钢桥纵横梁体系对板式无砟轨道结构受力影响分析

2012-09-05李耀东段玉振杨荣山

铁道建筑 2012年8期

李耀东，周珂，段玉振，杨荣山

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

高速列车对运行的平稳性、旅客乘坐舒适性和安全性要求很高。金沙江大桥是成贵线的重点工程，为提高线路的通行效率，需要尽量延长大跨桥轨道的维修周期，采用无砟轨道是实现该目的的有效途径。同时采用无砟轨道可提高轨道的平顺性、降低结构恒载［1-2］，对高速行车和节约投资都有重要影响。金沙江大桥为钢—混凝土结合桥面，桥面结构形式较多，纵横梁体系结合桥面是其中的一种。因此开展金沙江大桥等大跨度钢桥无砟轨道结构的研究具有重要意义。本文以金沙江大桥为例，选用梁—体—板模型对纵横梁体系上的桥上无砟轨道结构进行了综合对比研究。

1 桥梁结构和无砟轨道结构

1.1 桥梁结构

金沙江大桥为公铁两用桥，所在线为四线客运专线，桥上铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道，正线轨道按一次铺设跨区间无缝线路设计。梁跨布置为6×32 m简支梁+1×(48 m+80m+48 m)连续刚构梁+2×(4×45m)连续箱梁+1×116 m混凝土简支系杆拱+1×120m混凝土简支系杆拱+1×336 m钢箱系杆拱+1×120m混凝土简支系杆拱+1×116 m混凝土简支系杆拱+1×(5×45m)连续箱梁+6×32 m简支梁，全桥共33跨32墩2台，桥跨布置如图1所示。

1.2 无砟轨道结构

图1 金沙江大桥概貌

桥梁上面采用CRTSⅢ型板式无砟轨道［3］，它由钢轨、弹性扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层、底座等组成。轨道结构高度为729 mm。轨道板宽2 500mm，厚 210mm;自密实混凝土层厚 100mm，宽度2 500mm，采用C40混凝土;底座C40钢筋混凝土结构，宽度3 000mm，直线地段厚度167 mm。轨道板与自密实层间设门型钢筋。自密实层设凸台，与底座凹槽对应设置，凹槽尺寸为600mm×600mm，凹槽周围设橡胶垫板，轨道结构图如图2所示。

图2 无砟轨道横断面(单位:mm)

2 计算模型及材料参数

为研究有纵横梁体系时轨道结构在列车荷载和温度荷载作用下的力学特性，建立梁—体—板模型进行分析，即将钢轨用梁模拟，轨道板、自密实混凝土、隔离层、凸台周围弹性垫层和桥面板用实体模拟，纵横梁用板模拟。选取大横梁在两边、大横梁在中间和无纵横梁体系三种工况进行仿真计算。

2.1 边界条件

1)轨道板和自密实混凝土层粘结;

2)底座板凹槽内自密实混凝土与底座板凹槽内侧紧贴的弹性橡胶垫板采用接触分析;

3)隔离层上表面(除凹槽部分)与自密实混凝土下表面(除与凹槽对应的部分)采用接触分析;

4)隔离层、底座板、桥面板和纵横梁体系进行粘结处理;

5)桥面板两端进行全约束;6)钢轨两端进行全约束。

2.2 模型参数的选取

CRTSⅢ型板式无砟轨道计算参数［3］如表1所示。纵横梁参数如表2所示。

表1 CRTSⅢ型板式无砟轨道力学材料参数

表2 纵横梁参数 mm

2.3 梁—体—板仿真计算模型

为消除模型中存在的边界效应，选取跨中三块轨道板和一块桥面板作为计算模型，桥面板布置在轨道板的下面，取中间一块轨道板为研究对象。其中桥面板总长18 m，横隔梁间距3 m，纵隔梁长18 m，按0.5m距离布置。利用有限元软件ANSYS建立分析模型［4］。计算模型如图3和图4。

2.4 荷载取值

1)列车荷载［5］

列车设计竖向荷载取单轴双轮加载方式，根据金沙江大桥无砟轨道设计说明，竖向设计静轮载为85 kN，动力系数取为3，设计动轮载为255 kN。取轨道板端部和轨道板中部扣件支承处为荷载作用位置，荷载作用位置如图5所示。

2)温度荷载

考虑温度梯度荷载与列车荷载的共同作用，故温度荷载取常用温度梯度荷载。正温度梯度荷载取为45℃/m，负温度梯度荷载取为22℃/m，温度梯度荷载作用范围为轨道板顶面至自密实混凝土底面。

3 计算结果及分析

3.1 正温度梯度和轮载作用下轨道结构力学特性

在正温度梯度荷载和轮载共同作用下，为了消除边界影响，取中间轨道结构的结果进行分析。计算结果如表3及表4所示。

表3 正温度梯度和轮载作用下轨道结构的最大竖向位移 mm

表4 正温度梯度和轮载作用下轨道结构的最大应力MPa

根据以上计算结果可知:

1)各构件均是无纵横梁体系时的位移最大且远大于其他两种工况，大横梁在两边时次之，大横梁在中间时最小。有横梁的两种工况净位移都比较小，钢轨的最大垂向净位移最大，无纵横梁体系时最大净位移比前两种工况都大。

2)各轨道构件最大拉应力无纵横梁体系时最大，大横梁在两边时次之，大横梁在中间时最小。有横梁体系时轨道板、底座板的最大拉应力都没有超过抗拉强度设计值2.7 MPa［6］，但自密实混凝土的最大拉应力已经超过了2.7 MPa;无横梁体系时轨道板、自密实混凝土、底座板的最大拉应力都远超出抗拉强度设计值2.7 MPa。

3.2 负温度梯度和轮载作用下轨道结构力学特性

在负温度梯度荷载和轮载共同作用下，为了消除边界影响，取中间轨道结构的结果进行分析。计算结果如表5及表6所示。

表5 负温度梯度和轮载作用下轨道结构的最大竖向位移 mm

表6 负温度梯度和轮载作用下轨道结构最大应力

根据以上计算结果可知:

2)轨道板、自密实混凝土的最大纵横向拉应力位置均发生在板的上表面，底座板的最大纵横向拉应力发生在板端;各轨道构件最大拉应力的大小无纵横梁体系时最大，大横梁在两边时次之，大横梁在中间时最小。有横梁体系时轨道板、底座板的最大拉应力都没有超过抗拉强度设计值2.7 MPa;但自密实混凝土的最大拉应力已经超过了2.7 MPa;无横梁体系时轨道板、自密实混凝土、底座板的最大拉应力都远超出抗拉强度设计值2.7 MPa。