桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道底座张拉纵连模拟分析

刘永存

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线站处，武汉 430063)

博格板式无砟轨道源于德国，经吸收、改进后形成了CRTSⅡ型板式无砟轨道［1］。其中桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构具有以下特点。

(1)桥上底座不受桥跨的限制，为跨越梁缝的纵向连续结构，桥上的轨道板与路基、隧道内的一致，均为标准轨道板，利于工厂化、标准化生产，便于质量控制，同时简化轨道板的安装和铺设。

(2)底座在每孔桥梁固定支座上方，通过预设齿槽、锚固螺栓以保证其和桥梁间纵向的可靠连接，其余部位梁面设置“两布一膜”滑动层，以减少底座和桥梁间相互作用。

(3)梁缝前后3.1 m范围的梁面上铺设5 cm厚硬质泡沫塑料板，以减小梁端转角对无砟轨道结构受力的影响。

(4)底座两侧设置侧向挡块进行横向限位。

(5)台后路基上设置摩擦板、端刺，使桥上纵向力不影响端刺以外路基上的轨道结构［2-4］。

CRTSⅡ型板式无砟轨道作为一种新型轨道结构，桥上纵连的底座是主要承重构件，是影响结构安全性的重要因素，其施工质量必须得到保证。一方面，如果底座施工时混凝土浇筑段和后浇带设置不当，使得张拉时将桥墩拉歪，将给桥梁的安全带来隐患;另一方面，如果底座锁定板温和张拉量设置不当，轻则底座开裂，重则梁轨之间相互作用力增大，影响无砟轨道使用寿命［5］。本文就CRTSⅡ型板式无砟轨道底座施工过程进行模拟，分析各阶段底座、桥梁系统受力，为现场施工提供指导。

1 底座施工概述

长大桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道底座无法一次施工完成，一般划分成几个施工段，施工段的位置及长度根据桥梁桥跨类型、施工组织能力和施工组织方案确定［6-7］。一般一个施工段长度为4～5 km，施工段的首尾位置应设置端刺或临时端刺，临时端刺长约800 m，端刺或临时端刺之间为常规区［8-9］。CRTSⅡ型板式无砟轨道底座施工工艺分以下步骤:

施工单元划分→测量各浇筑段板温和长度，计算张拉值→底座钢筋的张拉与连接→后浇带混凝土施工［10-11］。

2 模型建立

由于底座从浇筑、张拉到锁定涉及到多道施工工序，每道工序中底座的结构特点和受力体系均不一样，因此，必须针对各道工序建立不同的模型，以确保模拟的正确性。另外，由于理论计算时，模型的建立是以某个时间点来进行建模的，而实际过程中底座的浇筑、张拉和纵连是一个连续的过程，因此底座内钢筋和混凝土的应力变化过程也是一个连续的过程。根据CRTSⅡ型板式无砟轨道底座施工特点，板－桥－墩系统纵向力的计算可以采用轨道－桥梁一体化有限元模型进行计算，如图1所示。该模型主要功能为计算底座施工过程中系统的纵向力和位移，包括底座、桥梁、桥墩、固结机构的纵向受力和位移。建模时底座、桥梁采用梁单元进行模拟，滑动层、固结机构则模拟成弹簧单元，将两层梁连接成整体。

图1 板-桥-墩一体化模型

3 底座张拉纵连受力分析

由于CRTSⅡ型板式无砟轨道底座全桥纵连，使得桥上底座具有无缝线路同样的特点，为控制底座温度应力变化幅度，避免产生失稳、断板等现象，需将桥上底座在锁定温度范围内锁定。当底座温度低于或高于锁定温度时，需通过张拉或降温来实现锁定。

针对底座施工过程中各个阶段的受力特点，当底座按“新建临时端刺+常规区+新建临时端刺”来进行施工时，将其按以下6个步骤对板－桥－墩系统进行模拟和分析。

(1)浇筑底座混凝土浇筑段。

(2)将临时端刺区用手连接成整体。

(3)张拉与临时端刺区相邻的两个BL1后浇带。

(4)张拉连接 K0、Jl、J2、J3 后浇带。

(5)张拉常规区剩余的BL1后浇带。

(6)底座锁定，常规区演变成为底座一部分。

为研究底座从浇筑、张拉到锁定整个施工流程中系统的受力及变形，分析时采用如下参数:桥上为Ⅱ型板，位于直线平坡地段。桥跨布置为100-32 m简支梁。其中1～25、76～100孔简支梁上为新建临时端刺区，26～75孔简支梁区域为常规区，桥墩线刚度均取800 kN/cm。底座和桥梁之间摩擦系数为0.3，底座现场实测温度19.2℃，锁定板温TS=25℃，底座刚度折减系数取1。

3.1 浇筑底座混凝土浇筑段

该阶段BL1后浇带均处于断开状态。临时端刺区混凝土浇筑段为自由混凝土浇筑段，而常规区混凝土浇筑段则关于混凝土中部先期浇筑的BL2对称，温度荷载作用下均将自由伸缩。温度变化幅度取－5.8℃，此时底座受力如图2所示。

图2 自由伸缩下底座受力曲线

从图2可知:常规区底座受力在剪力齿槽处产生突变，突变值为固结机构受力。自由伸缩阶段，底座处于断开状态且常规区混凝土浇筑段关于先期浇筑的BL2后浇带对称，墩台及固结机构受力均很小。

自由伸缩下底座和桥梁间纵向受力简单，只有摩擦力，可以通过手工计算对程序进行检算。由于混凝土浇筑段较短，整个浇筑段将处于伸缩区，以LP1为例，若不考虑桥梁温度变化以及墩台线刚度的影响，则底座和桥梁间摩擦力为

程序计算所得LP1中底座和桥梁间摩擦力极值为410 kN，和手工计算结果接近，从而验证了程序的正确性。

3.2 用手将临时端刺区连接成整体

临时端刺区连接成整体后将具备初步的承载能力，可以为底座张拉提供反力。温度变化幅度取－5.8℃，此时底座受力如图3所示。

图3 底座受力曲线(一)

用手将临时端刺区连接起来后，临时端刺将整体受力，但由于钢板连接器后浇带(BL1)并未浇筑和张拉，此阶段底座仍处于自由伸缩状态。若不考虑桥梁温度变化以及墩台线刚度的影响，当底座温度变化幅度取－5.8℃时，底座温度力为

由于伸缩区长度

临时端刺区将部分位于伸缩区，部分位于固定区。程序计算所得临时端刺区底座和桥梁间摩擦力极值为925 kN，和手工计算结果接近。

3.3 张拉与临时端刺区相邻的两个BL1后浇带

取底座现场实测温度为19.2℃，张拉量为:Wc=9.3 mm。此时底座受力如图4所示。

图4 底座受力

底座张拉采用后浇带升温来模拟，等效于在后浇带处施加一集中力。张拉后底座将出现应力集中，同时该处墩台和固结机构受力也将随之增大。应注意张拉时整个断面需均匀张拉，同时避免滑动层褶皱，否则张拉时影响范围减小，造成浇筑段局部拉长，应力过于集中，导致端部混凝土拉裂。当底座温差较大时，钢筋连接器后浇带不能通过一次张拉缩短到计算值。必须每隔24 h重复张拉一次，直到达到最终的宽度。每次张拉都要对每个钢筋连接器后浇带的张拉量和总的张拉量以及实际需要达到的张拉量进行记录。根据纵连时底座温度T所处区间，需要纵连张拉的最少次数和时间间隔如表1所示。

表1 纵连张拉的最少次数和时间间隔

3.4 张拉连接临时端刺区K0、Jl、J2、J3后浇带钢筋

取底座现场实测温度为19.2℃，张拉量为:Wk0=11 mm，WJ1=12.8 mm，WJ2=9.3 mm，WJ3=3.1 mm。张拉后底座受力如图5所示，张拉后临时端刺区受力呈锯齿状，需经过一段时间应力才能达到均匀状态。根据纵连时底座温度所处区间，底座应力均匀所需等待时间见表2。

图5 底座受力曲线(二)

表2 底座应力均匀所需等待时间

3.5 张拉常规区剩余的BL1后浇带

取底座现场实测温度为19.2℃，张拉量为:Wc=9.3 mm。张拉后底座受力如图6所示。

图6 底座受力曲线(三)

常规区BL1张拉完毕后，施工段底座张拉结束。通过张拉，底座中的受力状态同底座由锁定板温降至19.2℃时受力状态一致，如图7所示。当底座温度上升至锁定板温时，底座受力为0，从而达到预定效果。张拉曲线中BL1后浇带附近底座混凝土应力集中，成锯齿状，需经过一段时间后应力才能够均匀。而降温曲线中由于温度力为分布力，因此底座受力均匀。

图7 底座降温和底座张拉工况下底座受力对比

3.6 底座锁定

张拉完成后随即浇筑常规区BL1后浇带及K0、J1后浇带混凝土，常规区BL2后浇带需待底座中应力均匀后浇筑。锁定后底座受力如图8所示。

图8 锁定后底座受力曲线

通过锁定，常规区成为底座一部分，底座施工完成。底座纵连后，常规区BL2后浇带应该尽快的进行浇筑。但当纵连在底座温度小于锁定温度的情况下进行时，必须待混凝土浇筑段内应力均衡后才能浇筑。等待时间如表3所示。

表3 后浇带能浇筑所需等待时间

4 结论

利用Ansys软件建立板－桥－墩系统纵向力计算模型，分析了底座从浇筑、张拉再到锁定整个过程中的受力与变形，研究结论如下。

(1)底座锁定板温对于控制底座温度应力变化幅度，避免产生失稳、断板等问题有着至关重要的作用，因此需将桥上底座在锁定温度范围内锁定。当底座温度低于或高于锁定温度时，需通过张拉或降温来实现锁定。

(2)张拉后底座将出现应力集中，应注意张拉时整个断面需均匀张拉，同时避免滑动层褶皱，否则张拉时影响范围减小，造成浇筑段局部拉长，应力过于集中，导致端部混凝土拉裂。

(3)当底座与锁定板温相差较大时，钢筋连接器后浇带不能通过一次张拉缩短到计算值。必须每隔24 h重复张拉一次，直到达到最终的宽度。每次张拉都要对每个钢筋连接器后浇带的张拉量和总的张拉量以及实际需要达到的张拉量进行记录。

(4)当底座温度小于锁定板温时，BL2后浇带必须待混凝土浇筑段内应力均衡后方能浇筑。

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