大跨度钢桥梁端无砟轨道结构受力计算分析研究

胡 勇

(中国铁建股份有限公司，北京 100000)

1 国内外大跨度桥梁梁端轨道设计概况

大跨度桥梁受温度、列车等作用，桥梁梁端具有较大的伸缩位移和梁端转角。为降低梁端伸缩位移、梁端转角对轨道结构的影响，并使轨道结构跨越大梁缝，目前国内外大跨度桥梁梁端主要采用梁端伸缩装置、过渡梁的方案。

武汉天兴洲长江大桥采用支撑梁的梁端伸缩装置方案(如图1)，南京大胜关长江大桥采用托梁的钢轨伸缩调节器方案。但武汉天兴洲长江大桥以及南京大胜关长江大桥均为有砟轨道。梁端伸缩装置可保证桥梁伸缩时轨枕间距的均匀性，但无法解决梁端转角引起的无砟轨道扣件上拔力。

武广高铁采用在梁端设置过渡板结构的措施解决大跨度桥梁大梁缝地段无砟轨道设计问题(如图2)。梁端过渡板结构是一个混凝土或钢筋混凝土的微型桥，在桥梁伸缩缝上方支承钢轨。过渡板结构可沿线路纵向水平移动，但不可横向移动。过渡板结构的支座中心线与桥梁上部结构的支座中心线应设计在同一竖直面上。过渡板可有效解决梁端转角对于无砟轨道结构的影响，但无法适应较大的梁端伸缩位移。

图1 武汉天兴洲长江大桥梁端伸缩装置

图2 武广高速铁路梁端过渡板区结构

大跨度钢梁梁端存在较大伸缩位移、梁端转角时，梁端轨道结构设计采用过渡板式梁端伸缩装置，主要结构为过渡板、梁端伸缩装置，采用过渡板减小桥梁转角对轨道的影响，采用梁端抬轨装置适应桥梁梁端伸缩位移。

2 梁端无砟轨道结构受力计算模型及参数

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。传统有砟轨道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。扣件作为无砟轨道的弹性及调整能力的唯一提供者，桥梁因挠曲、徐变等因素引起的梁端变形使梁缝两侧一定范围内扣件产生上拔力和下压力，当扣件上拔力和下压力超过一定限值时，将影响扣件系统的正常使用。因此，梁端变形对无砟轨道的影响主要为轨道扣件系统的受力影响。

由于道床板等下部结构与桥梁连接较为牢固，下部基础连同桥梁可视为结合在一起的一个刚体，梁端发生刚体位移后相当于对扣件系统的支座施加了分布不同的支座位移，由此建立梁端变形对扣件系统受力影响分析模型(如图3)。

图3 梁端变形对扣件系统受力影响分析模型

模型中，钢轨、过渡板、桥梁采用梁单元模拟，扣件采用弹簧单元模拟。扣件间距600mm，扣件系统节点静刚度分别取为35kN/mm和50kN/mm，动静刚度比为1.3。铜陵江特大桥设计按照钢桁梁主桁钢梁悬臂长度为1000mm，相邻简支梁悬臂长度为600mm，梁缝设置宽度850mm，主桁钢梁梁端的伸缩量为±591mm。钢桁梁最大梁端竖向转角为0.958‰，竖向反向(上挠)转角为0.394‰，相邻简支梁梁端转角0.76‰。

3 梁端转角、列车轴重对轨道结构受力影响分析

梁端转角会引起钢轨的偏转或整体下移，钢轨产生的竖向变形通过各个扣件节点进行传递和分配，由此在梁缝两侧一定范围内钢轨支点处产生附加上拔力或下压力。附加上拔力和下压力随着梁端转角大小变化而变化，扣件系统参数和梁端悬臂长度的变化都将对附加上拔力和下压力产生一定的影响。梁端转角引起扣件上拔一般发生在紧邻梁缝的1～5个扣件，对于桥梁中部梁体上的扣件一般不会产生扣件上拔力。结合铜陵江特大桥梁端设置与不设置过渡板时扣件受力情况进行了计算分析。

3.1 梁端不设置过渡板时梁端转角引起的扣件上拔力

工况一:桥梁降温收缩，梁缝可达到最大值1.45 m，扣件刚度取50kN/mm，上拔力计算如表1所示。

工况二:梁缝为0.85m，扣件刚度取50kN/mm，上拔力计算如表2所示。

工况三:桥梁升温伸长，梁缝可达到最小值0.25m，扣件刚度取50kN/mm，上拔力计算如表3所示。

表1 扣件上拔力计算结果 kN

表2 扣件上拔力计算结果 kN

表3 扣件上拔力计算结果 kN

3.2 梁端设置过渡板时梁端转角引起的扣件上拔力

工况四:设置搭梁时，梁缝为0.85m，扣件刚度按最不利取为50kN/mm，上拔力计算如表4所示。

表4 扣件上拔力计算结果 kN

工况五:设置搭梁时，梁缝为0.25m，扣件刚度按最不利取为50kN/mm，上拔力计算如表5所示。

3.3 列车轴重作用下的扣件上拔力

列车轴重荷载作用下并作用在两扣件的中间(此时对于扣件系统的上拔力来讲为最不利位置)，计算扣件系统的上拔力。若轴重250 kN，支点反力(上拔力)为2.5 kN。

表5 扣件上拔力计算结果 kN

3.4 计算结果汇总

通过上述工况的计算分析，得出以下计算规律及结论。

①梁端不设置过渡板时梁端转角引起的扣件上拔力:由于钢梁伸缩变形导致钢梁与相邻桥梁梁缝变化，梁缝变化范围为0.25～1.45 m，若不设过渡梁，对于不同梁缝，在上述梁端转角作用下扣件上拔力最大为16.3 kN，发生在简支梁梁缝处第一组扣件;梁缝越小，梁端转角引起的扣件上拔力越大。

②梁端设置过渡板时梁端转角引起的扣件上拔力:设置过渡板结构，可显著减小梁端转角引起的扣件上拔力，计算得出最大上拔力为3.6 kN;设置过渡板时，梁缝大小对扣件上拔力计算结果的影响很小。

③列车单轮载作用下，引起扣件上拔力:若轴重250 kN，其上拔力约为2.5 kN。

④若不设过渡梁，考虑梁端转角、列车轴重影响，扣件上拔力为18.8 kN，大于常用扣件的初始扣压力18 kN，因此应采用过渡板结构以满足要求。

4 结论与建议

通过上述工况的计算分析，得出以下结论:

(1)大跨度钢桥可采用过渡板式梁端伸缩装置，通过设置过渡板可有效减小桥梁转角对无砟轨道的影响，设置梁端抬轨装置适应桥梁梁端伸缩位移。

(2)大跨度桥梁梁端若不设置过渡板，随着梁体收缩引起梁缝变小，梁端转角引起的扣件上拔力将变大，梁端转角引起的扣件上拔力最大值均发生在梁端第一组扣件位置。

(3)通过设置过渡板结构可显著减小梁端转角引起的扣件上拔力，同时梁体伸缩引起的梁缝大小变化对扣件上拔力的影响很小。

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