活动支座摩阻力对桥上无缝线路力学特性的影响

焦 雷，曲 村，杨志远

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2. 北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；3. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037； 4. 厦门轨道交通集团有限公司，厦门 361000)

随着我国铁路建设事业的发展，以桥代路、节约耕地成为我国铁路重要的设计理念之一，铁路建设中桥梁的比例普遍较高[1-3]。

我国铁路桥梁的基本型式为简支梁桥和连续梁桥。简支梁桥两端的桥墩上一般分别设置一个固定支座和一个活动支座；连续梁桥一般只在中间的一个桥墩上设置固定支座，其余的中间桥墩和边墩上都设置活动支座。由于活动支座处总是存在一定的摩阻力，在温度荷载和列车荷载作用下，会给桥梁、轨道及无缝线路的力学特性带来一些影响[4-11]，可能造成受力与变形增大。

一般说来，桥梁的上部结构为一大质量的整体。理论分析和现场实测表明，上部的桥梁结构在温度荷载、列车竖向荷载和制动荷载的共同作用下会产生平面运动。因此，活动支座处的摩阻力将会通过主梁的传递，对固定支座所承受的作用力产生影响。

目前，我国已陆续制定了《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》(铁建设函〔2003〕205号)、《京沪高速铁路设计暂行规定》(铁建设函〔2004〕157号)、《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函〔2005〕285号)、《铁路轨道设计规范》(TB 10082—2017)、《新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设〔2007〕47号)、《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)、《铁路无缝线路设计规范》(TB 10015—2012)、《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)等，这些规范在不同的时期规定了桥上无缝线路纵向力计算及结构设计方法，反映了我国桥上无缝线路的发展历程。

但由于现有的铁路设计规范中对活动支座处的摩阻力并没有特殊的规定，因此在进行常规的理论仿真分析时一般不考虑活动支座处摩阻力的影响，仅考虑固定支座所在桥墩沿桥纵向与梁体固结，然而，这种算法上的简化可能会使温度和车辆荷载作用下桥上无缝线路计算结果产生比较大的偏差。为更加真实地反映实际情况，参考国外规范的要求[12-13]，在分析温度荷载和车辆荷载对桥上无缝线路的作用时，应该考虑活动支座对桥梁墩台的摩擦作用。为此，本文对活动支座摩阻力对梁轨相互作用的影响进行了研究，分析了考虑摩阻力后相关参数对梁轨相互作用的影响。

本文通过建立考虑活动支座摩阻力和不考虑活动支座摩阻力的两种铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路精细化空间耦合仿真模型[14-16]，研究活动支座处摩阻力对梁轨相互作用的影响，并对今后分析桥上无砟轨道无缝线路结构时是否考虑活动支座处的摩阻力提供建议和参考依据。

1 模型建立和参数选取

本文以铺设CRTS Ⅰ 型板式无砟轨道结构长大桥梁((60+100+60)m连续梁)为例进行计算分析，两侧各考虑5跨32 m简支梁作为辅助跨，并且建立了相似参数的双块式和CRTS Ⅱ 型板式无砟轨道结构长大桥梁仿真模型[17-18]，计算并进行了对比验证。

1.1 模型主要部件组成

在温度荷载和列车荷载作用下，铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构主要由钢轨、纵向传力机构(包括扣件)、CRTSⅠ型板式无砟轨道结构(包括轨道板、凸形挡台、树脂填充层、砂浆层、底座板等)、桥梁结构(包括梁体、桥墩)等部件组成。本文对各部件利用有限元模型分别进行模拟，所建立的铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路有限元模型如图1所示。铺设双块式和CRTSⅡ型板式无砟轨道的桥上无缝线路有限元模型如图2所示。桥梁模型示意如图3所示。

图1 铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路有限元模型

图2 铺设双块式和CRTSⅡ型板式无砟轨道的桥上无缝线路有限元模型

图3 桥梁模型示意

1.2 单元模拟和参数选取

(1) 钢轨主要考虑其承受温度变化和车辆竖向及制动荷载的作用，采用梁单元进行模拟。

(2) 扣件主要考虑其限制钢轨位移与变形的作用，采用弹簧单元进行模拟。

(3) 轨道板、凸形挡台、树脂填充层、CA(水泥沥青)砂浆层和底座板等主要考虑其外形尺寸和材料属性，均采用实体单元进行模拟，其中，轨道板的混凝土强度等级为C60；凸形挡台采用C40级混凝土，半径为260 mm；树脂填充层厚度为40 mm，弹性系数取10±2 kN/mm；CA砂浆层厚度为50 mm；底座板采用C40级混凝土。

(4) 桥梁主要考虑其外形尺寸和材料属性，采用实体单元进行模拟，桥墩采用弹簧单元进行模拟。

1.3 活动支座处的摩阻力系数

考虑活动支座处的摩阻力系数分别取为0、0.005、0.01、0.02和0.04，基本上可以包括所有类型支座的摩阻力系数。

2 活动支座摩阻力影响分析

2.1 温度荷载作用影响分析

计算工况：以钢轨降温 50 ℃ 为例，轨道板、底座板参照最新规范考虑降温 30 ℃，桥梁也考虑适宜的温度荷载[19]。在考虑活动支座摩阻力系数分别为0、0.005、0.01、0.02、0.04的情况下，梁轨相对位移如图4所示，钢轨伸缩附加力如图5所示；温度荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果如表1所示。

图4 梁轨相对位移1

图5 钢轨伸缩附加力

表1 温度荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果

分析图4、图5和表1可知，在温度荷载作用下，随着活动支座摩阻力系数由0至0.04逐渐增大，梁轨相对位移和桥梁伸缩位移有所减小，说明活动支座摩阻力在一定程度上限制了梁轨的变形；钢轨伸缩力略有减小；无砟轨道各部件(包括轨道板、凸形挡台和底座板)受到的应力基本不变；长大连续梁固定支座所在桥墩的纵向力明显增大，两侧作为辅助跨的简支梁固定支座所在桥墩的纵向力明显减小。对比模型计算得到的规律与此相同。说明在温度荷载作用下，活动支座处的摩阻力对轨道结构的受力影响较小，而对所在桥梁墩台的纵向力影响较大。

2.2 列车竖向荷载作用影响分析

计算工况：列车竖向荷载采用0.8UIC活载即ZK标准荷载，不考虑列车速度系数的冲击作用。在考虑活动支座摩阻力系数分别为0、0.005、0.01、0.02、0.04的情况下，梁轨相对位移如图6所示，钢轨挠曲附加力如图7所示；列车竖向荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果如表2所示。

图6 梁轨相对位移2

图7 钢轨挠曲附加力

表2 在列车竖向荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果

分析图6、图7和表2可知，在列车竖向荷载作用下，随着活动支座摩阻力系数由0至0.04逐渐增大，钢轨垂向位移略有减小，但幅度不大；梁轨相对位移变化不大；桥梁跨中挠度也略有减小；钢轨挠曲力略有增大；无砟轨道部分部件(包括轨道板和底座板)受到的应力略有增大，而凸形挡台受到的应力略有减小；桥梁支座受力逐渐增大。对比模型计算得到的规律与此相同。说明活动支座摩阻力对上部轨道结构的受力与变形影响较小，对桥梁墩台的纵向力影响较大。

2.3 列车制动力作用影响分析

计算工况：列车竖向荷载不变，轮轨黏着系数取为0.164[20]。在考虑活动支座摩阻力系数分别为0、0.005、0.01、0.02、0.04的情况下，梁轨相对位移如图8所示，钢轨制动附加力如图9所示；列车制动力作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果如表3所示。

图8 梁轨相对位移3

表3 列车制动力作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果

分析图8、图9和表3可知，在列车制动力作用下，随着活动支座摩阻力系数由0至0.04逐渐增大，梁轨相对位移有所减小；桥梁纵向位移逐渐减小；钢轨受到的制动力、无砟轨道各部件(包括轨道板、凸形挡台和底座板)受到的应力都有所减小；桥梁支座纵向力明显减小。对比模型计算得到的规律与此相同。说明活动支座处的摩阻力对轨道结构和桥梁结构的受力与变形都有一定的约束作用，而在铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路的设计和仿真计算中，不考虑活动支座处存在的摩阻力也是偏于安全的。

图9 钢轨制动附加力

3 结论

本文通过建立铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的精细化空间耦合仿真模型及对比模型，分析了活动支座处的摩阻力对轨道结构和桥梁结构的受力与变形的影响，得到以下结论：

(1) 在温度荷载作用下，活动支座处的摩阻力在一定程度上限制了轨道与桥梁结构的变形，对上部轨道结构的设计影响不大，但对桥梁墩台的纵向力有一定影响，长大连续梁固定支座所在桥墩的纵向力明显受其影响，设计可能会产生较大的偏差。因此，在今后的桥梁设计中，建议在连续梁的设计中选用抗纵向变形能力较大的固定支座。

(2) 在列车竖向荷载作用下，活动支座处的摩阻力对上部轨道结构的受力与变形影响较小，只是影响了桥梁固定支座所在桥墩的纵向受力，设计也可能会产生较大的偏差。因此，在以后的桥梁设计中，也建议选用抗纵向变形能力较大的固定支座。

(3) 在列车制动力作用下，活动支座处的摩阻力对轨道结构和桥梁结构的受力与变形都有一定的约束作用，因此在铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路的设计和仿真计算中，不考虑活动支座处的摩阻力是偏于安全的。

(4) 简支梁桥两端的桥墩上一般都分别设置一个固定支座和一个活动支座，从整体上讲，是否考虑活动支座摩阻力，桥墩提供的总刚度都不变，所以影响不大；连续梁桥一般只在中间的一个桥墩上设置固定支座，其余的中间桥墩和边墩上都设置活动支座，桥墩刚度未被计入，所以在后续研究中，还应重点考虑长大连续梁桥的活动支座摩阻力对梁轨间纵向力传递的影响。