顏 樂,魏賢奎,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

大跨度上承式拱橋具有整體剛度大，形式優(yōu)美，跨度大等特點，當(dāng)前，在我國的鐵路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。國內(nèi)相關(guān)科研單位的測試結(jié)果表明：大跨度橋上無縫線路在伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置、小阻力扣件的選擇等方面還存在優(yōu)化空間。以某改建鐵路線大跨度上承式拱橋為例，建立了上承式拱橋有限元模型，依據(jù)橋上無縫線路盡量不設(shè)或者少設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器的原則[2-3]，結(jié)合大跨度拱橋跨度大、剛度大等特點，提出了4種優(yōu)化設(shè)計方案，并對其進(jìn)行了綜合比選，可為今后大跨度上承式拱橋上無縫線路的設(shè)計提供參考。

1 工程概況及參數(shù)

該改建線大跨度上承式拱橋位于直線段上，為客貨雙線鐵路，采用有砟軌道跨區(qū)間無縫線路，線路設(shè)計速度為200 km/h，正線間距為5.0 m。采用CRH1動車組，Ⅲqc橋枕，彈條Ⅴ型扣件。主橋采用連續(xù)結(jié)合梁，引橋采用混凝土簡支梁。該橋拱圈中心跨度為370 m，其跨度在國內(nèi)鐵路拱橋中很罕見，具體橋跨布置為5-32 m簡支梁+370 m上承式鋼筋混凝土提籃拱+16-32 m簡支梁，如圖1所示。

圖1 橋跨布置示意(單位：m)

該線路段最高軌溫56.6 ℃，最低軌溫-6.9 ℃，設(shè)計鎖定軌溫為(30±5) ℃。本橋簡支梁為混凝土有砟梁，其橋梁溫度變化幅度取為15 ℃，連續(xù)梁為鋼混連續(xù)結(jié)合梁，橋梁溫度變化幅度取為25 ℃，拱圈溫度變化幅度取為15 ℃。橋梁墩臺線剛度取值如表1所示。

表1 墩臺縱向線剛度

線路縱向阻力按《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范(送審稿)》取值，有砟軌道采用常阻力扣件時，線路阻力取道床阻力；采用小阻力扣件時，線路阻力取扣件阻力。列車荷載計算采用中活載，制動力大小以列車荷載與軌面摩擦系數(shù)之積表示，摩擦系數(shù)取0.164。

2 計算模型

軌道結(jié)構(gòu)通過扣件道床系統(tǒng)與梁體上緣產(chǎn)生相互作用，橋梁支座與梁體下緣連接傳遞縱向力和豎向力，拱肋上立柱墩與拱肋上緣聯(lián)結(jié)。將鋼軌、主梁、立柱墩臺及拱肋作為一個相互作用的耦合系統(tǒng)[4]，基于大型有限元分析軟件ANSYS建立上承式拱橋線橋墩一體化計算模型，能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)，如圖2所示。

由于BEAM54單元為單軸且可以承受拉壓與彎曲，每個節(jié)點有3個自由度，沿x和y軸的位移和繞z軸的轉(zhuǎn)動。單元可以具有不對稱的端面結(jié)構(gòu)，并且允許端面節(jié)點偏離截面形心位置。因此，拱肋單元、墩臺單元及梁體單元選用二維彈性錐狀非對稱梁BEAM54單元模擬[5]。

圖2 線橋墩一體化計算模型

3 設(shè)計方案

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器是由2根尖軌及2根基本軌組成的組合結(jié)構(gòu)，列車通過時存在輪載過渡，動力沖擊作用較大，對橋梁及軌道結(jié)構(gòu)均有一定的影響；基本軌伸縮后造成調(diào)節(jié)器的軌距等幾何形位不易保持、尖軌承受著較大的伸縮力造成軌排不易穩(wěn)定，因此養(yǎng)護(hù)維修工作量較大，新建鐵路線橋上無縫線路的設(shè)計中應(yīng)盡可能避免使用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器?；谶@一原則，本文選取的橋上無縫線路設(shè)計方案優(yōu)化主要從3方面著手：(1)不設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器，采用小阻力扣件，以減小梁軌相互作用力[6]；(2)采用速度鎖定器(俗稱制動阻尼器)，限制梁端過大的相對位移[7-9]；(3)局部降低鎖定軌溫，避免斷軌時產(chǎn)生過大斷縫。

本文選取以下5種方案進(jìn)行對比分析。

方案1：全橋鋪設(shè)常阻力扣件。

方案2：拱橋主跨以及相鄰兩跨簡支梁鋪設(shè)小阻力扣件，其他鋪設(shè)常阻力扣件。

方案3：在8號墩、9號墩和14號墩、15號墩處安裝速度鎖定器，全橋鋪設(shè)常阻力扣件。

方案4：在8號墩、9號墩和14號墩、15號墩處安裝速度鎖定器，拱橋主跨以及相鄰兩跨簡支梁鋪設(shè)小阻力扣件，其他鋪設(shè)常阻力扣件。

方案5：局部改變鎖定軌溫，拱橋上鎖定軌溫取為(26±5) ℃，拱橋主跨以及相鄰兩跨簡支梁鋪設(shè)小阻力扣件，其他鋪設(shè)常阻力扣件。

4 計算結(jié)果及分析

分別計算了5種方案的橋上無縫線路伸縮力、撓曲力、斷縫值以及梁軌快速相對位移，并對計算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。

4.1 伸縮力

升溫情況下，5種方案鋼軌伸縮力如圖3所示，梁軌相對位移如圖4所示。

圖3 伸縮附加力

圖4 梁軌相對位移

從圖3、圖4中可以看出，方案2設(shè)置了小阻力扣件，與方案1相比，梁軌相互作用減弱，和方案3、方案4相比，可以明顯的減小鋼軌伸縮力，但是會帶來較大的梁軌相對位移；方案4比方案3多設(shè)置了小阻力扣件，其最大伸縮附加力比方案3減小了30%，最大梁軌相對位移增大了20.7%；方案5改變了其鎖定軌溫，但是其伸縮附加力和梁軌相對位移和方案2相比并未發(fā)生改變，這主要是因為附加力和梁軌相對位移都是由橋梁的伸縮或撓曲產(chǎn)生的，和鋼軌溫度變化幅度沒有關(guān)系。

4.2 撓曲力

檢算荷載采用中-活載，以方案2作為比較對象，逐跨進(jìn)行加載，畫出其撓曲附加力包絡(luò)圖，如圖5所示。

圖5 撓曲附加力包絡(luò)圖

由圖5可知，最大撓曲附加拉、壓力分別為148、170 kN，均為荷載從左向右入橋，荷載長度400 m，車頭位于12號橋墩處，因此為最不利的工況，其荷載布置如圖6所示。

圖6 荷載布置簡圖

采用圖6中最不利撓曲工況進(jìn)行加載，5種方案的鋼軌撓曲力和梁軌相對位移如圖7、圖8所示。

圖7 鋼軌撓曲力

圖8 梁軌相對位移

從圖7、圖8中可以看出，方案2設(shè)置了小阻力扣件，和方案3、方案4相比，可以明顯地減小撓曲力和梁軌相對位移；方案4比方案3多設(shè)置了小阻力扣件，其梁軌相對位移比方案3增加了11.5%，撓曲力變化不大；方案5改變了其鎖定軌溫，但是其撓曲附加力和梁軌相對位移和方案2相比并未發(fā)生改變，這也因為附加力和梁軌相對位移都是由橋梁的伸縮或撓曲產(chǎn)生的。

圖7中最大撓曲力近250 kN，根據(jù)經(jīng)驗，普通簡支梁及連續(xù)梁橋的撓曲力一般不超過100 kN，由此可見大跨度拱橋撓曲力較大，與伸縮力大小接近，有可能對軌道強(qiáng)度檢算起控制作用，因此要重視大跨度拱橋撓曲力的計算。

4.3 斷縫值

對于大跨度橋梁，由于《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》(TB 10082—2005)中的公式?jīng)]有考慮橋上無縫線路附加力、墩臺線剛度及相鄰股道的影響，采用公式計算出的斷縫值(以下稱為公式計算法)存在一定的誤差，《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范(送審稿)》建議大跨度橋梁精確計算鋼軌斷縫值時應(yīng)進(jìn)行梁軌相互作用分析(以下稱為梁軌相互作用法)。由圖3可知，鋼軌伸縮附加力較大的地方分別為10號墩臺處和13號墩臺處，分別假設(shè)在這2處斷軌，以方案2作為比較對象。分別采用梁軌相互作用法和公式計算法，計算出的鋼軌位移如圖9所示。

圖9 2種工況的斷縫值

由圖9可知，梁軌相互作用法計算出的斷縫值在10號和13號墩臺處分別比采用公式計算的結(jié)果大59%、56%，與梁軌相互作用法相比，公式計算法較為保守，會低估了上承式拱橋的斷縫值。因而，本文計算斷縫時擬進(jìn)行梁軌相互作用分析。在10號墩臺處的斷縫值為79.2 mm，在13號墩臺處的斷縫值為77.4 mm，因此，在10號墩臺處斷軌為較不利工況。用梁軌相互作用法計算5種方案在10號墩臺處的鋼軌位移計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 鋼軌位移

從圖10中可以看出，方案1鋪設(shè)常阻力扣件，斷縫值為57 mm，方案2設(shè)置了小阻力扣件，其斷縫值增大為79.2 mm，滿足困難條件下取80 mm的要求[10]，比方案1增加了39%。鐵道科學(xué)研究院曾在行車安全為前提下進(jìn)行鋼軌折斷的允許斷縫現(xiàn)場試驗，試驗證實了設(shè)置斷縫由20 mm擴(kuò)大至138 mm，未發(fā)現(xiàn)因斷縫的擴(kuò)大而使行車安全受到威脅，這也是我國橋梁采用小阻力扣件的理論支持依據(jù)。

方案3不設(shè)置小阻力扣件，其斷縫值為26.3 mm，比方案2減小了67%；方案4既設(shè)置速度鎖定器，也鋪設(shè)了小阻力扣件，其斷縫值為28.2 mm，比方案3增大了7%，主要是由于方案4增設(shè)了小阻力扣件的緣故；方案5降低了鎖定軌溫，其斷縫值降低為67.6 mm，比方案2減小了14.6%，可見降低鎖定軌溫可以降低斷縫值。

4.4 梁軌快速相對位移

由于方案2、方案4和方案5均鋪設(shè)有小阻力扣件，無需檢算制動工況時的梁軌快速相對位移，因此只需對方案1、方案3的制動工況進(jìn)行計算分析?？紤]以下2種工況，車頭均位于伸縮附加拉力最大的地方即13號墩臺處，制動長度為400 m。工況1：中活載由右向左入橋；工況2：中活載由左向左右入橋，如圖11所示。

圖11 制動工況荷載布置

2種工況的梁軌快速相對位移分別如圖12、圖13所示。

圖12 工況1梁軌快速相對位移

圖13 工況2梁軌快速相對位移

由圖12、圖13可知，鋪設(shè)常阻力扣件時，其最大梁軌快速相對位移分別為6.92、6.5 mm，均大于規(guī)范4 mm的限值[11]，方案1不滿足要求。為了減小梁軌相對位移，鋪設(shè)速度鎖定器后即方案3，其最大梁軌快速相對位移分別為2.77、2.6 mm，均小于規(guī)范4 mm的限值，即可滿足要求。

4.5 方案比選

為提高線路的平順度、減小線路設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修工作量，盡量減小鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器數(shù)量是高速鐵路橋上無縫線路設(shè)計的一個重要原則之一，采用小阻力扣件是避免采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、減少橋梁及無縫線路受力的最有效措施?；谶@一原則，本文提出的5個方案均不設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器，如表2所示。方案1梁軌快速相對位移超限，不滿足要求，其他4種方案的優(yōu)良順序為方案2、方案3、方案5、方案4，推薦采用方案2。

表2 大跨度上承式拱橋上無縫線路鋪設(shè)方案

5 結(jié)論及建議

(1)方案2鋪設(shè)了小阻力扣件，計算得出的斷縫值較大。在日常養(yǎng)護(hù)和維修時要加強(qiáng)斷縫峰值處的管理和觀測，加強(qiáng)鋼軌探傷等維護(hù)工作，而且在斷縫值較大處不得設(shè)置鋼軌工地焊接接頭。

(2)大跨度拱橋的撓曲力與伸縮力大小接近，要重視大跨度拱橋伸縮力的計算。

(3)采用公式計算出的大跨度橋梁斷縫值較為保守，對上承式拱橋而言，會低估斷縫值，建議大跨度橋梁計算鋼軌斷縫時，應(yīng)進(jìn)行梁軌相互作用分析。

(4)速度鎖定器可明顯減小制動時的梁軌相對位移及斷縫值，但由于其在拱橋上的實際應(yīng)用較少，缺乏工程經(jīng)驗，建議對其進(jìn)行深入研究。

(5)降低鎖定軌溫可以有效地減小斷縫值，但是不方便運(yùn)營和管理，建議在鋪設(shè)小阻力扣件時嚴(yán)格控制鎖定軌溫。

(6)采用小阻力扣件是避免采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、減少橋梁及無縫線路受力的最有效措施，建議在大跨度橋梁中優(yōu)先采用。

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