馮青松，許晨霄，孫 魁，鐘貞浪

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013)

無砟軌道結(jié)構(gòu)因太陽入射角、混凝土導(dǎo)熱性差等原因[1]，使得結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生較大不均勻溫差，而不均勻溫度荷載作用在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力和變形將影響軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性[2-3]。因此，研究溫度荷載對橋上無砟軌道無縫線路的影響規(guī)律具有重要意義。

國內(nèi)外諸多學(xué)者針對橋上無縫線路展開了大量研究[4-6]。謝凱澤[7]等分析了橋上單元板式軌道最大溫度跨度的適應(yīng)性；楊榮山[8]等對連續(xù)高溫天氣下無砟軌道的溫度特性進(jìn)行了研究；曾志平[9-10]等通過建立溫度場模型并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了不同線路方向等因素對溫度梯度的影響規(guī)律；戴公連[11]等通過長期實(shí)驗(yàn)測量，獲得了橋梁的非線性溫度模式，并針對斜拉橋探究了相鄰橋梁對其縱向力的影響[12]；張鵬飛[13-14]等分析了橋梁豎向、橫向以及橋墩溫度梯度荷載作用下橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道的縱向力學(xué)特性；朱禹[15]等分析了橋梁均勻溫度與豎向溫度梯度荷載對橋上CRTSⅢ型板式無砟軌道縱向力和高低、水平幾何形位的影響，并計(jì)算了梁體在均勻溫度與雙向溫度梯度荷載作用下軌道的橫向穩(wěn)定性[16]；馮青松[17]等分析了橋梁均勻溫度荷載和不均勻溫度荷載對橋上CRTSⅢ型板式無砟軌道力學(xué)特性和軌道幾何形位的影響；全順喜[18]等通過對規(guī)范方法和隔枕校核值方法控制的不平順功率譜對比論證，提出3個指標(biāo)能更有效地控制高低和軌向不平順，且已在學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐中應(yīng)用[19-20]。綜上所述，研究溫度梯度荷載對無縫線路力學(xué)性能和軌道幾何形位的影響具有重要意義，且目前還無系統(tǒng)性針對軌道板豎向和陰陽面橫向溫度梯度荷載的研究，無法明確軌道板豎向和陰陽面橫向溫度梯度荷載對軌道幾何形位的影響規(guī)律。

針對既有研究的不足，本文針對某實(shí)際線路大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道建立無縫線路計(jì)算模型，分析了軌道板豎向溫度梯度和陰陽面橫向溫度梯度荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，并采用隔枕校核值研究了兩種荷載對高低和軌向靜態(tài)不平順的影響。

1 模型建立

1.1 概述

以某實(shí)際線路5×32 m簡支梁橋+(70.75+125+70.75)連續(xù)梁橋+5×32 m簡支梁橋?yàn)槔?，基于?板-軌相互作用機(jī)理建立大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道力學(xué)模型，橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置示意

1.2 模型參數(shù)

大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的主要組成結(jié)構(gòu)有：鋼軌、扣件、軌道板、底座板和橋梁。在本計(jì)算模型中，鋼軌采用CHN60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌；扣件為WJ-8B型常阻力、小阻力扣件；簡支梁與連續(xù)梁均采用6.44 m的標(biāo)準(zhǔn)軌道板，連續(xù)梁梁端的軌道板長度為5.736 m；軌道板與底座板的寬度均為2.8 m，高度分別為0.26，0.21 m；簡支梁橋間的伸縮縫為0.1 m，簡支梁與連續(xù)梁間的伸縮縫長度為0.15 m；橋墩(臺)縱向剛度根據(jù)實(shí)際線路取值，結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表1，各固定支座處橋墩(臺)線剛度見表2。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 橋墩(臺)線剛度取值

WJ-8B型常阻力扣件縱向阻力

(1)

WJ-8B型小阻力扣件縱向阻力

(2)

式中，r為單位長度扣件阻力；x為鋼軌與扣件的縱向相對位移。

2 軌道板豎向溫度梯度荷載的影響

本節(jié)主要分析軌道板豎向溫度梯度荷載對無縫線路力學(xué)性能和軌道幾何變形的影響，根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，軌道板豎向溫度梯度荷載設(shè)置30，50 ℃/m和70 ℃/m(正溫度梯度)3種工況。

因軌道結(jié)構(gòu)厚度對溫度分布的影響較大，軌道板表面0.2 m內(nèi)近似表現(xiàn)為溫度梯度變化[9，21]，故本文將軌道板劃分為10層，軌道板的表面溫度取50 ℃，0～0.2 m內(nèi)設(shè)置呈溫度梯度變化，其余部分溫度取35 ℃，底座板和橋梁溫度分別取35 ℃和30 ℃。

2.1 無縫線路力學(xué)特性

在軌道板豎向溫度梯度荷載30，50 ℃/m和70 ℃/m作用下，無縫線路縱向力(應(yīng)力)和位移極值的計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。表中，F(xiàn)r為鋼軌伸縮力；Stsu和Stsd分別為軌道板上、下表面縱向應(yīng)力，Δts為軌道板上、下表面應(yīng)力差；Sbpu和Sbpd分別為底座板上、下表面縱向應(yīng)力，Δbp為底座板上、下表面應(yīng)力差；Drl、Drt和Drv分別為鋼軌縱、橫、垂向位移，Dtsu為軌道板上表面縱向位移，Δrts為軌板縱向相對位移。

表3 軌道板豎向溫度梯度下各結(jié)構(gòu)縱向(應(yīng))力極值

表4 軌道板豎向溫度梯度下各結(jié)構(gòu)位移極值

分析表3和表4可知，在軌道結(jié)構(gòu)其余部分溫度荷載不變的情況下，軌道板豎向溫度梯度荷載對無縫線路縱向(應(yīng))力和位移的影響較??；鋼軌縱向力、軌道板和底座板上下表面應(yīng)力差、鋼軌縱-橫-垂向位移和軌板縱向相對位移隨溫度梯度的增大而減小，其原因?yàn)樵谲壍腊灞砻鏈囟纫欢〞r(shí)，溫度梯度越小，軌道板整體溫度越大，結(jié)構(gòu)主要受溫度荷載大小的影響；軌道板豎向溫度梯度荷載由30 ℃/m增大到70 ℃/m時(shí)，鋼軌縱向力和縱向位移分別只減小了3.919 kN，0.20 mm，變化不明顯，而鋼軌垂向位移減小了8.06%，影響相對較大。

2.2 無砟軌道高低和軌向不平順

無砟軌道無縫線路軌道靜態(tài)平順性是評判軌道幾何形位是否滿足線路標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，而平順性控制中最主要的兩個因素為高低和軌向不平順。目前我國高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)范中軌道平順性的控制方法能較好地控制波長大于5 m的不平順，但對于波長小于5 m的軌道不平順仍不能有效控制。本文根據(jù)文獻(xiàn)[18]所述的隔枕校核方法，對高低和軌向不平順采用隔1枕校核、隔8枕校核和隔240枕校核，分別用于控制短波、中波和長波不平順，其對應(yīng)的校核值應(yīng)分別不小于1，2 mm和10 mm。

在軌道板豎向溫度梯度荷載30，50 ℃/m和70 ℃/m作用下，無縫線路高低和軌向不平順的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 軌道板豎向溫度梯度荷載下高低和軌向偏差極值

分析表5可知，軌道板豎向溫度梯度荷載作用下高低和軌向不平順隔枕校核值均滿足要求，且對短波高低不平順和軌向不平順影響不大，而軌道板豎向溫度梯度荷載對高低不平順中的中長波影響較大；在軌道板豎向溫度梯度從30 ℃/m增大至70 ℃/m時(shí)，高低偏差的隔8枕校核值從0.81 mm減小到了0.70 mm，減小了13.58%，隔240枕校核值從2.32 mm減小到了2.01 mm，減小了13.36%。

綜上所述，軌道板豎向溫度梯度荷載對鋼軌垂向位移有一定的影響，軌道板豎向溫度梯度荷載對軌向不平順和短波高低不平順影響較小，而對中長波高低不平順影響較大。

3 陰陽面橫向溫度梯度荷載的影響

線路因走向等原因可能使軌道結(jié)構(gòu)一側(cè)向陽而另一側(cè)背陰，產(chǎn)生的橫向溫度差將形成橫向溫度梯度荷載，本節(jié)主要分析橫向溫度梯度荷載對無縫線路力學(xué)性能和高低、軌向靜態(tài)不平順的影響。軌道板表面0～0.2 m取豎向溫度梯度70 ℃/m(正溫度梯度)，并設(shè)置了1種橫向無溫差荷載工況和2種陰陽面橫向溫差荷載工況(溫差5，10 ℃)進(jìn)行對比分析，各結(jié)構(gòu)陰陽面橫向溫度荷載參考TB10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》和文獻(xiàn)[13]中的相關(guān)內(nèi)容取值，詳見表6。

表6 橫向溫度梯度荷載工況

3.1 無縫線路力學(xué)特性

在橫向溫度梯度荷載作用下，鋼軌縱向力、剛軌縱-橫-垂向位移、軌道板縱向位移和軌板縱向相對位移的計(jì)算結(jié)果如圖2所示，各結(jié)構(gòu)縱向(應(yīng))力和位移極值如表7和表8所示。

圖2 橫向溫度梯度荷載下結(jié)構(gòu)縱向力和位移

表7 橫向溫度梯度荷載下各結(jié)構(gòu)縱向(應(yīng))力極值

表8 橫向溫度梯度荷載下各結(jié)構(gòu)位移極值

分析圖2和表7、表8可知，橫向無溫差荷載與溫度梯度荷載作用下各結(jié)構(gòu)縱向(應(yīng))力和位移差異性顯著，無縫線路向陽側(cè)與背陰側(cè)的計(jì)算結(jié)果也存在較大差異；隨著陰陽面橫向溫差的減小，鋼軌縱向力、鋼軌縱向位移、軌道板縱向位移和軌板縱向相對位移逐漸增大，而鋼軌橫向位移和垂向位移逐漸減?。粰M向溫度梯度荷載對軌道板和底座板向陽側(cè)上、下表面應(yīng)力無影響，而背陰側(cè)軌道板上下表面應(yīng)力、底座板上下表面應(yīng)力和底座板上下表面應(yīng)力差隨陰陽面溫差的減小而增大，但均小于向陽側(cè)計(jì)算值，軌道板上下表面應(yīng)力差變化不大。

同橫向無溫差荷載相比，在橫向溫差5 ℃和10 ℃的情況下，向陽側(cè)鋼軌縱向力、鋼軌縱向位移、軌道板縱向位移與軌板縱向相對位移極值分別減小了4.94%，7.41%，6.78%，6.47%和8.99%，14.64%，13.72%，13.96%，而鋼軌橫向位移與鋼軌垂向位移極值分別增大了163.89%，0.91%和328.70%，1.21%；背陰側(cè)鋼軌縱向力、底座板上下表面應(yīng)力差、鋼軌縱向位移、鋼軌垂向位移、軌道板縱向位移與軌板縱向相對位移極值分別減小了5.82%，13.65%，7.54%，15.11%，8.95%，9.94%和11.82%，27.28%，14.98%，30.82%，18.06%，20.56%，而鋼軌橫向位移極值分別增大了121.30%和242.59%。

由上述分析可知，橫向溫度梯度荷載對鋼軌橫向位移影響極大，與橫向無溫差荷載不同，溫度梯度荷載作用下鋼軌橫向位移在橋梁梁體每一跨范圍內(nèi)均有較大波動。

3.2 無砟軌道高低和軌向不平順

在橫向溫度梯度荷載作用下，無砟軌道高低與軌向不平順的隔1枕校核值、隔8枕校核值和隔240枕校核值計(jì)算結(jié)果分別如圖3～圖5所示，高低偏差與軌向偏差極值如表9所示。

圖3 隔1枕校核值

圖4 隔8枕校核值

圖5 隔240枕校核值

表9 橫向溫度梯度荷載下高低和軌向偏差極值

分析圖3～圖5和表9可知，橫向溫度梯度荷載作用下高低和軌向偏差的隔枕校核值均滿足設(shè)計(jì)要求，但其對高低和軌向偏差均有較大程度的影響；在橫向溫度梯度荷載作用下，橋梁梁體因橫向溫度分布不均而在梁端產(chǎn)生突變，使梁端出現(xiàn)高低偏差極值；隨著橫向溫差荷載的增大，簡支梁端向陽側(cè)高低偏差逐漸減小，背陰側(cè)高低偏差逐漸增大，而連續(xù)梁端向陽側(cè)高低偏差逐漸增大，背陰側(cè)高低偏差逐漸減小，軌向偏差整體呈增大趨勢；在橫向無溫差荷載作用下，軌向偏差在隔1枕校核值計(jì)算時(shí)處于0.01 mm上下，隔8枕校核值計(jì)算時(shí)軌向偏差僅在橋臺位置處達(dá)到極值0.53 mm，隔240枕校核值計(jì)算時(shí)軌向偏差波動較小，表明橫向無溫差荷載對軌向不平順影響較小。

在橫向溫差從5 ℃增大至10 ℃下，針對3種隔枕校核值，向陽側(cè)高低偏差極值分別增大了11.11%，4.05%和2.86%，背陰側(cè)高低偏差極值分別減小了44.44%，-3.23%和17.37%，向陽側(cè)軌向偏差極值分別增大了104.55%，100.94%和102.21%，背陰側(cè)軌向偏差極值分別增大了95.65%，98.17%和98.72%，從而說明橫向溫度梯度荷載對軌向偏差的影響極大。

在橫向溫差為5 ℃下，針對3種隔枕校核值，向陽側(cè)高低偏差極值比背陰側(cè)分別大22.22%，16.22%和20.48%；在橫向溫差為10 ℃下，向陽側(cè)高低偏差極值比背陰側(cè)分別大50%，16.88%和36.11%；在橫向溫差為5 ℃和10 ℃下，軌向偏差向陽側(cè)和背陰側(cè)極值相差較小。

綜上所述，陰陽面橫向溫差荷載對橋梁梁端軌向偏差的影響較大，橫向溫差主要影響陰陽面高低偏差的分布，而溫差荷載的大小直接影響軌向偏差幅值。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS有限元軟件建立大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道計(jì)算模型，分析了溫梯荷載作用下無縫線路的力學(xué)特性，并采用隔枕校核值研究了溫度荷載對高低和軌向幾何形位的影響，得出以下結(jié)論。

(1)軌道板豎向溫梯荷載對鋼軌垂向位移的影響相對較大，并主要影響中長波高低不平順，而對短波高低不平順幾乎無影響。

(2)橫向溫梯荷載對鋼軌橫向位移影響極大，同無溫差荷載相比，當(dāng)橫向溫差為5，10 ℃時(shí)，鋼軌橫向位移極值分別增大了121.30%和242.59%，并在橋梁梁體每一跨范圍內(nèi)均有較大波動。

(3)溫度荷載主要影響橋梁梁端的高低、軌向偏差，隨著橫向溫差的增大，軌向偏差整體呈增大趨勢，簡支梁梁端向陽側(cè)高低偏差逐漸減小，背陰側(cè)高低偏差逐漸增大，而連續(xù)梁梁端變化規(guī)律相反。

(4)陰陽面橫向溫差荷載對軌向偏差影響較大，橫向溫差每增大5 ℃，軌向偏差幾乎增大1倍；橫向溫差主要影響陰陽面高低偏差的分布，而溫差荷載的大小直接影響軌向偏差幅值。