沪宁城际轨道交通娄蕴特大桥112 m提篮拱桥梁端扣件受力分析

李平卓

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线路站场设计研究处,武汉 430063)

沪宁城际轨道交通设计最高运行速度350 km/h,采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构,扣件采用WJ-7B型弹性分开式扣件。扣件几乎是CRTSⅠ型板式无砟轨道弹性和调整能力的唯一提供者,其结构的强度、耐久性和弹性直接关系到高速列车运行的安全及舒适性,同时也会影响到运营养护维修的工作量及频率,因此必须保证扣件在高速列车运行中发挥足够的作用。对于无砟轨道而言,扣件一方面承受来自列车荷载、无缝线路等直接作用,另一方面因无砟轨道结构变形引起扣件附加受力也是其受力的重要组成部分。特别是位于桥上梁缝处的扣件附加作用力更为突出,按照目前国内无砟轨道设计的要求,梁缝相邻扣件横向及竖向错位变形不得大于1 mm,桥梁梁端转角不得大于1‰。对于一般桥梁地段扣件附加受力均较少,但对于类似沪宁城际娄蕴特大桥112 m提篮拱桥(图1)这类特殊结构而言,由于提篮拱梁结构设计需要,其梁端与支座距离达到了2 m,在同样的桥梁变形下,梁端扣件的受力更为不利,因此必须对这类桥梁结构梁端扣件的附加受力进行计算分析,以保证在各种工况下,扣件具备足够的可靠性,同时也期为类似结构的扣件受力提供借鉴和参考。

图1 娄蕴特大桥112 m提篮拱桥立面(单位：m)

1 梁端扣件受力机理及计算模型

1.1 受力机理

桥梁受荷载作用以及其他一些影响因素后将引起梁端位移,这种位移的存在将对轨道结构产生影响。传统的有砟轨道上,由于道砟的流动特性对梁端轨道结构传力有一定放散作用,梁端轨道结构所受附加力较小,梁端变形对轨道结构受力的影响可以忽略。但是在无砟轨道上,轨道系统与桥梁处于较大的刚性连接状态,桥梁的微小变形都将对轨道系统产生影响。因此,在无砟轨道桥梁上必须考虑梁端结构变形对轨道结构受力的影响。

影响轨道结构受力的梁端结构变形包括：梁端支座截面竖向转角、梁缝两侧支座截面竖向相对位移。

(1)梁端支座截面竖向转角

桥梁由于列车荷载、施工误差、桥墩的不均匀沉降等因素的作用,在桥梁墩台处会产生各种类型的梁端转角。在桥台处会发生一侧桥梁转角情况,在桥墩处会发生两侧桥梁对称转动以及两侧桥梁非对称转动的情况,这些转角都将对无砟轨道扣件系统受力造成一定的影响。图2为桥台处桥梁转动示意图。

图2 桥台处桥梁转动示意

在相邻桥跨(梁-梁、梁-台)间,当一侧梁体(桥台)保持初始未发生变形,另一侧梁体在梁端产生竖向转角时,支座外侧梁体上抬,通过梁体悬出段上扣件系统带动钢轨向上位移,使得梁端上钢轨产生局部隆起现象,如图3所示。钢轨局部隆起将导致轨面在高低上出现不平顺,影响高速行车和轨道结构的使用要求。同时,梁端转角带来的钢轨挠曲(或微小的以梁长为波长的不平顺)需通过扣件系统传递,并迫使钢轨实现。桥上扣件系统,特别是梁端扣件可能会出现不均匀的拉压力,这种不均匀的拉压力如果不加以控制,很可能将导致扣件系统的失效。

图3 梁端支座截面竖向转角带动轨道变形示意

引起梁端支座截面产生竖向转角的主要因素有：列车竖向静活载作用引起的梁端转角、徐变上拱引起的梁端转角、相邻墩台的不均匀沉降差异引起的梁端转角、桥梁上下梁面的梯度温差引起的梁端转角等。

(2)梁端竖向相对位移

由于桥梁支座的弹性作用,在列车荷载作用下,有荷载一侧桥梁发生弹性变形,另一侧没有变形,这样就容易在梁缝处产生竖向相对位移,此外支座压缩、施工误差等因素都有可能引起竖向相对位移,也会对轨道结构的局部受力产生影响。

在相邻桥跨(梁-梁、梁-台)间,当一侧梁体(桥台)保持初始未发生变形状态,另一侧梁体在梁端产生竖向相对位移时,梁体通过扣件系统带动钢轨整体向下位移,使得相邻梁端上钢轨产生局部隆起现象,如图4所示。钢轨产生的竖向变形通过各个扣件节点进行传递和分配,由此在梁端伸缩缝两侧一定范围内钢轨支点处产生钢轨附加上拔力或下压力。

图4 竖向相对位移带动轨道变形示意

引起桥梁竖向相对位移的主要因素有：坡道桥梁的整体温度差导致桥梁整体长度发生变化引起的竖向相对位移、同一桥墩的两支座的弹性压缩引起的竖向相对位移等。

1.2 计算模型

梁端轨道结构的常用计算方法有单元荷载法和实际荷载法,考虑到实际荷载法适应性强,特别是采用ANSYS软件的APDL参数化编程技术,能根据各种实际荷载工况实现自动建模、划分单元、建立刚度矩阵、自动求解和结果输出,且计算结果准确性更高,因此采用实际荷载法进行建模计算。

娄蕴特大桥112 m提篮拱两端缝宽0.150 m,提篮拱梁端距离支座2 m,梁缝处扣件间距650 mm,其余扣件617 mm。考虑到WJ-7B型扣件配套W1型弹条和X2型弹条时扣压力的弹条刚度曲线有一定差别,其中W1型弹条扣压力和弹程分别为18 kN、14 mm,X2型弹条对应12 kN、12 mm,因此计算模型按照表1中的3种方案进行检算,图5为娄蕴特大桥112 m提篮拱扣件系统受力分析模型。

表1 扣件弹条类型布置方案

图5 娄蕴特大桥112 m提篮拱扣件系统受力分析模型

2 计算荷载及组合

2.1 计算荷载

根据娄蕴特大桥112 m提篮拱桥梁设计计算提供资料,在各种荷载作用下的梁端转角及竖向变形计算数值见表2。

表2 娄蕴特大桥112 m提篮拱梁端转角及竖向变形

注：转角数值为正时表示梁端向上转,为“-”表示梁端向下。

2.2 荷载组合

根据各种作用工况,设计采用的计算荷载组合方式见表3,其中组合3为最不利荷载组合方式。

表3 梁端扣件受力检算荷载组合

3 计算结果

将扣件布置方案模型按照计算荷载组合方式经行模拟计算得到梁端扣件受力计算结果(表4),当采用W1型弹条和X2型弹条时,WJ-7B型扣件的允许上拔力分别为18 kN和12 kN。从计算结果看出仅扣件布置方案三能够满足设计要求,即梁缝处梁端第一组扣件采用W1型弹条,其余扣件采用X2型弹条。

表4 梁端扣件受力计算结果

考虑到3种扣件布置方案扣件纵向阻力值也不相同,在此将无缝线路桥墩附加力的计算结果做对比参考(表5),从表5计算结果中可以得出扣件布置方案二、三对桥墩附加作用力较小,而采用方案一时桥墩附加作用力最大的结论。

表5 无缝线路桥墩附加力计算结果对比

综合扣件梁端扣件受力分析以及对桥墩附加作用力的计算结果,扣件布置方案三能够满足设计要求。

4 结论

通过对沪宁城际轨道交通娄蕴特大桥112 m提篮拱桥梁端扣件在各种荷载组合及扣件组合方式下的上拔力计算分析,主要得到以下结论：

(1)推荐采用扣件布置方案三作为工程实施方案,即梁缝处梁端第1组扣件采用W1型弹条,其余扣件采用X2型弹条；

(2)梁端转角及竖向位移变形能够产生较大的扣件附加上拔力,设计时应该充分考虑其影响,采用合理的方式减少扣件附加上拔力,如减少梁端距离支座的长度、减少荷载作用下桥梁的挠曲变形、桥梁支座布置与线路坡度一致等；

(3)相同梁端转角及竖向位移变形作用下,全桥采用W1型大扣压力弹条比采用X2型小扣压力扣件引起的扣件上拔力大；

(4)采用仅在端部设置W1型大扣压力弹条,其余地段采用X2型小扣压力弹条的扣件组合方式与全桥均采用X2小扣压力弹条的扣件组合方式对扣件上拔力计算结果影响很小。

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