大跨度上承式拱桥上无缝线路铺设方案研究

颜 乐,魏贤奎,王 平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

大跨度上承式拱桥具有整体刚度大，形式优美，跨度大等特点，当前，在我国的铁路建设中得到了广泛的应用[1]。国内相关科研单位的测试结果表明：大跨度桥上无缝线路在伸缩调节器的设置、小阻力扣件的选择等方面还存在优化空间。以某改建铁路线大跨度上承式拱桥为例，建立了上承式拱桥有限元模型，依据桥上无缝线路尽量不设或者少设伸缩调节器的原则[2-3]，结合大跨度拱桥跨度大、刚度大等特点，提出了4种优化设计方案，并对其进行了综合比选，可为今后大跨度上承式拱桥上无缝线路的设计提供参考。

1 工程概况及参数

该改建线大跨度上承式拱桥位于直线段上，为客货双线铁路，采用有砟轨道跨区间无缝线路，线路设计速度为200 km/h，正线间距为5.0 m。采用CRH1动车组，Ⅲqc桥枕，弹条Ⅴ型扣件。主桥采用连续结合梁，引桥采用混凝土简支梁。该桥拱圈中心跨度为370 m，其跨度在国内铁路拱桥中很罕见，具体桥跨布置为5-32 m简支梁+370 m上承式钢筋混凝土提篮拱+16-32 m简支梁，如图1所示。

图1 桥跨布置示意(单位：m)

该线路段最高轨温56.6 ℃，最低轨温-6.9 ℃，设计锁定轨温为(30±5) ℃。本桥简支梁为混凝土有砟梁，其桥梁温度变化幅度取为15 ℃，连续梁为钢混连续结合梁，桥梁温度变化幅度取为25 ℃，拱圈温度变化幅度取为15 ℃。桥梁墩台线刚度取值如表1所示。

表1 墩台纵向线刚度

线路纵向阻力按《铁路无缝线路设计规范(送审稿)》取值，有砟轨道采用常阻力扣件时，线路阻力取道床阻力；采用小阻力扣件时，线路阻力取扣件阻力。列车荷载计算采用中活载，制动力大小以列车荷载与轨面摩擦系数之积表示，摩擦系数取0.164。

2 计算模型

轨道结构通过扣件道床系统与梁体上缘产生相互作用，桥梁支座与梁体下缘连接传递纵向力和竖向力，拱肋上立柱墩与拱肋上缘联结。将钢轨、主梁、立柱墩台及拱肋作为一个相互作用的耦合系统[4]，基于大型有限元分析软件ANSYS建立上承式拱桥线桥墩一体化计算模型，能够反应结构的真实受力状态，如图2所示。

由于BEAM54单元为单轴且可以承受拉压与弯曲，每个节点有3个自由度，沿x和y轴的位移和绕z轴的转动。单元可以具有不对称的端面结构，并且允许端面节点偏离截面形心位置。因此，拱肋单元、墩台单元及梁体单元选用二维弹性锥状非对称梁BEAM54单元模拟[5]。

图2 线桥墩一体化计算模型

3 设计方案

钢轨伸缩调节器是由2根尖轨及2根基本轨组成的组合结构，列车通过时存在轮载过渡，动力冲击作用较大，对桥梁及轨道结构均有一定的影响；基本轨伸缩后造成调节器的轨距等几何形位不易保持、尖轨承受着较大的伸缩力造成轨排不易稳定，因此养护维修工作量较大，新建铁路线桥上无缝线路的设计中应尽可能避免使用钢轨伸缩调节器。基于这一原则，本文选取的桥上无缝线路设计方案优化主要从3方面着手：(1)不设置伸缩调节器，采用小阻力扣件，以减小梁轨相互作用力[6]；(2)采用速度锁定器(俗称制动阻尼器)，限制梁端过大的相对位移[7-9]；(3)局部降低锁定轨温，避免断轨时产生过大断缝。

本文选取以下5种方案进行对比分析。

方案1：全桥铺设常阻力扣件。

方案2：拱桥主跨以及相邻两跨简支梁铺设小阻力扣件，其他铺设常阻力扣件。

方案3：在8号墩、9号墩和14号墩、15号墩处安装速度锁定器，全桥铺设常阻力扣件。

方案4：在8号墩、9号墩和14号墩、15号墩处安装速度锁定器，拱桥主跨以及相邻两跨简支梁铺设小阻力扣件，其他铺设常阻力扣件。

方案5：局部改变锁定轨温，拱桥上锁定轨温取为(26±5) ℃，拱桥主跨以及相邻两跨简支梁铺设小阻力扣件，其他铺设常阻力扣件。

4 计算结果及分析

分别计算了5种方案的桥上无缝线路伸缩力、挠曲力、断缝值以及梁轨快速相对位移，并对计算结果进行了比较和分析。

4.1 伸缩力

升温情况下，5种方案钢轨伸缩力如图3所示，梁轨相对位移如图4所示。

图3 伸缩附加力

图4 梁轨相对位移

从图3、图4中可以看出，方案2设置了小阻力扣件，与方案1相比，梁轨相互作用减弱，和方案3、方案4相比，可以明显的减小钢轨伸缩力，但是会带来较大的梁轨相对位移；方案4比方案3多设置了小阻力扣件，其最大伸缩附加力比方案3减小了30%，最大梁轨相对位移增大了20.7%；方案5改变了其锁定轨温，但是其伸缩附加力和梁轨相对位移和方案2相比并未发生改变，这主要是因为附加力和梁轨相对位移都是由桥梁的伸缩或挠曲产生的，和钢轨温度变化幅度没有关系。

4.2 挠曲力

检算荷载采用中-活载，以方案2作为比较对象，逐跨进行加载，画出其挠曲附加力包络图，如图5所示。

图5 挠曲附加力包络图

由图5可知，最大挠曲附加拉、压力分别为148、170 kN，均为荷载从左向右入桥，荷载长度400 m，车头位于12号桥墩处，因此为最不利的工况，其荷载布置如图6所示。

图6 荷载布置简图

采用图6中最不利挠曲工况进行加载，5种方案的钢轨挠曲力和梁轨相对位移如图7、图8所示。

图7 钢轨挠曲力

图8 梁轨相对位移

从图7、图8中可以看出，方案2设置了小阻力扣件，和方案3、方案4相比，可以明显地减小挠曲力和梁轨相对位移；方案4比方案3多设置了小阻力扣件，其梁轨相对位移比方案3增加了11.5%，挠曲力变化不大；方案5改变了其锁定轨温，但是其挠曲附加力和梁轨相对位移和方案2相比并未发生改变，这也因为附加力和梁轨相对位移都是由桥梁的伸缩或挠曲产生的。

图7中最大挠曲力近250 kN，根据经验，普通简支梁及连续梁桥的挠曲力一般不超过100 kN，由此可见大跨度拱桥挠曲力较大，与伸缩力大小接近，有可能对轨道强度检算起控制作用，因此要重视大跨度拱桥挠曲力的计算。

4.3 断缝值

对于大跨度桥梁，由于《铁路轨道设计规范》(TB 10082—2005)中的公式没有考虑桥上无缝线路附加力、墩台线刚度及相邻股道的影响，采用公式计算出的断缝值(以下称为公式计算法)存在一定的误差，《铁路无缝线路设计规范(送审稿)》建议大跨度桥梁精确计算钢轨断缝值时应进行梁轨相互作用分析(以下称为梁轨相互作用法)。由图3可知，钢轨伸缩附加力较大的地方分别为10号墩台处和13号墩台处，分别假设在这2处断轨，以方案2作为比较对象。分别采用梁轨相互作用法和公式计算法，计算出的钢轨位移如图9所示。

图9 2种工况的断缝值

由图9可知，梁轨相互作用法计算出的断缝值在10号和13号墩台处分别比采用公式计算的结果大59%、56%，与梁轨相互作用法相比，公式计算法较为保守，会低估了上承式拱桥的断缝值。因而，本文计算断缝时拟进行梁轨相互作用分析。在10号墩台处的断缝值为79.2 mm，在13号墩台处的断缝值为77.4 mm，因此，在10号墩台处断轨为较不利工况。用梁轨相互作用法计算5种方案在10号墩台处的钢轨位移计算结果如图10所示。

图10 钢轨位移

从图10中可以看出，方案1铺设常阻力扣件，断缝值为57 mm，方案2设置了小阻力扣件，其断缝值增大为79.2 mm，满足困难条件下取80 mm的要求[10]，比方案1增加了39%。铁道科学研究院曾在行车安全为前提下进行钢轨折断的允许断缝现场试验，试验证实了设置断缝由20 mm扩大至138 mm，未发现因断缝的扩大而使行车安全受到威胁，这也是我国桥梁采用小阻力扣件的理论支持依据。

方案3不设置小阻力扣件，其断缝值为26.3 mm，比方案2减小了67%；方案4既设置速度锁定器，也铺设了小阻力扣件，其断缝值为28.2 mm，比方案3增大了7%，主要是由于方案4增设了小阻力扣件的缘故；方案5降低了锁定轨温，其断缝值降低为67.6 mm，比方案2减小了14.6%，可见降低锁定轨温可以降低断缝值。

4.4 梁轨快速相对位移

由于方案2、方案4和方案5均铺设有小阻力扣件，无需检算制动工况时的梁轨快速相对位移，因此只需对方案1、方案3的制动工况进行计算分析。考虑以下2种工况，车头均位于伸缩附加拉力最大的地方即13号墩台处，制动长度为400 m。工况1：中活载由右向左入桥；工况2：中活载由左向左右入桥，如图11所示。

图11 制动工况荷载布置

2种工况的梁轨快速相对位移分别如图12、图13所示。

图12 工况1梁轨快速相对位移

图13 工况2梁轨快速相对位移

由图12、图13可知，铺设常阻力扣件时，其最大梁轨快速相对位移分别为6.92、6.5 mm，均大于规范4 mm的限值[11]，方案1不满足要求。为了减小梁轨相对位移，铺设速度锁定器后即方案3，其最大梁轨快速相对位移分别为2.77、2.6 mm，均小于规范4 mm的限值，即可满足要求。

4.5 方案比选

为提高线路的平顺度、减小线路设备养护维修工作量，尽量减小钢轨伸缩调节器数量是高速铁路桥上无缝线路设计的一个重要原则之一，采用小阻力扣件是避免采用钢轨伸缩调节器、减少桥梁及无缝线路受力的最有效措施。基于这一原则，本文提出的5个方案均不设置伸缩调节器，如表2所示。方案1梁轨快速相对位移超限，不满足要求，其他4种方案的优良顺序为方案2、方案3、方案5、方案4，推荐采用方案2。

表2 大跨度上承式拱桥上无缝线路铺设方案

5 结论及建议

(1)方案2铺设了小阻力扣件，计算得出的断缝值较大。在日常养护和维修时要加强断缝峰值处的管理和观测，加强钢轨探伤等维护工作，而且在断缝值较大处不得设置钢轨工地焊接接头。

(2)大跨度拱桥的挠曲力与伸缩力大小接近，要重视大跨度拱桥伸缩力的计算。

(3)采用公式计算出的大跨度桥梁断缝值较为保守，对上承式拱桥而言，会低估断缝值，建议大跨度桥梁计算钢轨断缝时，应进行梁轨相互作用分析。

(4)速度锁定器可明显减小制动时的梁轨相对位移及断缝值，但由于其在拱桥上的实际应用较少，缺乏工程经验，建议对其进行深入研究。

(5)降低锁定轨温可以有效地减小断缝值，但是不方便运营和管理，建议在铺设小阻力扣件时严格控制锁定轨温。

(6)采用小阻力扣件是避免采用钢轨伸缩调节器、减少桥梁及无缝线路受力的最有效措施，建议在大跨度桥梁中优先采用。

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