桥上无砟轨道纵连板断裂梁轨相互作用分析

钱　程，沈彬然，王　冠，王　平（西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都　610031）

桥上无砟轨道纵连板断裂梁轨相互作用分析

钱程，沈彬然，王冠，王平
（西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都610031）

高速铁路桥上无砟轨道纵连板出现了不同程度的轨道板或底座板开裂甚至断裂。本文采用有限元方法建立线-板-桥-墩一体化计算模型，对纵连板断裂条件下的梁轨相互作用予以分析。结果表明:轨道板断裂后，相邻桥跨及邻线轨道板纵向力变化较小，但断板处底座板的纵向拉力急剧增大，存在底座板断裂的风险；底座板断裂对相邻桥跨及邻线轨道板影响较大，导致轨道板及钢轨受力增大且较大范围内的CA砂浆脱黏；轨道板与底座板同时断裂对梁轨系统的影响最大，致使连续梁上钢轨受力接近其允许限值，应以此确定纵连板所能允许铺设的最大温度跨度；当一线的轨道板、底座板和钢轨均发生断裂时，另一线亦将如此，最终导致桥墩因受力超限而倾斜。

纵连板；梁轨相互作用；断板力；无缝线路

桥上纵连板式无砟轨道有别于传统有砟轨道和桥上单元式无砟轨道，特点是桥上各层结构纵向连续［1-4］，梁轨相互作用更为复杂。具体表现在：底座与梁面设置有摩擦系数较小的滑动层，可以有效减小温度变化和列车荷载所引起的梁轨相互作用力，进而减少轨道和桥梁承受的纵向附加力［5-9］；列车制动力可通过固定支座处的剪力齿槽直接传递至桥梁墩台；台后路基上设置的摩擦板、端刺等结构可起到纵向约束连续底座板的作用；在遭遇极端低温的情况下，轨道板和底座板在内部温度应力的作用下会发生断裂［10-11］。本文对桥上纵连板断裂条件下的梁轨相互作用进行分析，为桥上纵连板式无砟轨道的养护维修提供参考。

1　计算模型

1.1力学模型

桥上纵连板式无砟轨道无缝线路计算模型见图1。模型中考虑钢轨、轨道板、底座板、摩擦板、桥梁、墩台、端刺、扣件系统、乳化沥青砂浆层、两布一膜滑动层、两布摩擦层等部件的纵向作用，分别采用梁单元、杆单元或弹簧单元来模拟，底座板侧向挡块主要约束轨道板和底座板的横向位移、底座板的竖向位移，而允许轨道板、底座板的纵向伸缩，因而可不考虑该部件的影响。沿线路横向可建立单轨、单线和整桥模型。

图1　桥上纵连板式无砟轨道无缝线路计算模型

1.2计算参数

分别以一座5×32.5 m简支梁桥和一座2×32.5 m简支梁+（32.5+48.1+32.5）m连续梁桥+2×32.5 m简支梁桥为例进行分析。后者桥跨及支座布置见图2。

图2　连续梁桥跨及支座布置

计算时选用60 kg/m钢轨。轨道板高为200 mm，宽为2 550 mm，混凝土强度等级为C50。底座板高为200 mm，宽为2 950 mm，混凝土强度等级为C40。每一股道的扣件纵向阻力取为30 kN/m，底座板与桥梁间的摩擦阻力等于摩擦系数乘以单位长度轨道自重。

2　计算结果及分析

计算时假设简支梁在右桥台处发生断板，连续梁在主桥右端发生断板。

2.1轨道板断裂

轨道板断裂钢轨附加纵向力分布见图3，断板线轨道部件位移分布见图4。由图3可见：轨道板断裂后断板线钢轨的附加拉力显著增大，简支梁上钢轨最大附加拉力约为98.7 kN，连续梁上约为105.7 kN；非断板线钢轨附加拉力也有所增大，但增幅较小。由图4可见：轨道板断裂后向两侧回缩，在简支梁上形成的断缝约3.0 mm，连续梁上形成的断缝约3.1 mm，轨道板断缝值不大，主要是由于CA砂浆的黏结阻力较大；断缝附近轨道板与底座板的相对位移较大，简支梁上最大相对位移约1.6 mm，连续梁上约1.7 mm，两板间相对位移＞0.5 mm的长度约6.5 m。这说明一块轨道板范围内的CA砂浆已脱黏，若考虑脱黏范围内黏结阻力降低，则轨道板断缝值还会有所增大，CA砂浆的脱黏范围会加大。可见，轨道板断裂对无砟轨道结构的整体稳定性有较大影响。若要较为准确地计算断板后轨道板与底座板间的脱黏范围则需要考虑建立板间黏结阻力分布的梁轨系统模型，并采用迭代逼近法来求解。

图3　钢轨附加纵向力分布

图4　断板线轨道部件位移分布

轨道板及底座板的纵向力分布见图5，剪力齿槽及桥梁墩台所受纵向力见图6。可见：轨道板断裂后相邻桥跨及邻线轨道板纵向力分布的变化较小，但断板处底座板的纵向拉力急剧增大，说明轨道板断裂释放的纵向力大部分由底座板承担；简支梁上底座板最大纵向拉力约1 606.0 kN，连续梁上约1 729.0 kN，轨道板断裂引起底座板断裂的风险是存在的；轨道板断裂对剪力齿槽及桥墩受力也有一定的影响，但不显著。

当轨道板宽接缝处张拉锁件安装不紧、新旧混凝土黏结不牢时就有可能发生断裂，枕间预留假缝开裂也有可能导致轨道板断裂，更换轨道板时需要人为切断纵连轨道板。这些是桥上纵连板式无砟轨道养护维修中应关注的重点。

图5　轨道板与底座板纵向力分布

图6　剪力齿槽与桥墩纵向力分布

2.2底座板断裂

图7　钢轨附加纵向力分布

图8　断板线轨道部件纵向位移分布

底座板断裂钢轨附加纵向力分布见图7，断板线轨道部件纵向位移分布见图8。可见：因底座板断裂后释放的纵向力更大（降温幅度大于轨道板），因而断板处钢轨的附加拉力增加幅度较轨道板断裂时更大，简支梁上钢轨最大附加拉力约182.7kN，连续梁上约219.9 kN；在简支梁上形成的底座板断缝约15.5 mm，连续梁上约14.8 mm，均较轨道板断裂后的断缝值大，主要是由于底座板断裂释放的纵向力较大且受到的约束阻力要小于轨道板；简支梁上轨道板与底座板的最大相对位移约8.4 mm，相对位移＞0.5 mm的长度约18.2 m；连续梁上轨道板与底座板的最大相对位移约9.0 mm，相对位移 ＞0.5 mm的长度约27.3 m。可见底座板断裂对梁轨系统的影响更大，导致较大范围内的轨道板与底座板脱黏，进而影响纵连板式无砟轨道的竖向稳定性。

轨道板及底座板的纵向力分布见图9，剪力齿槽及桥梁墩台纵向力分布见图10。可见：底座板断裂对相邻桥跨及邻线轨道板、底座板的纵向力分布均有较大影响。轨道板纵向拉力增加幅度较大，简支梁上轨道板最大纵向拉力约1 137.2 kN，是路基上固定区轨道板纵向力的2.1倍，轨道板混凝土拉应力约2.2 MPa；连续梁上轨道板最大纵向拉力约1 175.5 kN，是路基上固定区轨道板纵向力的2.2倍，轨道板混凝土拉应力约2.3 MPa；轨道板混凝土拉应力虽然小于C60混凝土轴心抗拉强度标准值（2.85 MPa），但底座板断裂导致轨道板随之开裂的风险已较大。若断板正好位于轨道板宽接缝处，而同时宽接缝已经发生开裂，则轨道板中的纵向力将全部由6根φ20 mm的精轧螺纹连接钢筋承担，叠加连接钢筋的预紧力后，连续梁上钢筋承受的拉应力可高达782.8 MPa，远超过 HRB500级钢筋的容许抗拉强度（435 MPa），导致此处轨道板发生断裂，形成连锁反应。底座板断裂对剪力齿槽受力有很大影响，简支梁上剪力齿槽所受最大纵向力约559.9 kN，连续梁上剪力齿槽所受最大纵向力约809.4 kN，当设置8排剪力销钉时，剪力齿槽、混凝土及钢筋受力均在容许限度内。总的来看，底座板断裂后对轨道板及钢轨受力均极为不利，也有可能导致较大范围内的 CA砂浆脱黏，应尽可能避免。

图9　轨道板与底座板纵向力分布

图10　剪力齿槽与桥墩纵向力分布

2.3轨道板与底座板同时断裂

轨道板与底座板同时断裂轨道及桥梁各部件的受力与变形见表1。可见：轨道板与底座板同时断裂对梁轨系统的影响较底座板断裂的影响大，较轨道板断裂的影响更大；连续梁温度跨度大于简支梁，因此纵连板断裂时对连续梁的影响更显著；连续梁上轨道板与底座板同时断裂时，钢轨的拉应力达到了198.2 MPa，叠加上列车荷载的动拉应力，接近钢轨的强度允许限值，因此可用作确定纵连式无砟轨道所能允许铺设的最大温度跨度；在其他轨道部件承受了纵连板断裂释放的纵向力后，桥墩所受纵向力变化幅度不大；但是一旦钢轨也发生断裂，则另一线轨道结构将承受2倍的纵向作用力，接着发生纵连板及钢轨的断裂，最终导致桥墩受力超限而倾斜。这是一种链式灾害，也是此种类型无砟轨道在桥梁上铺设时最大风险所在，因此在设计、施工及维护中应予以足够的重视。

表1　轨道板与底座板同时断裂轨道及桥梁各部件的受力与变形

3　结论

1）轨道板断裂断板处钢轨的附加拉力显著增大，非断板处钢轨附加拉力有所增大但增幅较小，轨道板断缝值不大，断缝附近轨道板与底座板的相对位移较大。轨道板断裂相邻桥跨及邻线轨道板纵向力分布的变化较小，断板处底座板的纵向拉力急剧增大，对剪力齿槽及桥墩受力的影响不显著。轨道板断裂对桥上纵连板式无砟轨道结构的整体稳定性有较大影响。

2）与轨道板断裂相比，底座板断裂断板处钢轨的附加拉力增加幅度更大，在简支梁上形成的底座板断缝值更大。底座板断裂对相邻桥跨及邻线轨道板、底座板的纵向力分布均有较大影响，轨道板纵向拉力增加幅度较大，简支梁上轨道板最大纵向拉力是路基上固定区轨道板纵向力的2.1倍，连续梁上轨道板最大纵向拉力是路基上固定区轨道板纵向力的2.2倍。底座板的断裂导致轨道板随之开裂的风险较大。底座板断裂后对轨道板及钢轨受力极为不利。

3）轨道板与底座板同时断裂连续梁较简支梁受到的影响更大，连续梁上，钢轨的拉应力叠加上列车荷载的动拉应力，使得钢轨受力接近其强度允许限值，因此可用以确定纵连式无砟轨道所能允许铺设的最大温度跨度。当一线钢轨断裂，另一线轨道结构接着发生纵连板及钢轨的断裂，导致桥墩受力超限。这种链式灾害是纵连板式无砟轨道在桥梁上铺设时最大风险所在，在设计、施工及维护中应予以足够的重视。

［1］何华武.无砟轨道技术［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［2］刘学毅，赵坪锐，杨荣山，等.客运专线无砟轨道设计理论与方法［M］.成都：西南交通大学出版社，2010.

［3］沈东升.客运专线无砟轨道的技术应用和发展［J］.中国铁路，2009（10）：11-14.

［4］李中华.CRTSⅠ型和CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析［J］.华东交通大学学报，2010，27（1）：22-28.

［5］广钟岩，高慧安.铁路无缝线路［M］.北京：中国铁道出版社，2001.

［6］张未，张步云.铁路跨区间无缝线路［M］.北京：中国铁道出版社，2000.

［7］赵洪波，周群立.简支梁桥上无缝线路梁轨相互作用分析［J］.建筑科学，2010，26（增2）：13-18.

［8］黎国清，庄军生，张士臣，等.高速铁路桥上无缝线路附加力的研究［J］.中国铁道科学，1997，18（3）：15-23.

［9］蒋金洲.桥上无缝线路钢轨附加纵向力及其对桥梁墩台的传递［J］.中国铁道科学，1998，19（2）：67-75.

［10］王庆波，姜子清，司道林.桥上纵连板式无砟轨道相关技术分析［J］.铁道工程学报，2010（5）：9-13.

［11］戴公连，葛浩，邱远喜，等.高铁大跨连续梁桥上无砟轨道断板力研究［J］.华中科技大学学报，2015，43（9）：100-109.

（责任审编李付军）

Analysis on Interaction Between Girder and Rail Under Broking of Ballastless Track Longitudinal Connected Slab on Bridge

QIAN Cheng，SHEN Binran，WANG Guan，WANG Ping
（MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Ballastless track longitudinal connected slab on high-speed railway bridge uses longitudinal continuous paving track plate and base plate and there are cracking or breaking of the track plate and the base plate in different degrees during the actual operation process.T his paper established a Line-Board-Bridge-Pier integrated calculation model through the finite element method to study the girder-rail interaction under the condition of broken longitudinal connected slab.T he results showed that the longitudinal force caused by broken track plate or base plate will be supported by other components of girder-rail system which effects the global stability of longitudinal connected slab ballastless track，the longitudinal force of adjacent bridge span and adjacent track slab changes little while longitudinal force in the place of broken base plate after the track plate breaks，which means there might be some fracture risks of base plate，the fracture of base plate has a great influence on adjacent bridge span and adjacent track slab，which results in increase of track plate and rail force and CA mortar debonding in a wide range，the track plate and base plate breaking at the same time will have the most effect on girder-rail system，rail strength is close to the allowable limit value when the track plate and base plate on continuous girder breaks at the same time，which can be used to determine the maximum allowable temperature span of longitudinal connected slab，the fracture of longitudinal connected slab and rail will happen in the other railway line when the track plate，base plate and rail breaks in one railway line，which will cause the bridge pier tilt due to exceeding force.

Longitudinal connected slab；Girder-rail interaction；Broken plate force；Jointless track

钱程（1991— ），男，硕士研究生。

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.28

1003-1995（2016）07-0114-04

2016-03-11；

2016-04-28

国家杰出青年科学基金（51425804）