鋼橋縱橫梁體系對板式無砟軌道結構受力影響分析

李耀東，周 珂，段玉振，楊榮山

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

高速列車對運行的平穩性、旅客乘坐舒適性和安全性要求很高。金沙江大橋是成貴線的重點工程，為提高線路的通行效率，需要盡量延長大跨橋軌道的維修周期，采用無砟軌道是實現該目的的有效途徑。同時采用無砟軌道可提高軌道的平順性、降低結構恒載［1-2］，對高速行車和節約投資都有重要影響。金沙江大橋為鋼—混凝土結合橋面，橋面結構形式較多，縱橫梁體系結合橋面是其中的一種。因此開展金沙江大橋等大跨度鋼橋無砟軌道結構的研究具有重要意義。本文以金沙江大橋為例，選用梁—體—板模型對縱橫梁體系上的橋上無砟軌道結構進行了綜合對比研究。

1 橋梁結構和無砟軌道結構

1.1 橋梁結構

金沙江大橋為公鐵兩用橋，所在線為四線客運專線，橋上鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道，正線軌道按一次鋪設跨區間無縫線路設計。梁跨布置為6×32 m簡支梁+1×(48 m+80m+48 m)連續剛構梁+2×(4×45m)連續箱梁+1×116 m混凝土簡支系桿拱+1×120m混凝土簡支系桿拱+1×336 m鋼箱系桿拱+1×120m混凝土簡支系桿拱+1×116 m混凝土簡支系桿拱+1×(5×45m)連續箱梁+6×32 m簡支梁，全橋共33跨32墩2臺，橋跨布置如圖1所示。

1.2 無砟軌道結構

圖1 金沙江大橋概貌

橋梁上面采用CRTSⅢ型板式無砟軌道［3］，它由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實混凝土層、隔離層、底座等組成。軌道結構高度為729 mm。軌道板寬2 500mm，厚 210mm;自密實混凝土層厚 100mm，寬度2 500mm，采用C40混凝土;底座C40鋼筋混凝土結構，寬度3 000mm，直線地段厚度167 mm。軌道板與自密實層間設門型鋼筋。自密實層設凸臺，與底座凹槽對應設置，凹槽尺寸為600mm×600mm，凹槽周圍設橡膠墊板，軌道結構圖如圖2所示。

圖2 無砟軌道橫斷面(單位:mm)

2 計算模型及材料參數

為研究有縱橫梁體系時軌道結構在列車荷載和溫度荷載作用下的力學特性，建立梁—體—板模型進行分析，即將鋼軌用梁模擬，軌道板、自密實混凝土、隔離層、凸臺周圍彈性墊層和橋面板用實體模擬，縱橫梁用板模擬。選取大橫梁在兩邊、大橫梁在中間和無縱橫梁體系三種工況進行仿真計算。

2.1 邊界條件

1)軌道板和自密實混凝土層粘結;

2)底座板凹槽內自密實混凝土與底座板凹槽內側緊貼的彈性橡膠墊板采用接觸分析;

3)隔離層上表面(除凹槽部分)與自密實混凝土下表面(除與凹槽對應的部分)采用接觸分析;

4)隔離層、底座板、橋面板和縱橫梁體系進行粘結處理;

5)橋面板兩端進行全約束;6)鋼軌兩端進行全約束。

2.2 模型參數的選取

CRTSⅢ型板式無砟軌道計算參數［3］如表1所示。縱橫梁參數如表2所示。

表1 CRTSⅢ型板式無砟軌道力學材料參數

表2 縱橫梁參數 mm

2.3 梁—體—板仿真計算模型

為消除模型中存在的邊界效應，選取跨中三塊軌道板和一塊橋面板作為計算模型，橋面板布置在軌道板的下面，取中間一塊軌道板為研究對象。其中橋面板總長18 m，橫隔梁間距3 m，縱隔梁長18 m，按0.5m距離布置。利用有限元軟件ANSYS建立分析模型［4］。計算模型如圖3和圖4。

2.4 荷載取值

1)列車荷載［5］

列車設計豎向荷載取單軸雙輪加載方式，根據金沙江大橋無砟軌道設計說明，豎向設計靜輪載為85 kN，動力系數取為3，設計動輪載為255 kN。取軌道板端部和軌道板中部扣件支承處為荷載作用位置，荷載作用位置如圖5所示。

2)溫度荷載

考慮溫度梯度荷載與列車荷載的共同作用，故溫度荷載取常用溫度梯度荷載。正溫度梯度荷載取為45℃/m，負溫度梯度荷載取為22℃/m，溫度梯度荷載作用范圍為軌道板頂面至自密實混凝土底面。

3 計算結果及分析

3.1 正溫度梯度和輪載作用下軌道結構力學特性

在正溫度梯度荷載和輪載共同作用下，為了消除邊界影響，取中間軌道結構的結果進行分析。計算結果如表3及表4所示。

表3 正溫度梯度和輪載作用下軌道結構的最大豎向位移 mm

表4 正溫度梯度和輪載作用下軌道結構的最大應力MPa

根據以上計算結果可知:

1)各構件均是無縱橫梁體系時的位移最大且遠大于其他兩種工況，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁的兩種工況凈位移都比較小，鋼軌的最大垂向凈位移最大，無縱橫梁體系時最大凈位移比前兩種工況都大。

2)各軌道構件最大拉應力無縱橫梁體系時最大，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁體系時軌道板、底座板的最大拉應力都沒有超過抗拉強度設計值2.7 MPa［6］，但自密實混凝土的最大拉應力已經超過了2.7 MPa;無橫梁體系時軌道板、自密實混凝土、底座板的最大拉應力都遠超出抗拉強度設計值2.7 MPa。

3.2 負溫度梯度和輪載作用下軌道結構力學特性

在負溫度梯度荷載和輪載共同作用下，為了消除邊界影響，取中間軌道結構的結果進行分析。計算結果如表5及表6所示。

表5 負溫度梯度和輪載作用下軌道結構的最大豎向位移 mm

表6 負溫度梯度和輪載作用下軌道結構最大應力

根據以上計算結果可知:

1)各構件均是無縱橫梁體系時的位移最大且遠大于其他兩種工況，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁的兩種工況凈位移都比較小，鋼軌的最大垂向凈位移最大，無縱橫梁體系時最大凈位移比前兩種工況都大。

2)軌道板、自密實混凝土的最大縱橫向拉應力位置均發生在板的上表面，底座板的最大縱橫向拉應力發生在板端;各軌道構件最大拉應力的大小無縱橫梁體系時最大，大橫梁在兩邊時次之，大橫梁在中間時最小。有橫梁體系時軌道板、底座板的最大拉應力都沒有超過抗拉強度設計值2.7 MPa;但自密實混凝土的最大拉應力已經超過了2.7 MPa;無橫梁體系時軌道板、自密實混凝土、底座板的最大拉應力都遠超出抗拉強度設計值2.7 MPa。

4 結論

本文采用有限元方法，建立了梁—體—板模型，對縱橫梁體系上的橋上無砟軌道結構進行了仿真計算。分析了在正負兩種溫度梯度荷載和輪載共同作用下，有無縱橫梁體系三種工況下的軌道結構的靜力性能，主要結論如下:

1)大橫梁在中間時，軌道結構的各部件的最大垂向位移和最大垂向凈位移都較小，大橫梁在兩邊時次之，無縱橫梁體系時最大且遠大于前兩種;

2)大橫梁在中間時，軌道結構各部件的最大縱橫拉壓應力最小，大橫梁在兩邊時次之，無縱橫梁體系時最大;壓應力均沒有超過抗壓強度設計值27 MPa，但是自密實混凝土的拉應力遠超過抗拉強度設計值(2.7 MPa)，會產生開裂;

3)有縱橫梁體系時將很大程度上提高軌道結構的受力性能，特別是大橫梁在中間時，但是在現有設計的縱橫梁體系下，自密實混凝土的抗拉強度超限，建議加強自密實混凝土層的抗拉性能。

［1］趙國堂.高速鐵路無碴軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］閆紅亮.京津城際鐵路無砟軌道設計綜述［J］.鐵道建筑，2008(增):10-15.

［3］中鐵二院工程集團有限責任公司.CRTSⅢ型無砟軌道結構設計及理論分析［R］.成都:中鐵二院工程集團有限責任公司，2010.

［4］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［5］何華武.無砟軌道技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國建設部.GB 50010—2002 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.