CRTSⅡ型板式轨道台后Π型主端刺锚固结构受力分析

蔡小培，高 亮，魏 强，曲 村

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044;2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

CRTSⅡ型板式轨道台后Π型主端刺锚固结构受力分析

蔡小培1，高 亮1，魏 强2，曲 村1

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044;2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

针对新建铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道台后Π型主端刺锚固结构设计方案的结构特点和传力特性，通过建立有限元分析模型，对锚固结构的设计参数与其力学特性的相互关系进行了深入研究。提出的锚固结构受力分析方法及受力、变形规律，可供类似结构设计参考。

高速铁路 无砟轨道 锚固结构 纵向位移

1 锚固结构介绍

长桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道采用连续配筋混凝土底座板，为约束其纵向温度力、列车启/制动力以及纵向位移，需要在台后设置锚固结构。京津城际铁路在长桥上首次应用Ⅱ型板式轨道，台后设置了倒T型主端刺、小端刺和摩擦板组成的锚固结构。随着Ⅱ型板式轨道的规模化应用，倒T型主端刺施工对工序的影响在路基预压地段更为突出，而且倒T型主端刺竖墙两侧路基施工只能参照过渡段施工工艺进行，施工质量控制难度大。因此，为丰富锚固结构形式，方便不同条件下主端刺的施工，提出了Π型主端刺锚固结构的设计方案，并在新建铁路进行了试验［1］。

Π型主端刺锚固结构如图1所示，摩擦板与远离桥台一侧的两个大端刺及其之间的连接板共同组成Π型主端刺。Π型主端刺中靠近桥台一侧的大端刺为主端刺Ⅰ，远离桥台一侧的大端刺为主端刺Ⅱ，主端刺在远离桥台一侧后接过渡板。

图1 Π型主端刺锚固结构示意

Π型主端刺锚固结构端刺及摩擦板宽度均为12.0 m。共设置9个小端刺，1#小端刺最靠近桥台，端刺边缘距离摩擦板边缘1.25 m，小端刺厚1.0 m、深1.0 m;2#小端刺与1#小端刺之间的距离为7.75 m，2#至9#小端刺之间的距离为 2.5 m;2#至 6#小端刺厚1.0 m、深 1.0 m;7#至 9#小端刺厚 1.0 m、深 1.5 m;竖墙Ⅰ厚2.0 m、深2.0 m，竖墙Ⅱ厚4.0 m、深2.5 m;9#小端刺与主端刺之间的距离为7.0 m，主端刺Ⅰ、Ⅱ之间的距离为6.0m。

为进一步研究高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道台后Π型主端刺锚固结构的力学特性，本文建立了有限元分析模型，应用该模型分析了锚固结构各参数的影响规律，并通过试验进行了验证。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

采用有限元软件ANSYS进行建模分析，用实体单元对各轨道部件进行模拟。底座板、摩擦板及端刺结构采用线弹性材料，土体采用D-P材料。采用非线性弹簧模拟两侧土体的侧限作用，并充分考虑了底座板与摩擦板之间的摩擦力作用。锚固结构的有限元分析模型如图2和图3所示。

图2 锚固结构有限元分析模型侧面

图3 锚固结构有限元分析整体模型

根据高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固结构的设置要求，曲线地段锚固结构承受纵向荷载为11 MN/双线时，结构产生的最大位移不应超过3 mm［2］。

2.2 计算参数

端刺结构、摩擦板和底座板均采用C30混凝土，桥台后过渡段采用了水泥级配碎石，其后是AB组填料，具体参数如表1，选取最不利参数进行计算。

表1 计算参数表

2.3 模型验证

应用建立的有限元模型，输入表1所示计算参数，得到曲线11 MN/双线荷载作用下锚固结构纵向位移和应力分布如图4和图5所示。可以看出，最大纵向位移为2.44 mm，位于锚固点位置即主端刺位置，小于3 mm的位移限值。摩擦板及端刺结构最大应力为2.66 MPa，小于混凝土的设计强度允许值。从锚固区的应力分布来看，由主端刺至小端刺，应力逐渐减小。可见，靠近锚固点的主端刺及小端刺承担的荷载较多，其余小端刺承受荷载较少。通过受力分析可知，曲线11 MN/双线荷载作用下，锚固结构的纵向位移及应力均能满足高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固结构设置的需要，所提出的Π型主端刺锚固结构方案可行。

图4 Π型主端刺锚固结构纵向位移(单位：m)

图5 Π型主端刺锚固结构应力分布(单位：Pa)

有限元模型计算值与现场试验实测值如图6所示［1］，两者规律基本吻合，计算值都大于实测值，验证了模型计算结果是可靠的。

图6 纵向位移及应力计算值与实测值的比较

3 设计参数影响规律分析

3.1 摩擦系数的影响

图7为图1所示Π型主端刺锚固结构在不同摩擦系数条件下，端刺及摩擦板结构在11 MN/双线荷载作用下的最大纵向位移变化规律。底座板和摩擦板间的“两布”滑动层的摩擦系数越小，对端刺结构的变形越为不利。主要原因是摩擦系数越小，摩擦板分担的纵向荷载越小，传递到Π型主端刺上的力越大。从影响量值上来看，摩擦系数对端刺纵向位移的影响有限。因此，考虑最不利条件，在后面计算中选取摩擦系数0.5、作用荷载11 MN进行计算分析。

图7 锚固结构纵向位移与摩擦系数关系

3.2 连接板厚度的影响

Π型主端刺由两个竖墙及其连接板组成，从定性上来说，只有连接板厚度达到一定值以后，该种主端刺结构才能形成整体结构，发挥整体抵抗纵向位移的能力。因此，连接板厚度对Π型主端刺至为重要。图1中其他参数不变，仅考虑连接板厚度变化，计算结果如图8所示。可见，连接板厚度增加，最大纵向位移呈减小趋势;连接板厚度达到0.6 m以上，最大纵向位移减小较少，两竖墙纵向位移的比值趋向稳定(图9)。考虑经济性，连接板厚度可取0.6 m。

图8 连接板厚度对纵向位移的影响

图9 两竖墙纵向位移比与连接板厚度的关系

3.3 Π型主端刺两竖墙间距的影响

Π型主端刺要形成整体结构，除连接板厚度影响外，两竖墙间距影响较大。计算时图1中竖墙Ⅰ位置保持不变，仅变化竖墙Ⅱ与竖墙Ⅰ之间的距离，计算结果如图10所示。随着两竖墙间距的增大，最大纵向位移减小，说明两竖墙及其内部的土体形成了整体结构，共同抵抗纵向位移。由图11可见，两竖墙间距W越小，竖墙上的位移差异越小。因此，建议两竖墙间距以取6 m为宜。

图10 两竖墙间距对纵向位移的影响

3.4 摩擦板长度的影响

在分析摩擦板长度影响时，保持图1中主端刺尺寸、过渡板长度不变，摩擦板宽度取12 m，计算结果如图12所示。随着摩擦板长度的增加，最大纵向位移减小;摩擦板长度超过35 m以后，最大纵向位移减小趋势变缓。因此，从控制最大纵向位移来说，摩擦板长度应在35 m以上;但摩擦板长度越大，增加的工程量越大。根据图12所示规律，建议摩擦板长度取值35～45 m。

图11 两竖墙间距与连接板厚度组合影响

图12 摩擦板不同长度下的纵向位移变化规律

3.5 摩擦板宽度的影响

保持小端刺和主端刺宽度不变，将图1中摩擦板宽度进行变化，得到图13所示计算结果。随着摩擦板宽度的增大，最大纵向位移减小;摩擦板宽度＞11 m后，位移减小趋缓。建议摩擦板宽度控制在12 m以内。

图13 摩擦板宽度对最大纵向位移的影响

图14是摩擦板与端刺宽度同时变化对最大纵向位移的影响，两者之间近似呈线性关系。宽度越大，纵向位移越小。对照图13，保持端刺宽度为12 m，优化摩擦板宽度的思路是合理的，因为摩擦板宽度减小后能够保证其不对接触网基础的设置产生影响。

图14 摩擦板和端刺宽度对最大纵向位移的影响

3.6 主端刺竖墙尺寸的影响

图1中其他尺寸不变，仅考虑竖墙尺寸变化。取竖墙Ⅰ深度和厚度均为2 m不变，竖墙Ⅱ深度和厚度的影响如图15所示。可以看出，随深度增大，最大纵向位移减少(0.3～0.8)%;随厚度B增大，最大纵向位移减少(1.4～2.0)%。表明主端刺竖墙高度对纵向位移的影响不大，厚度对纵向位移影响较大。考虑竖墙开挖的难易，竖墙Ⅰ和Ⅱ结构尺寸组合情况如表2所示。

图15 竖墙深度和厚度的影响规律

表2 竖墙Ⅰ和Ⅱ尺寸组合 m

根据表2竖墙尺寸变化，共计有80种组合。按竖墙Ⅰ和Ⅱ的钢筋混凝土量不大于图1所示方案，计算了30种组合方案，计算结果如图16所示。在小于图1中面积14 m2情况下，最大纵向位移最多增加2.5%，都没有发生显著变化。但竖墙宽度为12 m，图16中面积每减少0.5 m2，钢筋混凝土将减少6 m3。建议将两竖墙面积之和控制在12 m2之内。

图16 竖墙Ⅰ和竖墙Ⅱ面积之和与最大纵向位移的关系

4 结论及建议

本文结合新建铁路建设实际，对CRTSⅡ型板式无砟轨道台后锚固结构进行了创新，提出了Π型主端刺锚固结构形式。通过建立有限元模型对锚固结构受力特性及主要设计参数的影响规律进行了研究，得到以下结论：

1)所提出的Π型主端刺锚固结构方案可行，曲线11 MN/双线荷载作用下，端刺结构纵向位移小于3.0 mm，能够满足高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道锚固结构的需要。

2)底座板和摩擦板间滑动层的摩擦系数越小，对锚固结构的受力、变形越为不利。采用主端刺、连接板、过渡板与底座板共同固结的方式，对整个端刺结构的受力有利。

3)通过计算分析，综合考虑技术经济性，锚固结构主要参数建议如下：摩擦板长度取35～45 m，端刺宽度取12 m，摩擦板宽度控制在12 m以内。主端刺竖墙面积之和不大于12 m2，深度不宜大于2 m，可充分发挥基床优质填料及优良的填筑指标的优势。两竖墙间距不宜小于6 m，主端刺连接板厚度不宜小于0.6 m。

［1］赵国堂，魏强，高亮，等.京沪高速铁路 Π型主端刺锚固体系理论及试验研究报告［R］.北京：京沪高速铁路股份有限公司，2009.

［2］铁道部工程管理中心.京津城际轨道交通工程CRTSⅡ型板式无砟轨道技术总结报告［R］.北京：铁道部工程管理中心，2008.

U213.2+42

B

1003-1995(2010)12-0121-04

2010-07-03;

2010-08-08

铁道部科技开发计划项目(2008G031-F)

蔡小培(1982— )，男，江苏徐州人，讲师，博士。

(责任审编 赵其文)