橋墩沉降對無砟軌道平順性的影響分析

段曉暉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

橋梁結構在我國高速鐵路線路中所占比例較大，經橋梁施工及運營部門現場反映：一旦墩臺基礎發生沉降，梁體會因工后不均勻沉降而下沉，進而通過軌道道床、扣件等部分間的相互作用力，導致鋼軌軌面發生變形。根據橋上縱連板式無砟軌道的鋪設方式可知，橋墩一發生沉降，與沉降橋墩緊鄰的兩跨梁橋會由于重力作用而產生垂向位移，軌道結構亦會因橋梁位移發生相應變形，進而影響無砟軌道的平順性。無砟軌道對下部基礎沉降變形尤為敏感。高速鐵路基礎沉降會導致軌下基礎產生較大的變形，軌道平順性顯著降低，引起較大的輪軌動力學響應[1]。基礎不均勻沉降直接影響軌道系統安全服役狀態和使用壽命，影響旅客的舒適性和行車的安全性，因此需要對下部基礎沉降變形進行嚴格控制[2]。目前已有相關文獻，從路基不均勻沉降、橋梁撓曲變形等角度，對無砟軌道的受力、行車安全等方面進行了探討，并提出了不均勻沉降的限值和軌道整治措施，但是缺少橋墩沉降對無砟軌道平順性影響的相關研究[3]。因此，分析橋墩沉降幅值和橋梁跨度對無砟軌道平順性的影響十分必要，為今后高速鐵路的設計、施工與運營提供理論參考。

1 計算模型

模型取橋梁為4×32.6m 簡支橋梁，模型參數選取如下：60kg/m 鋼軌，剛度為30kN/mm 的扣件，彈性模量為200MPa 的砂漿，強度等級為C60 的軌道板混凝土，強度等級為C40 的底座板混凝土，強度等級為C55的梁體混凝土，強度等級C30 的橋墩混凝土。有限元模型中是以實體單元對鋼軌、軌道板、底座板及砂漿層架構建模，扣件系統考慮為線性彈簧單元。為模仿沉降作用，對模型中沉降橋墩節點給予垂向位移，并固定約束其余橋墩底部。橋梁和底座板之間的接觸關系采用面—面接觸單元模擬。

1.1 模型參數

利用有限元建立了縱連板式軌道—橋梁有限元模型，縱連板式無砟軌道與橋梁有限元模型，如圖1所示。模型橫斷面，如圖2 所示。

圖1 縱連板式無砟軌道與橋梁有限元模型

圖2 模型橫斷面圖

模型參數取值，如表1 所示。

表1 板式無砟軌道—橋梁模型參數取值

1.2 荷載工況

工后不均勻沉降按照兩種工況考慮：一是按照其中某一個橋墩發生沉降位移，其他橋墩不發生沉降位移；二是所有橋墩均發生沉降位移但存在沉降差。根據有關規范規定，對于橋上無砟軌道，其墩臺均勻沉降位移不大于30mm，不均勻沉降位移不大于15mm，沉降差不大于15mm；10m 弦長的軌道高低不平順幅值不大于2mm。因此，選取8 種工況進行計算，并比較計算結果，如表2 所示。所有工況均為4 跨橋梁5根橋墩的中間橋墩發生沉降。

表2 橋墩沉降量 單位：mm

2 計算結果分析

2.1 橋墩沉降幅值對無砟軌道平順性的影響

針對高速鐵路線路中多跨簡支梁橋橋墩沉降對鋼軌軌面幾何條件的影響問題，本文按表2 荷載工況進行對比，研究當橋墩沉降量不同時，鋼軌變形趨勢、最值以及區域長度等。

2.1.1 軌道結構計算結果分析

利用縱連板式無砟軌道與橋梁有限元模型，計算了當橋墩沉降量不同時，軌道結構的鋼軌以及軌道板隨之變化的變形曲線，如圖3、圖4 所示。

圖3 鋼軌整體變形圖

圖4 軌道板整體變形圖

由計算結果可知，橋墩下沉對相鄰兩跨梁影響最大，與梁相連的軌道板隨橋墩沉降而沉降，鋼軌、軌道板、CA 砂漿層、底座板在自身重力作用下下沉，因為CRTSⅡ型板是縱連結構，軌道結構變形協調。針對橋上鋪設縱連板式軌道的情況，當橋墩發生沉降時，鋼軌亦會隨之發生變形，在進出沉降作用區域時鋼軌略微上翹，到達沉降墩節點處時有緩和過渡曲線。而在遠離沉降作用區域時鋼軌變形量急速衰減。當橋墩發生不同沉降量時，鋼軌變形趨勢均保持一致。隨著橋墩沉降量的增加，鋼軌的變形量包括上翹和下沉的幅度都在增加。在進出沉降作用區域時鋼軌上翹現象明顯，形成的“拱形”越明顯；在遠離沉降作用區域時鋼軌變形急速衰減，不受橋墩沉降量變化的影響。軌道板與鋼軌變形趨勢均保持一致，僅在量值上有所區別。

橋墩取不同沉降量時無砟軌道結構及梁體的最大下沉位移，如表3 所示。由表3 可以看出，橋墩取不同沉降量時，軌道結構最大沉降量隨橋墩沉降量的增加而增加，軌道結構自下而上沉降量最大值呈逐漸減小的趨勢，鋼軌沉降量最小，底座板沉降量最大。箱梁沉降量大于軌道底座板沉降，并且隨橋墩沉降量增加而增加。鋼軌下沉量與橋墩沉降量之間差異不大，因為軌道板、CA 砂漿層和底座板為混凝土結構，剛度較大，板間連續性較好，故與橋墩沉降同幅度。

表3 軌道結構及梁體最大沉降量 單位：mm

橋墩取不同沉降量時無砟軌道結構及梁體的最上拱量如下表4 所示。

4）訓練方式、手段及步驟：將學生分成幾個小組（5人一組），每個小組確定說話的類型，小組內進行談論，要求每位學生都參與，說話時間至少3分鐘；小組訓練結束后，教師在隨機抽取各小組幾名學生，進行即興說話，學生和老師按照既定標準進行的評分和點評。

表4 軌道結構及梁體最大上拱量 單位：mm

由表4 可以看出，橋墩取不同沉降量時，軌道結構最大，上拱量隨橋墩沉降量的增加而增加；軌道結構自下而上，上拱量最大值呈逐漸減小的趨勢；鋼軌上拱量最小，底座板上拱量最大；箱梁上拱量隨橋墩沉降量增加而增加，但量值很小。

2.1.2 鋼軌變形最值曲線擬合

當橋墩發生不同沉降量時，鋼軌向下、上變形最大值，如圖5 所示。

圖5 鋼軌變形最值與橋墩沉降量關系圖

由圖5 可知，鋼軌變形最值均隨橋墩沉降量的增加呈線性變化。采用線性擬合公式對橋墩沉降量和鋼軌向下變形最大值進行擬合，最終得到的公式為：

式（1）中：相關系數r2=1（r 值的絕對值介于0～1 之間。通常來說，r 越接近1，表示x 與y 兩個量之間的相關程度就越強，反之，r 越接近于0，x 與y 兩個量之間的相關程度就越弱）；采用線性擬合公式對橋墩沉降量和鋼軌向上變形最大值進行擬合，最終得到的公式為y=0.116x+0.00005，相關系數r2=1。

2.1.3 鋼軌變形區域

表5 橋墩沉降引起的鋼軌變形區域長度

鋼軌變形延伸系數隨橋墩沉降量的變化，如圖6所示。

圖6 鋼軌變形延伸系數隨橋墩沉降量的變化圖

由分析可見，鋼軌變形區域長度及鋼軌變形延伸系數隨橋墩沉降量增加而增加。當橋墩沉降量較小且一般小于5mm 時，由于無砟軌道各部件結構的變形互相作用及鋼軌本身豎向抗彎剛度的作用影響，鋼軌變形區域長度小于梁體變形區域長度，此時鋼軌變形延伸系數小于1；當橋墩沉降量較大時，鋼軌變形區域長度大于梁體變形區域長度，此時鋼軌變形延伸系數大于1。總結來說，當橋墩沉降值在2～16mm 范圍時，鋼軌變形延伸系數會隨著橋墩沉降量的增加，在開始作用階段增長較快，后作用階段增長逐漸緩慢。橋墩沉降值為2mm 時，鋼軌變形延伸系數最小為0.942，當橋墩沉降值為16mm 時，鋼軌變形延伸系數最大為1.064。

2.2 橋梁跨度對無砟軌道平順性影響

為進一步研究橋梁跨度對無砟軌道平順性影響，基于橋梁—軌道變形映射模型，研究高速鐵路不同跨度簡支梁橋和CRTSⅡ型板式無砟軌道結構，分析高速鐵路橋梁跨度分別為24m 和32m 時的鋼軌變形區域長度和鋼軌變形最值等，分析兩種不同橋梁跨度對軌面幾何條件映射程度的影響規律。

取橋墩沉降6mm、12mm 為例，相同橋墩沉降量下橋梁跨度對軌面幾何條件的影響，如表6 所示。

表6 不同橋梁跨度時鋼軌變形數據對比表

由表6 可知，當橋墩沉降量一樣時，鋼軌變形區域長度隨橋梁跨度增加而增大，鋼軌變形延伸系數隨橋梁跨度增加而減小。橋墩沉降作用下鋼軌變形最值隨橋梁跨度增大而減小。這是由于隨著橋梁跨度的增大，橋梁變形越平緩，鋼軌的變形曲線亦趨于緩和，由沉降導致的軌面附加不平順波長變長，該不平順對軌面激勵的影響越小。

3 結論

本文研究了橋墩沉降作用下的無砟軌道結構的平順性，建立了縱連板式軌道—橋梁結構有限元模型，從橋墩沉降幅值、橋梁跨度兩個角度，得到了以下結論：

其一，對于橋上縱連板式軌道，橋墩發生沉降，軌道結構也會隨之發生變形，隨著橋墩沉降量的增加，軌道結構最大沉降量、上拱量隨橋墩沉降量的增加而增加；軌道結構自下而上沉降量、上拱量最大值均呈逐漸減小的趨勢，鋼軌沉降量、上拱量最小，底座板最大。

其二，在進出沉降作用區域時，鋼軌略微上翹，到達橋梁沉降墩節點處時有緩和過渡曲線。橋墩發生不同沉降量時，鋼軌變形趨勢相同；隨著橋墩沉降量的增加，鋼軌的上翹“拱形”越明顯、下沉的幅度增大。在遠離沉降作用區域時鋼軌變形急速衰減，基本不受橋墩發生沉降量的影響。鋼軌變形最值，包括向下和向上變形最大值，均因橋墩沉降量增加呈線性變化，線性擬合公式分別為y=0.9963x-0.0008（r2=1）、y=0.116x+0.00005，（r2=1）。

其三，隨著橋墩沉降量的增加，鋼軌變形區域長度及鋼軌變形延伸系數呈現增加的趨勢，開始增長較快，后增長逐漸緩慢。當橋墩沉降量較小且一般小于5mm，鋼軌變形延伸系數小于1；當橋墩沉降量較大時，鋼軌變形區域長度大于梁體變形區域長度，鋼軌變形延伸系數大于1。

其四，相同橋墩沉降量下，隨著橋梁跨度的增加，鋼軌變形區域長度增大，但鋼軌變形延伸系數減小。隨著橋梁跨度的增大，橋梁變形越平緩，鋼軌的變形曲線亦趨于緩和，由沉降導致的軌面附加不平順波長變長，該不平順對軌面激勵的影響越小。