丁静波,杨 松,禹 雷,刘亚航,郭 骁

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

目前国内大型钢结构桥梁工程，例如武汉天兴洲长江大桥、南京大胜关长江大桥等，多采用有砟轨道结构[1]。高速列车运营时速达350 km时，有砟轨道几何状态不易长期保持，且这种局部范围内铺设有砟轨道，也不利于高速铁路全线轨道类型统一，增加了维修工作量和养护维修设备种类。

无砟轨道相对有砟轨道具有良好的稳定性、平顺性和耐久性，且无砟轨道结构自重轻、维护工作量少、全寿命周期内经济性较好[2]。一般大跨度钢桥通常是线路上的重要节点，为提高线路的利用效率，需要尽量延长大跨桥梁轨道的维修周期，采用无砟轨道是实现该目的的有效途径[3]。有砟轨道全寿命周期约15年，总成本年值55.42万元/年；无砟轨道全寿命周期60年，总成本年值37.43万元/年，因此无砟轨道综合成本低[4]。另外无砟轨道较有砟轨道对桥梁二期恒载轻，可降低桥梁体量。

因此，在大跨度钢桥上推广使用无砟轨道，不仅是实现高速铁路高速平稳运营的要求，同时对于节约工程造价，降低后期轨道养护维修工作量都有积极的意义。本文研究大跨度钢桥无砟轨道结构设计方案，针对钢桥周期性变形特点，计算分析对桥上无砟轨道结构的影响等内容。

2 大跨度钢桥无砟轨道结构设计方案

2.1 大跨度钢桥无砟轨道与桥面连接方案

大跨度钢桥无砟轨道主要由道床板、隔离层及底座等组成，道床板宽度为2 800 mm，按与桥面连接方式不同主要有2种方案。

(1)方案1：先在钢桥上铺设一整块桥面板，桥面板通过100 mm剪力钉与钢桥连接成整体，然后在桥面板上铺设厚270 mm底座，见图1。

图1 大跨度钢桥无砟轨道方案1(单位：mm)

(2)方案2：底座直接与钢桥连接，通过300 mm剪力钉与钢桥连接成整体，设计底座厚度420 mm，该方案桥面板为不连续结构，见图2。

图2 大跨度钢桥无砟轨道方案2(单位：mm)

方案1先铺设一层15 cm厚混凝土桥面板，整体性好，有利于桥梁桥面的防腐，也可有效提高无砟轨道结构局部刚度。通过对比分析，在相同荷载作用下，无砟轨道结构底座受力降低明显，其拉应力值减少约60%，见图3，有利于提高无砟轨道耐久性；综上，推荐采用方案1与桥面连接。

图3 无砟轨道与桥面连接构造方案对比分析

2.2 大跨度钢桥变形对无砟轨道结构的影响

在列车活载和温度荷载作用下会产生挠曲变形，引起了轨道状态的变化，特别是大跨度钢桥无砟轨道，这种周期性的下挠和上拱影响更显著。基于此，应对在这种变形作用下的轨道结构进行计算分析[5-6]。

需要说明，一般无砟轨道计算已考虑桥梁实际最大下挠位移，本文重点研究大跨度钢桥在温度、徐变等作用下出现上拱变形时无砟轨道的受力状态及规律[7]。为简化轨道模型，模型中将底座与铺装层的变形按协调一致处理，挠曲变形位移施加在铺装层的下表面。

上拱变形模拟分析表明，道床板上表面表现为压应力，下表面表现为拉应力。按168 m钢桥跨中最大上拱位移为8.5 mm，计算最大主拉应力为2.20 MPa，上拱变形引起道床板与底座间离缝值为0.015 mm，见图4。

图4 轨道位移变形云图(单位：m)

另外，无砟轨道限位凸台考虑列车荷载、温度作用和桥梁挠曲变形影响，通过建立三维模型，计算其纵横向力，计算结果见表1。

表1 限位凸台的纵横向受力计算结果 kN

按最不利条件，假定纵横向组合全作用于其中一个无砟轨道限位凸台，且不考虑道床板与底座间摩擦力，其剪切应力τ=0.36 MPa，承压面压应力σ2=2.31 MPa。计算结果远小于C40混凝土抗剪强度设计值2.6 MPa，抗压强度设计值19.1 MPa，因此无砟轨道限位凸台结构安全可靠。

大跨度钢桥上无砟轨道底座宜用单元结构，有利于控制底座裂纹[8]。考虑温度和活载作用，底座的挠曲变形为35 mm，计算裂纹最大宽度为0.057 mm，其裂纹控制满足耐久性的要求。

2.3 大跨度钢桥上剪力钉受力模拟分析

大跨度钢桥铺设无砟轨道，桥面铺装层与底座间接地通过剪力钉连接。通过对铺装层-剪力钉这种复合结构的力学行为特性分析，揭示剪力钉、铺装层的受力情况，这对保证大跨度钢桥无砟轨道稳定性十分重要。

剪力钉推出试验的目的是测试剪力钉在混凝土中的荷载-滑移量曲线和极限承载力。其中混凝土试块、剪力钉、钢梁均采用实体单元模拟，混凝土试块底部施加位移约束，在钢梁表面逐级加载，在试件钢混界面滑移量持续增加，其承载力稳定时停止。剪力钉推出试验有限元模型如图5所示。

图5 推出试验有限元模型

通过有限元计算与试验测试，剪力钉的荷载-滑移曲线如图6所示，2条曲线形状基本吻合。有限元计算和试验测试得到的剪力钉最大抗剪承载力分别为183，180 kN。由此可见，剪力钉的有限元建模方法正确，可进一步用于钢桁架桥梁铺装层剪力钉的布置方案研究[9]。

图6 剪力钉荷载-滑移曲线

2.4 大跨度梁端梁缝计算

大跨度钢桥梁端梁缝结构是大跨度钢桥无砟轨道的薄弱环节之一。在温度、动力荷载的共同作用下，梁端轴向变形，将会显著影响抬枕装置的受力性能，甚至影响高速列车的行车安全。本文通过列车-轨道-桥梁耦合随机振动分析软件(TBPROB)建立大位移抬枕装置-轨道-桥梁系统程序模型[10-11]，将抬枕装置的轨枕编号，如果图7所示，研究1-4号、A、B位置的扣件横、竖向力的规律。并根据温度变形引起抬枕装置伸缩变化，计算当高速列车在正常运营车速350 km/h通过该抬枕装置时的车桥耦合振动特性。

图7 高速列车作用下大位移抬枕装置轨枕

经分析，高速列车作用下抬枕装置扣件间距达0.55 m时，其最大位移1.75 mm，见图8。高速列车作用下抬枕装置轮重减载率ΔP/P最大约为0.53，满足ΔP/P≤0.60的要求，其余车体振动加速度、脱轨系数等车辆动力响应未超过安全限值，高速列车行车安全在可控范围之内，见图9。

图8 高速列车作用下各工况大位移抬枕装置轨枕扣件A处竖向位移时程曲线

图9 高速列车作用下各工况高速列车通过移抬枕装置处时车体轮重减载率的时程响应曲线变化规律

2.5 大跨度钢桥无砟轨道板模态分析

在列车行驶过程中产生的共振会导致钢轨振动幅度增大、轮轨作用力增强，也是引起钢轨波磨、扣件弹条断裂的重要因素之一[12]。通过建立6 200，5 600 mm和4 825 mm不同长度道床板模型，见图10，研究其振动特征，计算结构固有频率，预防结构共振[13]。

图10 6 200 mm长度道床板模型二阶振型

经计算，得到不同长度下的道床板前10阶模态固有频率，见表2。通过分析表明，道床板长度越小，各阶固有频率值越大，但增大不明显。由于大跨度钢桥自振频率小于10 Hz，在列车行驶过程中，6 200，5 600 mm和4 825 mm三种长度的轨道板均不会与桥梁形成共振[14]。

表2 不同长度道床板固有频率 Hz

3 大跨度钢桥无砟轨道无缝线路设计

大跨度钢桥无砟轨道上铺设无缝线路时，应重视无缝线路纵向力的影响。温度跨大的钢桥，由于列车荷载和温度作用下的变形较大，其无砟轨道无缝线路须进行专项检算。

3.1 钢桥无砟轨道无缝线路关键参数

一般混凝土桥梁温差按照TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[15]取值，见表3，但无砟轨道钢桥年温差尚无可参考数值。

表3 梁温差 ℃

与国外相比，我国无砟轨道钢桥单体规模较大，但内容欠全面，积累数据也较少，难以规范指导实践[16-17]。针对大跨度钢桥上铺设无砟轨道，建议进行不间断的系统监测，为后续设计及既有规范的修订完善提供依据。

参照TBJ24—89《铁路结合梁设计规定》，考虑结合梁温差变化，钢桁架桥整体升温50 ℃，顶板降温20 ℃梯度，以及最大活载作用下中桁最大纵向位移进行无缝线路建模计算[14]。

3.2 不同温度跨钢桥无砟轨道无缝线路计算分析

通过建立无缝线路设计有限元模型，对不同温度跨钢桥无砟轨道无缝线路进行计算分析[18-19]。以郑州地区为例，分别计算10孔140，150，155，160 m等不同温度跨度简支梁工况，见表4。

表4 不同温度跨钢桥无缝线路各项应力计算 MPa

经计算，当温度跨为150 m时单股钢轨最大伸缩力为363.7 kN(47.0 MPa)；按一线制动、一线牵引分析，钢轨最大制动应力为290.9 kN(37.6 MPa)，附加应力值偏大，应考虑设置钢轨伸缩调节器等措施，以降低梁轨相互作用。

4 结语

大跨度钢桥无砟轨道仍有许多问题还需进一步解决。现行针对大跨度钢桥无砟轨道有关规定仍需进一步完善；大跨度钢桥挠曲变形及曲率较大，梁端结构变形难以控制，存在钢梁与无砟轨道间离缝跟随性的问题；另外，桥梁施工及无砟轨道铺设线型精确控制，以及运营后在温度、风、徐变等作用下，无砟轨道的长波不平顺容许偏差的影响[20]。

与有砟轨道相比，无砟轨道对桥梁结构变形和振动控制更艰难，通过一些项目开展了有针对性技术研究后解决部分问题。目前，昌吉赣客运专线赣江特大桥混合梁斜拉桥，以及商合杭裕溪河双塔钢箱桁梁斜拉桥等均铺设无砟轨道，这对推进我国高速铁路大跨度钢桥无砟轨道技术的应用提供了有力技术支撑，建议运营期间应加强数据监测，以期取得更多经验指导工程实践。