徐 浩 喬建春 林紅松 蔡文鋒

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

近年來(lái)，隨著我國(guó)山區(qū)鐵路的建設(shè)和發(fā)展，出現(xiàn)了大量新型特殊橋梁結(jié)構(gòu)，如拱橋、斜拉鋼桁梁橋、大跨度連續(xù)鋼桁梁橋等。由于鐵路面臨氣溫變化大、日溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)等復(fù)雜服役環(huán)境，橋梁橡膠支座容易發(fā)生老化損壞[1-2]，因此需通過(guò)定期更換支座來(lái)保證鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。更換支座需頂升橋梁[3]，必然會(huì)對(duì)橋上軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，尤其是當(dāng)橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道無(wú)縫線路時(shí)，支座更換將產(chǎn)生較大的鋼軌應(yīng)力，研究橋梁支座更換對(duì)橋上無(wú)砟軌道的影響十分必要。

目前，關(guān)于橋梁支座更換對(duì)橋上軌道影響的研究較少，閔子權(quán)[4-5]等人通過(guò)建立軌道-橋梁一體化力學(xué)模型，分析了連續(xù)箱梁更換橋梁支座對(duì)鋼軌受力的影響，并提出了更換支座的扣件松開范圍。高常亮[6]根據(jù)不同橋梁頂升的方法，建立了橋上無(wú)縫線路三維力學(xué)模型，研究了連續(xù)梁和簡(jiǎn)支橋梁頂升對(duì)軌道的影響，提出了橋梁更換支座的頂升方式和扣件松開范圍。宋福[7]等人研究了簡(jiǎn)支箱梁支座更換對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的影響，提出為避免對(duì)橋上軌道系統(tǒng)造成不利影響，施工頂升高度應(yīng)控制在5 mm以下。上述研究主要針對(duì)混凝土簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁，目前仍未有針對(duì)大跨度連續(xù)鋼桁梁橋上節(jié)間縱梁支座更換對(duì)橋上軌道影響的研究。

本文通過(guò)建立軌道-橋梁一體化計(jì)算模型，研究了節(jié)間縱梁頂升高度及扣件松開范圍對(duì)軌道系統(tǒng)受力的影響規(guī)律，提出了孟加拉帕德瑪大橋節(jié)間縱梁支座更換扣件松開范圍的建議，可為相關(guān)工程的養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

1 工程概況

孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線為客貨共線鐵路，貨車最大軸重為25 t。該線的重點(diǎn)控制工程孟加拉帕德瑪大橋?yàn)?6×150) m一聯(lián)的大跨度連續(xù)鋼桁梁橋，每150 m由8個(gè)節(jié)間組成，每個(gè)節(jié)間長(zhǎng)18.75 m，節(jié)間縱梁長(zhǎng)15.9 m，下橫梁寬2.8 m。節(jié)間縱梁通過(guò)牛腿支撐在下橫梁上，節(jié)間縱梁與牛腿之間設(shè)置橡膠支座。孟加拉帕德瑪大橋的節(jié)間縱梁及支座布置如圖1所示。帕德瑪大橋?yàn)楣F兩用橋，上層為公路，下層為鐵路。由于鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜，節(jié)間縱梁下的橡膠支座需定期更換。節(jié)間縱梁支座更換時(shí)，需頂升節(jié)間縱梁。根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)方案，擬在下橫梁左右兩側(cè)同時(shí)頂升節(jié)間縱梁，節(jié)間縱梁最大頂升高度為10 mm。孟加拉帕德瑪大橋下橫梁及節(jié)間縱梁上設(shè)有橋面板，橋面板為預(yù)制結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)2 m左右，橋面板通過(guò)剪力釘與下橫梁和節(jié)間縱梁連接。孟加拉帕德瑪大橋在無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)時(shí)已開工建設(shè)，受結(jié)構(gòu)高度、軌道二期恒載的限制，橋上擬采用道床板與橋面板相結(jié)合的長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)[8]，每個(gè)節(jié)間上軌道結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖1 節(jié)間縱梁及支座布置圖(m)

圖2 每個(gè)節(jié)間上軌道結(jié)構(gòu)布置示意圖

2 軌道系統(tǒng)受力分析

2.1 計(jì)算模型

由于孟加拉帕德瑪大橋橋上采用道床板與橋面板相結(jié)合的長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道的道床板與橋面板之間采用4列“門型鋼筋”加強(qiáng)連接，可視為剛性連接，橋梁的微小變形將直接作用于無(wú)砟軌道的扣件系統(tǒng)[9-10]。為此，本文將橋梁和長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道的道床結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)整體，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型圖

模型中，鋼軌及等效橋梁均以中性軸位置建立，用剛臂單元模擬等效橋梁上、下翼緣距中性軸的距離。鋼軌采用點(diǎn)支撐的梁?jiǎn)卧M，扣件的垂向變形采用非線性彈簧單元模擬，彈簧間距為扣件節(jié)間間距，非線性彈簧的曲線采用扣件剛度曲線。孟加拉帕德瑪大橋的下橫梁固定，通過(guò)約束下橫梁的縱橫向位移來(lái)模擬。為消除模型邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在模型兩端分別建立100 m長(zhǎng)的鋼軌，鋼軌通過(guò)扣件連接，并約束扣件下部節(jié)點(diǎn)的縱橫向位移。

2.2 計(jì)算參數(shù)

橋上無(wú)砟軌道鋼軌采用UIC60鋼軌，截面積為76.70 cm2，截面慣性矩為3038.3 cm4?？奂捎肳J-12型扣件系統(tǒng)，初始扣壓力為20 kN，單個(gè)彈條剛度取1 kN/mm，膠墊剛度取50 kN/mm。節(jié)間縱梁上無(wú)砟軌道扣件間距0.61 m，橫梁上扣件間距0.57 m。等效橋梁的截面積為2.172 m2，截面慣性矩為4.281 m4，等效橋梁中心線距上翼緣的高度為1.112 m，距下翼緣的高度為0.448 m。

2.3 計(jì)算工況及判斷標(biāo)準(zhǔn)

本文主要研究了頂升高度和扣件松開范圍對(duì)橋上軌道系統(tǒng)受力的影響規(guī)律。更換支座時(shí)，支座處節(jié)間縱梁的最大頂升高度為10 mm。研究頂升高度對(duì)橋上軌道系統(tǒng)受力的影響時(shí)，假定不松開扣件，節(jié)間縱梁的頂升高度分別取為1 mm、2 mm、3 mm、5 mm和10 mm；研究扣件松開范圍對(duì)橋上軌道系統(tǒng)受力的影響時(shí)，假定節(jié)間縱梁的頂升高度為10 mm，扣件松開范圍示意如圖4所示。

圖4 不同扣件松開范圍圖

確定不同工況下節(jié)間縱梁支座更換時(shí)的頂升高度限值，應(yīng)從鋼軌強(qiáng)度和扣件受力兩方面判斷：(1)頂升節(jié)間縱梁時(shí)產(chǎn)生的鋼軌應(yīng)力不得大于鋼軌的屈服強(qiáng)度；(2)扣件的上拔力不得超過(guò)WJ-12扣件系統(tǒng)的扣壓力。

3 支座更換對(duì)軌道的影響

3.1 頂升高度對(duì)軌道的影響

當(dāng)在下橫梁左右兩側(cè)同時(shí)頂升節(jié)間縱梁且不松開扣件系統(tǒng)更換支座時(shí)，不同頂升高度下扣件和鋼軌的受力如圖5所示。

圖5 不同頂升高度下軌道系統(tǒng)受力圖

從圖5可以看出，當(dāng)下橫梁左右兩側(cè)同時(shí)頂升且不松開扣件時(shí)，鋼軌應(yīng)力和扣件系統(tǒng)受力均隨節(jié)間縱梁頂升高度的增大而增大。當(dāng)節(jié)間縱梁頂升1 mm時(shí)，鋼軌的軌頭拉應(yīng)力和軌底拉應(yīng)力分別為13.78 MPa和10.45 MPa，扣件系統(tǒng)所受上拔力和下壓力分別為14.02kN和15.90 kN；當(dāng)節(jié)間縱梁頂升10 mm時(shí)，鋼軌的軌頭拉應(yīng)力和軌底拉應(yīng)力分別為103.99 MPa和96.63 MPa，扣件系統(tǒng)所受上拔力和下壓力分別為30.29 kN和89.56 kN，鋼軌軌頭拉應(yīng)力和軌底拉應(yīng)力分別增大了6.54倍和8.25倍，扣件系統(tǒng)所受上拔力和下壓力分別增大了1.16倍和4.63倍。當(dāng)下橫梁附近不松開扣件且節(jié)間縱梁頂升2 mm時(shí)，扣件系統(tǒng)所受上拔力為20.47 kN，超過(guò)WJ-12型扣件系統(tǒng)的扣壓力(為20 kN)，易造成扣件系統(tǒng)破壞。因此，當(dāng)同時(shí)頂升橫梁左右兩側(cè)的節(jié)間縱梁且不松開扣件更換支座時(shí)，節(jié)間縱梁抬升高度不應(yīng)大于1 mm。

3.2 扣件松開范圍的影響

當(dāng)下橫梁伸縮縫附近左右兩側(cè)松開扣件，且節(jié)間縱梁同時(shí)頂升10 mm時(shí)，不同扣件松開范圍下扣件和鋼軌受力如表1所示。

表1 不同扣件松開范圍下軌道系統(tǒng)受力表

由表1可知，隨著扣件松開范圍的增大，鋼軌應(yīng)力和扣件的下壓力逐漸減小，扣件所受拉力先減小后增大，再急劇減小而后基本不變，這說(shuō)明頂升節(jié)間縱梁更換支座對(duì)扣件系統(tǒng)的受力影響范圍有限。當(dāng)在下橫梁左右兩側(cè)同時(shí)頂升節(jié)間縱梁時(shí)，下橫梁上扣件系統(tǒng)承受拉力。當(dāng)伸縮縫左右兩側(cè)各松開2個(gè)扣件(工況3)時(shí)，下橫梁上仍有1個(gè)扣件承受拉力，故扣件所受上拔力增大。當(dāng)下橫梁上扣件全部松開，且抽掉膠墊時(shí)，承受上拔力和下壓力的扣件系統(tǒng)均位于節(jié)間縱梁上，故扣件所受上拔力和下壓力基本不變。

當(dāng)節(jié)間縱梁?jiǎn)蝹?cè)頂升10 mm，伸縮縫左右兩側(cè)各松開1個(gè)或2個(gè)扣件時(shí)，扣件系統(tǒng)所受的上拔力和下壓力分別為21.81 kN和24.92 kN，超過(guò)WJ-12型扣件系統(tǒng)的扣壓力。當(dāng)下橫梁上扣件系統(tǒng)全部松開，且伸縮縫左右兩側(cè)各松開1個(gè)扣件，并抽掉橡膠墊板時(shí)，扣件所受上拔力僅為3.2 kN，鋼軌所受拉應(yīng)力為9.68 MPa，遠(yuǎn)小于WJ-12型扣件系統(tǒng)的扣壓力和鋼軌允許應(yīng)力。

控制扣件松開范圍及頂升高度的因素是扣件上拔力，考慮到無(wú)縫線路的穩(wěn)定性，扣件松開范圍不宜過(guò)大。因此，本文針對(duì)伸縮縫左右各松開1個(gè)扣件(工況2)、伸縮縫左右各松開2個(gè)扣件(工況3)和下橫梁上松開5個(gè)扣件、伸縮縫左右各松開1個(gè)扣件(工況4)等工況，研究了不同頂升高度對(duì)扣件上拔力的影響，如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)下橫梁伸縮縫附近左右兩側(cè)同時(shí)松開扣件時(shí)，扣件上拔力隨節(jié)間縱梁頂升高度的增大而增大。對(duì)于工況2和工況3，當(dāng)頂升高度達(dá)到8 mm 時(shí)，扣件上拔力分別為21.05 kN和20.24 kN，超過(guò)WJ-12型扣件系統(tǒng)的扣壓力。對(duì)于工況4，當(dāng)頂升高度達(dá)10 mm時(shí)，扣件上拔力僅為3.2 kN，遠(yuǎn)小于扣件系統(tǒng)的扣壓力。

圖6 不同工況下扣件上拔力圖

綜上所述，為保證軌道系統(tǒng)受力安全及養(yǎng)護(hù)維修便利，若采用下橫梁兩側(cè)同時(shí)頂升節(jié)間縱梁的方法更換支座，建議節(jié)間縱梁頂升10 mm，下橫梁上扣件系統(tǒng)全部松開，且伸縮縫左右兩側(cè)各松開1個(gè)扣件。

4 結(jié)論

本文針對(duì)孟加拉帕德瑪大橋建立了軌道-橋梁一體化計(jì)算模型，研究了大跨連續(xù)鋼桁梁橋節(jié)間縱梁支座更換對(duì)橋上軌道系統(tǒng)的影響，得出以下結(jié)論：

(1)同時(shí)頂升下橫梁兩側(cè)節(jié)間縱梁時(shí)，鋼軌和扣件系統(tǒng)受力隨頂升高度的增大而增大；在相同的頂升高度下，隨扣件系統(tǒng)松開個(gè)數(shù)的增加，鋼軌和扣件系統(tǒng)受力減小。

(2)若不松開扣件，同時(shí)頂升下橫梁兩側(cè)節(jié)間縱梁，頂升高度大于1 mm時(shí)，扣件系統(tǒng)所受上拔力超過(guò)其扣壓力限值，因此采用不松開扣件系統(tǒng)更換節(jié)間縱梁支座時(shí)，節(jié)間縱梁頂升高度不應(yīng)大于1 mm。

(3)更換橋梁支座節(jié)間縱梁頂升10 mm時(shí)，為保證軌道系統(tǒng)受力滿足要求，扣件松開范圍應(yīng)為下橫梁上5個(gè)扣件全松開，且伸縮縫左右兩側(cè)各松開1個(gè)扣件。