石德斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

差異沉降對運營高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)安全影響分析

石德斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

采用有限元計算模型，模擬計算高速鐵路無砟軌道受差異沉降變形的影響程度。差異沉降通過底座板與橋梁間的摩擦和固定支座處的固結(jié)機(jī)構(gòu)對縱連軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加軸向拉、壓力，同時對剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生附加力，通過分析底座板配筋和剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)受力來評估無砟軌道結(jié)構(gòu)的安全性。

差異沉降 結(jié)構(gòu)安全 影響分析

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009)有關(guān)沉降變形的相關(guān)規(guī)定為：相鄰墩臺工后沉降差限值為5 mm；路基與橋梁交界處的工后沉降差不應(yīng)大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1 000。

1 無砟軌道結(jié)構(gòu)與變形

橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道主要由鋼軌、配套扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層、連續(xù)底座板、滑動層、側(cè)向擋塊等部分組成，一般情況下，每孔梁固定支座上方設(shè)置剪力齒槽，梁縫處設(shè)置高強(qiáng)度擠塑板，臺后路基內(nèi)設(shè)置摩擦板、端刺及過渡板等結(jié)構(gòu)，橋面上設(shè)置加高平臺和梁端凹槽。

相鄰墩臺差異沉降會引起軌道結(jié)構(gòu)的變形，橋墩差異沉降通過底座板與橋梁間的摩擦和固定支座處的固結(jié)機(jī)構(gòu)對縱連軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加軸向拉、壓力，同時對剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生附加力。分析底座板配筋和剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)要求，同時對扣件上拔力進(jìn)行檢算。參照橋梁段軌道安全評估分析，同樣進(jìn)行臺后過渡段(摩擦板、端刺)差異沉降對軌道結(jié)構(gòu)影響的計算分析。

工程實踐分析可知，相鄰墩臺差異沉降存在連續(xù)性和突變性特點，臺后過渡段向路基方向沉降值要大于橋、隧和涵洞的沉降值，在與路基連接處易形成折角，也造成軌道結(jié)構(gòu)沉降值增大，基本呈線性變化。

2 軌道結(jié)構(gòu)安全性模擬計算

2.1 簡支梁墩臺差異沉降對軌道結(jié)構(gòu)影響

(1)試算模型

鋼軌、軌道板、底座采用桿單元來模擬，橋梁看做梁單元，扣件、底座與橋梁之間的摩擦模擬為彈簧單元，模擬分析差異沉降變形對縱連軌道結(jié)構(gòu)的影響(如圖1)。

圖1 無砟軌道力學(xué)模型

(2)試算參數(shù)設(shè)定

鋼軌為60 kg/m；軌道板寬度為2.55 m，高度為0.2 m，彈性模量36 000 (MN/m2)；底座板寬度為2.95 m，曲線地段平均厚度為0.34 m，直線地段厚度為0.20 m，彈性模量26 700 (MN/m2)；曲線地段底座板(超高175 mm)配筋：42根φ16+20根φ20 HRB500鋼筋，配筋147.2cm2，鋼筋抗拉強(qiáng)度為435 MPa；直線地段底座板配筋：58根φ16 HRB500鋼筋，底座板配筋116.6 cm2，鋼筋抗拉強(qiáng)度為435 MPa；底座板與橋梁之間的摩擦系數(shù)取0.3。

荷載種類及荷載組合，CRTSⅡ型板式無砟軌道部件采用極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計，對不同種類的荷載采用不同安全系數(shù)和組合系數(shù)(如表1)。

表1 荷載列表

根據(jù)荷載組合計算底座板最大拉力，進(jìn)行配筋設(shè)計，并與施工圖設(shè)計進(jìn)行比較。

(3)計算結(jié)果及初步分析

以相鄰墩臺產(chǎn)生5 mm、10 mm直至60 mm的差異沉降進(jìn)行計算分析。橋墩發(fā)生差異沉降，底座板隨墩臺一起沉降，底座板受到較大的軸向拉力。底座板受到的軸向附加拉、壓力隨墩臺差異沉降呈線性變化(如圖2、圖3)。

圖2 底座板受力隨墩臺差異沉降變化曲線

圖3 底座板所需配筋量隨墩臺差異沉降變化曲線

通過模擬計算可知，曲線地段相鄰墩臺差異沉降值達(dá)到15 mm時正常使用極限狀態(tài)(裂紋控制0.3 mm)所需配筋量147.8 cm2，直線地段相鄰墩臺差異沉降值達(dá)到35 mm時正常使用極限狀態(tài)(裂紋控制0.3 mm)所需配筋量117.9 cm2，超過設(shè)計值。

縱連底座板安全性分析：

由圖3可知，底座板配筋量隨差異沉降的增加而增加，當(dāng)相鄰墩臺差異沉降曲線地段超過15 mm、直線地段超過35 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結(jié)構(gòu)耐久性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全。

縱連底座板穩(wěn)定性分析：

兩側(cè)向擋塊間的縱連底座板模擬看做兩端固定的壓桿，根據(jù)歐拉公式，壓桿的臨界壓力為

按μ=0.5，扣壓式側(cè)向擋塊間距為8 m，

根據(jù)設(shè)計要求，底座板最低鎖定溫度為20 ℃，考慮當(dāng)?shù)氐鬃鍢O端最高溫度為50 ℃，則底座板最大溫升為30 ℃。底座板整體溫升30 ℃時，受到的溫度壓力為：

Fw=EαsΔTA=31 500×106×30×11.8×

10-6×2.95×0.2=6.58 MN

底座板富余的抗壓力=32.7-6.58=26.12 MN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沉降變形產(chǎn)生的附加力114 kN(發(fā)生60 mm差異沉降)，所以底座板的穩(wěn)定性受墩臺差異沉降的影響較小。

剪力齒槽安全性分析：

簡支梁地段底座板與梁體間設(shè)置3排剪力齒槽+2排剪力筋的固結(jié)機(jī)構(gòu)，可以承受2 130 kN的縱向力。

剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)在不同沉降量情況下產(chǎn)生的附加縱向力如圖4、圖5。

圖4 剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)不同沉降量情況下產(chǎn)生的附加縱向力(曲線地段)

圖5 剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)在不同沉降量情況下產(chǎn)生的附加縱向力(直線地段)

設(shè)計采用的剪力齒槽縱向力為1 038 kN。直線地段，當(dāng)相鄰墩臺差異沉降超過75 mm時，模擬計算的剪力齒槽附加縱向力為1 055 kN；曲線地段，當(dāng)相鄰墩臺差異沉降超過70 mm時，模擬計算的剪力齒槽附加縱向力為1 039 kN，底座板與梁體間固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向力超過設(shè)計荷載，影響結(jié)構(gòu)安全。

2.2 連續(xù)梁墩臺差異沉降對軌道結(jié)構(gòu)影響

(1)計算參數(shù)

軌道板寬度為2.55 m，高度為0.2 m，彈性模量32 800 (MN/m2)；底座板寬度為2.95 m，平均高度為0.278 m，彈性模量26 700 (MN/m2)；底座與橋梁之間的摩擦系數(shù)取0.3。

(2)計算結(jié)果及初步分析

參照簡支梁，同樣計算相鄰墩臺產(chǎn)生5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm直至90 mm的沉降差值時，底座板受到的最大拉/壓力和底座板所需的配筋情況。

縱連底座板安全性分析：

底座板配筋量隨差異沉降的增加而增加，當(dāng)相鄰墩臺差異沉降超過15 mm時，底座板所需配筋量超過設(shè)計的146.7 cm2，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結(jié)構(gòu)耐久性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全。

底座板穩(wěn)定性分析：

考慮最不利狀態(tài)，軌道板與底座板分離后，只考慮底座板的縱向穩(wěn)定性，把兩側(cè)向擋塊間的底座板看做兩端錨固的壓桿，扣壓式側(cè)向擋塊間距取6 m，計算壓桿的臨界應(yīng)力為：Fcr=64.6 MN，F(xiàn)w=9.15 MN，F(xiàn)附加=2 340 kN，則底座板富余的抗壓力為64.6-9.15-2.34=53.11 MN，底座板的穩(wěn)定性能夠滿足要求，并有較大的富余量。

剪力齒槽安全性分析：

某大跨連續(xù)梁的底座板與梁體間設(shè)置7排剪力齒槽+6排剪力筋的固結(jié)機(jī)構(gòu)，可以承受6 630 kN的縱向力。

剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)在不同沉降量情況下產(chǎn)生的附加縱向力遠(yuǎn)小于設(shè)計采用的剪力齒槽縱向力5 510 kN，如圖6所示。

圖6 連續(xù)梁剪力齒槽固結(jié)機(jī)構(gòu)在不同沉降量情況下產(chǎn)生的附加縱向力

2.3 臺后過渡段沉降對軌道結(jié)構(gòu)影響

(1)試算模型

臺后路基地段(摩擦板及端刺范圍)沉降采用折角形不平順模擬計算(如圖7)。

圖7 橋臺路基沉降折角型不平順模型

鋼軌、軌道板、底座用梁單元來模擬，各層之間傳力用彈簧單元來模擬，考慮軌道結(jié)構(gòu)自重的影響，假設(shè)50 m范圍軌道結(jié)構(gòu)沉降值為δ，建立100 m范圍的有限元模型。

(2)試算參數(shù)

采用60 kg/m鋼軌；軌道板寬度為2.55 m，高度為0.2 m，彈性模量36 000 (MN/m2)；底座板寬度為2.95 m，高度為0.2 m，彈性模量26 700 (MN/m2)；水泥乳化瀝青砂漿層彈性模量約為9 000 MPa，橋梁底面剛度為1 000 MPa/m，路基面剛度取76 MPa/m。過渡段底座板配筋：58根φ16HRB500鋼筋(116.6 cm2)，鋼筋抗拉強(qiáng)度為435 MPa。

(3)試算結(jié)果及初步分析

路橋差異沉降，在橋臺處形成折角，軌道結(jié)構(gòu)隨沉降發(fā)生變形，橋臺折角位置的底座板易形成附加彎矩。以臺后過渡段50 m范圍發(fā)生15 mm、20 mm、40 mm直至200 mm的沉降差進(jìn)行計算，計算摩擦板、端刺地段縱連底座板的的附加彎矩，并將其做為恒載施加在底座板上，分析不同狀態(tài)下所需配筋量(如圖8)。

圖8 附加彎矩隨臺后沉降差變化曲線

臺后沉降對摩擦板、端刺地段底座板產(chǎn)生的附加彎矩隨臺后沉降差呈線性變化(如圖9)。

圖9 過渡段底座板配筋量隨臺后差異沉降變化曲線

縱連底座板安全性分析：

底座板配筋量隨差異沉降的增加而增加，當(dāng)過渡段沉降差大于50 mm/50 m時，所需配筋量將超過設(shè)計值116.6 cm2，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結(jié)構(gòu)耐久性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全。

底座板穩(wěn)定性分析：

參照簡支梁差異沉降計算方法計算的臺后過渡段，底座板富余的抗壓力同樣為26.12 MN，遠(yuǎn)大于沉降變形產(chǎn)生的附加力220 kN(發(fā)生100 mm差異沉降)，底座板的穩(wěn)定性受過渡段差異沉降的影響很小。

3 結(jié)論

橋梁的簡支梁曲線地段相鄰墩臺差異沉降大于15 mm(直線地段相鄰墩臺差異沉降超過35 mm)時，連續(xù)梁相鄰墩臺差異沉降超過15 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)安全。

曲線地段相鄰墩臺差異沉降超過70 mm，直線地段相鄰墩臺差異沉降超過75 mm時，底座板與梁體間固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向力超過設(shè)計荷載，影響結(jié)構(gòu)安全。

過渡段沉降差大于50 mm/50 m，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)安全。

在計算工況范圍內(nèi)，底座板的穩(wěn)定性不受相鄰墩臺差異沉降或過渡段差異沉降的影響。

[1] TB10082—2005鐵路軌道設(shè)計規(guī)范[S]

[2] 趙國堂. 高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國鐵道出版社，2006

[3] 鐵道部工程管理中心. 京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)總結(jié)報告[R].北京:鐵道部工程管理中心，2008

[4] 姜子清.高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向力分析[D].北京:鐵道科學(xué)研究院，2009.

[5] 徐慶元，張旭久.高速鐵路博格縱連板橋上無砟軌道縱向力學(xué)特性[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009(2)

[6] 林紅松，劉學(xué)毅，楊榮山.大跨橋上縱連板式軌道受壓穩(wěn)定性[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2008(5)

[7] 王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006

SafetyImpactAnalysisofDifferentialSubsidenceofBallastlessTrackStructureofOperatingHigh-SpeedRailway

SHI De-bin

2014-09-28

石德斌(1970—)，男，1989年畢業(yè)于西南交通大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)，教授級高級工程師。

1672-7479(2014)06-0004-04

U213.1+57

： A