐級加載，在試件鋼混界面滑移量持續增加，其承載力穩定時停止。剪力釘推出試驗有限元模型如圖5所示。

圖5 推出試驗有限元模型

通過有限元計算與試驗測試，剪力釘的荷載-滑移曲線如圖6所示，2條曲線形狀基本吻合。有限元計算和試驗測試得到的剪力釘最大抗剪承載力分別為183，180 kN。由此可見，剪力釘的有限元建模方法正確，可進一步用于鋼桁架橋梁鋪裝層剪力釘的布置方案研究[9]。

圖6 剪力釘荷載-滑移曲線

2.4 大跨度梁端梁縫計算

大跨度鋼橋梁端梁縫結構是大跨度鋼橋無砟軌道的薄弱環節之一。在溫度、動力荷載的共同作用下，梁端軸向變形，將會顯著影響抬枕裝置的受力性能，甚至影響高速列車的行車安全。本文通過列車-軌道-橋梁耦合隨機振動分析軟件(TBPROB)建立大位移抬枕裝置-軌道-橋梁系統程序模型[10-11]，將抬枕裝置的軌枕編號，如果圖7所示，研究1-4號、A、B位置的扣件橫、豎向力的規律。并根據溫度變形引起抬枕裝置伸縮變化，計算當高速列車在正常運營車速350 km/h通過該抬枕裝置時的車橋耦合振動特性。

圖7 高速列車作用下大位移抬枕裝置軌枕

經分析，高速列車作用下抬枕裝置扣件間距達0.55 m時，其最大位移1.75 mm，見圖8。高速列車作用下抬枕裝置輪重減載率ΔP/P最大約為0.53，滿足ΔP/P≤0.60的要求，其余車體振動加速度、脫軌系數等車輛動力響應未超過安全限值，高速列車行車安全在可控范圍之內，見圖9。

圖8 高速列車作用下各工況大位移抬枕裝置軌枕扣件A處豎向位移時程曲線

圖9 高速列車作用下各工況高速列車通過移抬枕裝置處時車體輪重減載率的時程響應曲線變化規律

2.5 大跨度鋼橋無砟軌道板模態分析

在列車行駛過程中產生的共振會導致鋼軌振動幅度增大、輪軌作用力增強，也是引起鋼軌波磨、扣件彈條斷裂的重要因素之一[12]。通過建立6 200，5 600 mm和4 825 mm不同長度道床板模型，見圖10，研究其振動特征，計算結構固有頻率，預防結構共振[13]。

圖10 6 200 mm長度道床板模型二階振型

經計算，得到不同長度下的道床板前10階模態固有頻率，見表2。通過分析表明，道床板長度越小，各階固有頻率值越大，但增大不明顯。由于大跨度鋼橋自振頻率小于10 Hz，在列車行駛過程中，6 200，5 600 mm和4 825 mm三種長度的軌道板均不會與橋梁形成共振[14]。

表2 不同長度道床板固有頻率 Hz

3 大跨度鋼橋無砟軌道無縫線路設計

大跨度鋼橋無砟軌道上鋪設無縫線路時，應重視無縫線路縱向力的影響。溫度跨大的鋼橋，由于列車荷載和溫度作用下的變形較大，其無砟軌道無縫線路須進行專項檢算。

3.1 鋼橋無砟軌道無縫線路關鍵參數

一般混凝土橋梁溫差按照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》[15]取值，見表3，但無砟軌道鋼橋年溫差尚無可參考數值。

表3 梁溫差 ℃

與國外相比，我國無砟軌道鋼橋單體規模較大，但內容欠全面，積累數據也較少，難以規范指導實踐[16-17]。針對大跨度鋼橋上鋪設無砟軌道，建議進行不間斷的系統監測，為后續設計及既有規范的修訂完善提供依據。

參照TBJ24—89《鐵路結合梁設計規定》，考慮結合梁溫差變化，鋼桁架橋整體升溫50 ℃，頂板降溫20 ℃梯度，以及最大活載作用下中桁最大縱向位移進行無縫線路建模計算[14]。

3.2 不同溫度跨鋼橋無砟軌道無縫線路計算分析

通過建立無縫線路設計有限元模型，對不同溫度跨鋼橋無砟軌道無縫線路進行計算分析[18-19]。以鄭州地區為例，分別計算10孔140，150，155，160 m等不同溫度跨度簡支梁工況，見表4。

表4 不同溫度跨鋼橋無縫線路各項應力計算 MPa

經計算，當溫度跨為150 m時單股鋼軌最大伸縮力為363.7 kN(47.0 MPa)；按一線制動、一線牽引分析，鋼軌最大制動應力為290.9 kN(37.6 MPa)，附加應力值偏大，應考慮設置鋼軌伸縮調節器等措施，以降低梁軌相互作用。

4 結語

大跨度鋼橋無砟軌道仍有許多問題還需進一步解決。現行針對大跨度鋼橋無砟軌道有關規定仍需進一步完善；大跨度鋼橋撓曲變形及曲率較大，梁端結構變形難以控制，存在鋼梁與無砟軌道間離縫跟隨性的問題；另外，橋梁施工及無砟軌道鋪設線型精確控制，以及運營后在溫度、風、徐變等作用下，無砟軌道的長波不平順容許偏差的影響[20]。

與有砟軌道相比，無砟軌道對橋梁結構變形和振動控制更艱難，通過一些項目開展了有針對性技術研究后解決部分問題。目前，昌吉贛客運專線贛江特大橋混合梁斜拉橋，以及商合杭裕溪河雙塔鋼箱桁梁斜拉橋等均鋪設無砟軌道，這對推進我國高速鐵路大跨度鋼橋無砟軌道技術的應用提供了有力技術支撐，建議運營期間應加強數據監測，以期取得更多經驗指導工程實踐。