桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向力学特性研究

郭 杰,王森荣,3,杨荣山

(1.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； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

无砟轨道具有一系列优点，如高稳定性、高平顺性以及少维修等，因而，广泛地应用于高速铁路无缝线路中[1-2]。伴随着高速铁路运营里程逐年增加，我国隧道建设也取得突破进展，其里程亦逐年增加[3-4]。预计到2030年，我国铁路隧道建设将迎来新的里程碑，总里程将突破3万km[5]。由于无砟轨道结构高度较有砟轨道低，可在一定程度上减少隧道开挖断面面积并减少维修工作量，故无砟轨道结构已成为隧道段铁路优选的轨道结构方案[6]。

桥上无缝线路因特殊的纵向力学作用关系而备受设计、施工和运维人员的重视，国内外学者对此进行了大量研究[7-10]。饶惠明[11]对桥隧过渡段轨温和钢轨横向变形进行测试，表明桥隧过渡段钢轨存在“碎弯”现象，钢轨“碎弯”最大波幅为2 mm，波长为4倍扣件间距；曾志平等[12-13]对桥隧过渡段轨温与钢轨纵向位移进行测试，得到了轨温和钢轨纵向位移的分布规律，并研究了钢轨纵向位移影响因素；于向东等[14]研究了拱桥和隧道过渡段的钢轨温度力和钢轨纵向位移的分布特征，研究表明钢轨纵向力学特性受钢轨温差影响较大；还有学者对隧道内外气温和轨温进行测试和分析[15]。我国长期的铁路运营实践和监测结果表明，隧道洞口一般存在10～50 m的气温过渡段[16]。

以上研究主要测试和分析了桥隧过渡段轨温和气温，对桥隧过渡段无缝线路尤其是无砟轨道无缝线路纵向力学特性研究较少，尚无对桥隧过渡段CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路纵向力学特性的研究。为弥补这一研究不足，对笔架山隧道内外进行了为期2年的气温监测，并建立桥隧过渡段CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路纵向力学有限元计算模型，分析桥隧过渡段CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路纵向力学特性影响因素，以期为桥隧过渡段无砟轨道无缝线路设计和维护提供一定理论依据。

1 隧道气温监测

1.1 气温监测点布置

笔架山隧道洞口附近气温监测共布置8个气温监测点，见图1。其中，在隧道洞口外1 m和隧道洞口处各布置1个气温监测点以监测隧道洞口外气温，隧道内300 m范围内每50 m布置1个气温监测点以监测隧道内的气温。气温监测设备采用Davis气象站，其温度监测范围在-40～60 ℃，误差不超过0.5 ℃。

1.2 监测结果分析

监测时间约为2年，数据庞大。由于隧道内部50 m外各监测点气温相差不大，隧道洞口外10 m与隧道洞口监测点气温也相差不大，且长期的现场监测和实践结果表明，8:00和14:00一般分别为一天气温的最低值和最高值，故为使叙述简明扼要，仅分析隧道洞口外10 m、隧道内50 m处和隧道内250 m处8:00和14:00的监测结果。8:00和14:00隧道内外气温见图2、图3。将隧道外10 m的气温减去隧道内50 m的气温得到隧道内外气温差，见图4。

图3 14:00隧道内外各测点气温

图4 隧道内外气温差

由图2～图4可知，笔架山隧道内外气温随季节呈周期变化。监测时间内，笔架山隧道最高和最低气温分别为43 ℃和-14 ℃。隧道外10 m气温波动幅值较大，隧道内250 m处气温波动幅值较小，表明越往隧道内部，气温波动越小。夏季隧道外气温高于隧道内，表现为，气温差为正值，冬季则相反，且夏季14:00气温差最大，最大气温差为23 ℃左右。

为得到隧道洞口气温过渡段长度，以隧道洞口外10 m气温最高一天的14:00气温为例，隧道内外各监测点气温见图5。

图5 14:00各监测点气温

由图5可知，从隧道外10 m至隧道内250 m距离内，笔架山隧道最高和最低气温分别为43 ℃和18 ℃，隧道内外气温差为25 ℃。从隧道洞口至隧道内50 m的距离内，气温由42 ℃下降至20 ℃，下降了22 ℃之多，而从隧道内50 m至200 m这150 m的距离内，气温下降至18 ℃，仅下降了2 ℃，表明超过隧道洞口50 m后，气温下降非常缓慢。隧道内150 m后，气温不再变化。可知，笔架山隧道气温过渡段长度为50 m。

2 有限元模型及温度荷载

2.1 有限元模型

模型中，钢轨、轨道板和梁体采用梁单元模拟，扣件纵向阻力采用非线性弹簧单元模拟，极限位移为2 mm，极限纵向阻力为24 kN/m/轨[17]。树脂视为仅受压纵向传力部件，采用非线性弹簧单元模拟，其刚度为80 kN/mm[18]。CA砂浆的纵向阻力采用非线性弹簧单元模拟，其值为6.3 kN/m，极限位移为0.2 mm[19-20]。桥台纵向刚度为3 000 kN/cm，简支梁固定墩水平刚度为350 kN/cm[17]。桥上过渡段CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路纵向力学模型见图6。

图6 桥隧过渡段CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路纵向力学模型

以5×32 m简支梁为研究对象，桥梁左侧路基段长100 m，右侧隧道长150 m，模型总长约415 m。桥梁固定墩在左侧，活动墩在右侧。隧道过渡段长50 m。有限元模型分为3个区段，隧道洞口外路基与桥上高温区、隧道洞口处气温过渡段和隧道内低温区。

2.2 温度荷载

由1.2节监测结果可知，隧道内外最大气温差为23 ℃，而最高轨温比最高气温高20 ℃，且隧道内轨温与气温相差不大[16]。为考虑更不利工况，隧道内外最大钢轨温差取45 ℃。隧道洞口外最高轨温取60 ℃，超过隧道过渡段50 m后最大轨温取15 ℃，过渡段轨温则按线性变化。结合既有研究[14]，隧道内外轨道板最大温差取20 ℃，由于隧道内一般不考虑轨道结构温度作用，故超过隧道过渡段50 m后不考虑轨道板温差作用，过渡段轨道板温差按线性变化。温度荷载计算工况有2种，见表1，工况1不考虑隧道内外温差。

表1 温度荷载工况 ℃

3 计算结果及分析

3.1 隧道内外温差影响

工况1和工况2荷载作用下钢轨纵向位移和桥上钢轨附加纵向力分别见图7、图8。

图7 桥隧过渡段钢轨纵向位移(不同温度荷载工况)

图8 桥上钢轨附加纵向力(不同温度荷载工况)

由图7、图8可知，工况1即不考虑隧道内外温差时，钢轨最大纵向位移出现在第3跨简支梁处，为2.94 mm。工况2考虑隧道内外温差时钢轨纵向位移由第1跨梁至第5跨梁逐渐累积增大，钢轨最大纵向位移出现在第5跨简支梁处，为4.32 mm，较工况1增大46.9%，表明隧道内外温差导致钢轨纵向位移显著增大。由钢轨纵向位移分布特征可知，高温季节临近隧道洞口简支梁上的钢轨爬行量较大，应加强对此处钢轨爬行量监测。

工况1和工况2钢轨最大附加力出现位置一样，但量值不同，两种工况下钢轨最大附加拉力分别为163.5 kN和172.5 kN，工况2较工况1增大5.5%，钢轨最大附加压力分别为173.3 kN和119.2 kN，工况2较工况1减小31.2%。由于钢轨附加拉力有所增大，故在桥隧过渡段无砟轨道无缝线路设计时应考虑隧道内外温差影响。

3.2 过渡段长度影响

隧道洞口过渡段长度与隧道长度、方向和通风条件有关，一般为10～50 m。为分析过渡段长度l对无砟轨道无缝线路纵向力学特性的影响，过渡段长度分别取25，50，75，100 m。工况2荷载作用下钢轨纵向位移和桥上钢轨附加纵向力分别见图9、图10，各计算项目最值汇总见表2。

图9 桥隧过渡段钢轨纵向位移(不同过渡段长度)

图10 桥上钢轨附加纵向力(不同过渡段长度)

表2 计算结果汇总(不同过渡段长度)

由图9、图10和表2可知，随着过渡段长度增大，钢轨最大纵向位移逐渐减小，但减小速度逐渐变慢，钢轨最大纵向位移逐渐由第5跨简支梁向中间跨简支梁移动，表明钢轨纵向位移累积效应逐渐减弱。过渡段长25 m的钢轨最大纵向位移为过渡段长100 m的2倍，表明隧道洞口过渡段长度越短，钢轨爬行量越大。故对于过渡段长度较短的隧道，高温季节越应加强对临近隧道洞口简支梁上的钢轨爬行量监测。

随着过渡段长度增大，钢轨最大附加拉力逐渐减小，而钢轨最大附加压力增大，且过渡段长度对钢轨附加压力影响较钢轨附加拉力显著。过渡段长度越长，钢轨附加压力越大，但增大速度逐渐变慢，过渡段长度为100 m的钢轨最大附加压力为过渡段长25 m的2倍。

3.3 扣件阻力影响

为分析不同扣件纵向阻力对桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向力学特性的影响，过渡段范围内扣件纵向阻力r取8～24 kN/m/轨，其他区域扣件纵向阻力为24 kN/m/轨。过渡段长度为50 m，荷载仍取工况2，不同扣件纵向阻力时钢轨纵向位移和桥上钢轨附加纵向力分别见图11、图12，各计算项目最值汇总见表3。

图11 桥隧过渡段钢轨纵向位移(不同扣件纵向阻力)

图12 桥上钢轨附加纵向力(不同扣件纵向阻力)

表3 计算结果汇总(不同扣件纵向阻力)

由图11、图12和表3可知，随着扣件纵向阻力增大，钢轨最大纵向位移和最大附加拉力逐渐减小，但减小速度逐渐变慢，钢轨最大附加压力则逐渐增大。扣件纵向阻力对钢轨最大纵向位移和最大附加压力影响显著，扣件纵向阻力由8 kN/m/轨增大至24 kN/m/轨时，钢轨最大纵向位移和最大附加压力分别减小1.5倍和增大2.31倍，变化显著。

4 结论

通过对笔架山隧道内外进行2年的气温监测，得到隧道内外气温分布规律，并建立桥隧过渡段无砟轨道无缝线路纵向计算模型，分析了桥隧过渡段纵向力学特性影响因素，得出以下结论。

(1)笔架山隧道最高和最低气温分别为43 ℃和-14 ℃，隧道内外最大气温差为23 ℃，隧道气温过渡段长50 m。

(2)考虑隧道内外温差时钢轨纵向位移显著增大，高温季节应加强对临近隧道洞口简支梁上钢轨爬行量监测，钢轨附加拉力有所增大，在桥隧过渡段无砟轨道无缝线路设计时应考虑隧道内外温差影响。

(3)隧道过渡段长度和扣件纵向阻力对钢轨纵向位移和钢轨附加压力影响显著，钢轨纵向位移随过渡段长度和扣件纵向阻力增大而显著减小，钢轨附加压力则随过渡段长度和扣件纵向阻力增大而显著增大。