（道路与铁道工程专业论文）简支梁桥上博格板式无碴轨道纵向力分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文结合京津城际轨道交通工程，利用a n s y s 有限元分析软件建立了 桥上博格板式无碴轨道结构的纵向力分析有限元模型。考虑到模型的复杂 性以及计算工作量，本文所建模型对钢轨、轨道板、底座板以及桥梁全部 简化为杆件的梁单元来模拟，同时模型中认为c a 砂浆层的作用可以完全使 轨道板与底座板协同变形，因此，即把轨道板与底座板等效为一层梁来模 拟。扣件纵向阻力以及底座板与桥梁问的摩擦阻力采用非线性弹簧模拟， 桥梁墩台刚度以线性弹簧模拟。 对多跨简支梁桥进行了纵向静力分析，主要包括制动力、伸缩力、以 及断轨力的计算，同时在上述各工况下分析了桥梁与底座板之间摩擦系数 以及轨道板伸缩刚度变化对结构受力的影响。分析了摩擦板长度对结构受 力的影响在断轨工况下分析了断缝值与轨温变化幅度、梁板温变化幅度 的关系。对比分析了2 4 m 、3 2 m 两种跨度梁长的简支梁桥上博格板轨道结 构的受力，以及不同的支座布置形式对结构受力的影响。 计算结果表明，温度荷载作用下轨道板受力较大，可作为其设计时的 控制性因素考虑，较低的底座板与桥梁间摩擦系数以及较为完整的道床板 伸缩刚度对结构受力有利。同时较低的桥梁与底座板问摩擦系数也可有效 地降低梁跨长度变化对结构受力的影响 关键词：博格无碴轨道、简支梁桥、纵向力、计算分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t b a s e do nt h e b c i j i n g - t i a n j i ni n t e r - c i t y r a i lt t a n s i t p r o j e c t , t h i sp a p e r e s t a b l i s h c dab o gb a l l a s t l e s st r a c ks l a bo nb r i d g e sf i n i t ee l e m e n tm o d e lt o a n a l y s i so ft h el o n g i t u d i n a lf o r c e s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec o m p l e x i t ya n dt h e a m o u n t o f c a l c u l a t i o n o f m o d e l ，i n t h i s p a p e r m o d e lo f t h er a i l , t r a c k p l a t e s , t h e b a s ep l a t ea n dt h eb r i d g et os i m p l i f yt h eb e a me l e m e n t st os i m u l a t e m e a n w h i l e c am o r t a rl a y e rt ot h er o l eo ft h em o d e lt h a tc a ne n s u r eac o o r d i n a t e d d e f o r m a t i o nb e t w e e np l a t ea n dt h eb a s ep l a t e , i tt h a ti se q u i v a l e n tt oo n e b e a ml a y e rt os i m u l a t e f a s t e n e rl o n g i t u d i n a lr e s i s t a n c ea n df r i c t i o nb e t w e e nt h e b a s ep l a t ea n db r i d g ea r es i m u l a t e db yn o n l i n e a rs p r i n ge l e m e n t , a n dt h ep i e r s t i f f n e s si ss i m u l a t e db yl i n e a rs p r i n ge l e m e n t 儆p a p e ra n a l y s i so f t h e l o n g i t u d i n a l s t a t i cf o r c et o m u l t i - s p a n s i m p l y - s u p p o a e db r i d g e , i n c l u d i n gb r a k i n gf o r c e , s t r e t c h i n gf o r c e , a n dt h e r u p t u r ef o r c eo fr a i l s i nt h ea b o v ea n a l y s i s , t h ea s p e c to fd i f f e r e n tf r i c t i o n c o e f f i c i e n tb e t w e e nb r i d g ea n db a s ep l a t e , p l a t es t i f f n e s sa n dt h el e n g t ho f f r i c t i o np l a t e sa i na l lc o n s i d e r e d c o n d i t i o no ft h e 邝p t l l 陀f o r c eo fr a i l s ，i t s t u d i e st h ei n f l u e n c e so fi a i l 一卿i nt i a c kt e m p e r a t u r ec h a n g e sa n db e a m t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sr e s p e c t i v e l yv a r i a t i o n s t h i sp a p e ra l s oc o m p a r e sa n d a n a l y s i st h e s t r u c t u r ef o r c eo f2 4 ma n d3 2 ms p a no fs i m p l y - s u p p o r t e d b r i d g e s a l s ot h ea u t h o rs t u d i e st h ei n f l u e n c e so fd i 饪e r e n tl a y o u to ff a s t e n e t t 白er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a c kp l a t eu n d e ral a r g e rf o r c ei nt e m p e r a t u r e l o a dc a nb eu s e da sa p r e d o m i n a n tf a c t o ri ni t sd e s i g n , l o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n t b e t w e e nt h eb a s ep l a t ea n db r i d g e sa n dm o r ec o m p r e h e n s i v es l a be x t e n d a b i c s t i f f n e s sa r ei ng o o dc o n d i t i o nt ot h es t r u c t u r e ，a l s ol o wf r i c t i o nc o c f f i c i e n t b e t w e e nt h eb a s ep l a t ea n db r i d g e sa l s oc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h es t r u c t u r ef o r c e i n f l u e n c e db yt h eb r i d g es p a nc h a n g e s k e yw o r d s ：b 6 9 lb a l l a s t l e s ss l a bt r a c k ，s i m p l y - s u p p o r t e db r i d g e s , l o n g i t u d i n a l f o r c e ，a n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 有碴轨道结构历史悠久，在长期的应用中，人们积累了丰富的施工和 养护经验，轨道本身又有弹性好的优点，加之铺设费用低，维修容易，所 以人们认为它是比较经济的结构型式然而，随着铁路行车速度的提高， 对线路的要求也越来越高，特别是列车动荷载的增加，对道床的稳定性、 线路的平顺程度的要求更高，这样，容易变形的有碴道床就难以适应了。 为了满足使用要求，就必须加大养护维修的频率和工作量，稍有不慎就可 能造成行车中断，维修费用则因此而大幅度提高，导致铁路运输经济效益 下降。为了适应列车高速运行的需要，解决线路维修的困难，世界各国研 究和开发了多种结构型式的无碴轨道，主要有板式、长枕埋入式、弹性支 撑块式、r h e d a 型、双块式等板式轨道广泛应用于日本新干线，r h e d a 型、 博格板式等结构型式，广泛应用于德国高速铁路。 无碴轨道整体性强，纵向、横向稳定性高，能持久地保持轨道的几何 尺寸。养护、维修工作量少，综合成本低，桥梁一期恒载小，可降低隧道 净空减少开挖面积，综合经济效益高等优点，目前在国内外客运专线上获 得了越来越广泛的应用，其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道 岔区。无碴轨道在高速铁路上大量铺设已成为世界高速铁路发展趋势，中 国已修建了3 0 0 k m 左右的无碴轨道。 虽然无碴轨道有较好的综合效益，但仍存在很多问题，总结如下： ( 1 ) 初期投资成本巨大。即使施工方法得到优化，建设长度增加，成本 系数仍达到1 1 5 2 1 0 。无碴轨道相对有碴轨道的经济效益仅能从有碴轨道 需要增加的维修费用计算得到。现在有碴轨道的维修在很大程度上实现了 机械化和自动化，比手工作业费用要低，并能够持久地保持轨道几何状态； 无碴轨道也需要维修，钢轨打磨工作量相对有碴轨道要增加，随着无碴轨 道使用时间的增加，伤损将增多，经济效益相对来说将降低，而且无碴轨 道的修复工作比较复杂，并需要大量费用和时间，一旦损坏引起长期关闭 线路带来的投入将相当大，也是初期无法计算或预料的。隧道内和桥上的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 无碴轨道相对有碴轨道具有良好的经济效益。 ( 2 ) 混凝土无碴轨道为刚性承载层，当达到承载强度极限时将产生断 裂，并引起轨道几何尺寸的突然变化和难以预见的恶化。 ( 3 ) 总体上来说，无碴轨道建设和维修都没有达到自动化程度。无碴轨 道的质量需要高水平的养护措施提供保障。这意味着在施工工序和质量控 制方面都要增加额外的费用和时间建设期间的质量缺陷将为整个使用寿 命期留下隐患，并需要花费高昂的代价进行弥补。 ( 4 ) 无碴轨道作为刚性结构，在后期运营阶段仅允许做少量的完善，比 如改善轨道几何状态，不仅十分困难，而且需要花费高昂代价 ( 5 ) 无碴轨道不能在粘土深路堑、松软土路堤或地震区域铺设 ( 6 ) 无碴轨道噪声水平比有碴轨道高5 d b ，必须采取有效的降噪措施。 c 7 ) 目前，对脱轨或其他原因导致的严重损坏还没有特别有效的措施， 修复代价也十分昂贵。混凝土的养生和硬化需要很长的时间。也就是说， 严重的事故将导致线路关闭时间比较长，对运输影响比较大 ( 8 ) 无碴轨道最严重的缺点是改进的可能性受到限制。 ( 9 ) 无碴轨道在路基上铺设时，任何情况下都要铺设防冻层( 至少7 0 e m 厚1 。要延长无碴轨道的寿命周期，水凝性材料层厚度几乎不能减少。路基 处理深度也比有碴轨道深。 综上所述，在客运专线上大力推广应用无碴轨道的同时，还应不断加 强无碴轨道的技术研究，要从结构设计、施工方法以及后期的养护维修等 方面进行深入研究，不断优化其经济效益，使无碴轨道真正形成一个系统 工程尤其在我国铺设无碴轨道不但缺乏相关的工程实践经验也缺乏相关 的设计经验，理论研究还需不断的深入 1 2 无碴轨道结构发展现状 1 2 1 国外情况 总体来说，无碴轨道的发展和运用已有4 0 多年历史，各国都根据自己 的技术基础与线路特点，已开发出多种型式的高速铁路无碴轨道结构，在 这个发展过程中逐步使高速铁路无碴轨道结构形成两大技术体系，即日本 的柔性充填层板式无碴轨道结构和德国整体式无碴轨道结构，这两大技术 体系基本发展成熟，标志着其结构型式的统一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 早在2 0 世纪6 0 年代中期，日本就开始了无碴轨道的试验与研究。其 中，无碴轨道在高速铁路上的应用始于1 9 7 1 年日本山阳新干线，其后在日 本获得迅速发展，并得到广泛应用，2 0 世纪年代以来修建的新干线，无 碴轨道比例都在8 5 以上日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的 a 型、框架型轨道板、适用于土质路基上的r a 型轨道板及特殊减振区段用 的防振g 型轨道板等，构成了适用于各种不同使用范围的轨道板系列，其 中带有凸形挡台的a 型板式轨道作为标准型式在国内推广应用日本的板 式轨道由轨道板、水泥沥青砂浆( c a 砂浆) 和混凝土基础三大部分组成，如 图1 1 所示钢轨铺设在轨道板上，下面为混凝土底座，中间灌注c a 砂 浆作为轨道板的弹性垫层，并对轨道板进行一定程度上的调整混凝土基 础上每间隔一定距离布置凸型挡台，以承受轨道的纵、横向力a 型轨道 板的长度通常为5 0 0 m ，宽度为2 3 4 m ，厚度1 9 0 m m ，c a 砂浆厚度4 0 m m 。 日本铁路广泛铺设板式轨道，主要用于桥梁和隧道地段。 一一 ( a ) 普通a 型板式轨道结构( b ) a f 框架型板式轨道 图1 - 1 板式轨道结构型式( 钢筋混凝土、预应力混凝土轨道板) ”1 9 7 2 年，德国瑞哈德( r b c d a ) 车站铺设了一种新型轨道，这种轨道后来 称为瑞哈德r b e d a 型无碴轨道。这种轨道是将单块的混凝土轨枕，用浇注 混凝土的方法，精确固定在连续配筋的混凝土板上尽管结构性能良好， 但无碴轨道的开发和应用到1 9 9 0 年时仍处于低水平。1 9 9 1 年，德国时速 2 5 0 公里客运和时速1 2 0 公里货运的4 2 7 公里的高速铁路开通运营，仅在新 线的4 座隧道中就铺设了约1 5 公里的r b e d a 型无碴轨道和5 公里的z i i b i i n 型无碴轨道。相比之下，有碴轨道区段的维修问题很决呈现，特别是道碴 粉化及道床累积变形速率加快，而无碴轨道区段却显现出良好的性能。为 此，1 9 9 4 年德国铁路董事会决定在新建高速铁路和改造线路中，必须采用 无碴轨道，多方面地利用板式轨道结构的特殊优势，促进新型无碴轨道结 构的开发。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 德国铁路研究无碴轨道是在首先解决了土质路基铺设的技术问题后逐 步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间铺设无碴轨道创造了有利条件在 室内试验和现场大量铺设试验段进行试验验证的基础上，目前德铁累计铺 设无碴轨道3 6 0 k i n ( 含8 0 多组道岔区) ，其中规模铺设的线路包括：科隆 一法兰克福( 3 0 0 k m h ，2 0 0 2 年开通) 、柏林汉诺威( 2 5 0 k m h ，1 9 9 8 年 开通) 、纽伦堡一英戈尔施塔特等。 。 德国虽然无碴轨道结构形式众多( 多达9 9 种) ，但路基上防冻层水凝性 材料层以及桥上底座，限位槽联结结构和硬泡沫隔离层等结构形式与参数 基本一致，随着高速铁路设计速度和实际运营速度向着3 0 0 k m h 方向发展， 具有实际运营经验的无碴轨道具体结构形式主要有r h e d a 型( 如图x - 2 ) 、 z i i b l i n 型( 如图1 3 ) 无碴轨道以及博格板式无碴轨道。 博格板式无碴轨道系统前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪 试验段的一种预制板式轨道，由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、沥青水泥 砂浆调整层及水硬性支承层、底座等部分组成，路基、桥梁及隧道地段均 可应用。该轨道系统结构组成类似于日本新干线板式轨道，吸收了轨枕埋 入式无碴轨道整体性和板式轨道制作和施工的特点，对达豪试验段预制板 式轨道进行了包括预应力、结构尺寸、纵向连接等方面的优化改进，采用 先进的数控磨床加工预制轨道板上的承轨槽，采用高性能沥青水泥砂浆提 供适当的弹性和粘结，并使用高精度、快速便捷的测量系统，施工机械化 程度很高中国于2 0 0 5 年系统引进了博格轨道测量、设计、制造、施工工 艺和工装以及材料标准等成套技术 图1 2 路基上r h e d a 型无碴轨道结构图1 3 路基上z i i b l i n 型无碴轨道结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 2 国内情况 我国无碴轨道的研究起于2 0 世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同步。 初期曾试铺过支撑块式、短枕式、整体灌筑式及沥青道床等，正式推广应 用的仅有支撑块式整体道床在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度 超过i k m 的隧道内铺设，累计达3 0 0 k m 。1 9 9 5 年以后，随着京沪高速铁路 可行性研究的推进，无碴轨道在我国重新得以关注。在。九五”国家科技 攻关专题。高速铁路无碴轨道设计参数的研究”中，提出了适用于高速铁 路桥梁、隧道中的三种无碴轨道型式长枕埋入式、弹性支撵块式和大板式 及其设计参数，随后完成了对三种结构型式实尺模型的各种性能试验和铺 设，并在相关工程中应用。在秦岭1 线隧道中铺设了1 8 4 k m 的弹性支撑块 式无碴轨道；在秦沈客运专线中，沙河桥铺设了6 9 2 m 长枕埋入式无碴轨道， 狗河桥和双河桥分别铺设了7 4 1 m 、7 4 0 m 板式无碴轨道。同时，提出了秦 沈线无碴轨道设计技术条件、旋工技术细则和无碴轨道工程质量检验评定 标准，为高速铁路铺设无碴轨道创造了一定条件 通过客运专线无碴轨道与有碴轨道的技术、经济比较，无碴轨道有明 显的优势，已成为客运专线的发展趋势在天津“暂规”国际咨询中，德 国、法国、日本三个国家都建议：在客运专线桥梁、隧道中应采用无碴轨 道结构。德国明确提出：鉴于客运专线道碴液化和粉化对轨道维修及运营 的干扰，建议2 5 0 k m h 以上的客运专线应全部采用无碴轨道结构。 无碴轨道是一个系统工程，我国无碴轨道铺设的数量少、时间短，尚 缺乏设计、施工与运营经验。围绕着为了在我国客运专线推广应用无碴轨 道，2 0 0 4 年底在遂渝线开展无碴轨道试验段研究，同时分别在郑西、武广 和京津城际开展四个中外联合设计、施工无碴轨道综合试验段，主要引进 国外的结构型式包括r h e d a 2 0 0 0 、z i i b l i n 以及博格板式。而目前京津城际要 正式铺设博格板式无碴轨道。 1 3 桥上博格板式无碴轨道纵向力研究意义 目前，世界各国对高速铁路桥梁进行了大量的研究，但主要集中在垂 向和横向，对于纵向附加力，则研究得相对较少。实际上，高速铁路无碴 轨道桥梁是否需要设置钢轨伸缩调节器，是否需要改变支座布置形式及设 置纵向传力装置及如何设置等一系列关键问题，主要由钢轨的强度及稳定 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性及其低温下折断时行车的安全性控制，这些都涉及到长钢轨、道床板以 及梁相互作用引起的纵向力不但如此，梁、板、轨纵向相互作用力往往 还是桥梁墩台及基础设计的控制性荷载之一，因此梁、板、轨纵向相互作 用机理研究具有十分重要的工程实用意义。试验研究是梁、轨纵向相互作 用研究的重要环节，但由于试验条件的限制，试验技术的不完善以及试验 费用的高昂，单靠试验研究有着很大的困难和局限性。在理论计算分析的 基础上，进行必要的试验研究，以验证计算模型的正确性，在此基础上， 用计算模型对各种未知工况进行理论计算分析，找出其中的规律，并在可 能的条件下，再进行室内或现场测试验证，以更好的为设计服务，显然是 有积极意义的。 本文所研究的桥上博格板i 式无碴轨道是要在京津城际轨道交通线上正 式铺设，而京津城际轨道交通线所设桥梁大都属长桥( 2 5 n 1 ) ，博格既有方 案在长桥上是采用分块的底座板，短桥上采用连续底座板。为了在长桥上 满足连续铺设轨道板的要求，京津城际轨道交通线博格无碴轨道底座混凝 土板也采用连续铺设，在梁缝处铺设硬泡沫塑料板s t y r o d u r5 0 0 0 ，减弱底 座混凝土板的截面从而减小底座板由梁端转角带来的弯曲应力长桥上采 用与路基上和短桥上相同的横向加预应力的标准板，这样铺设就不受桥跨、 桥长的限制。轨道板与底座板的传力连接不再采用嵌入式的限位块装置， 而是直接通过砂浆垫层传力，大大简化了底座混凝土板的施工和轨道板的 生产 在长桥上连续铺设底座混凝土板正是这一结构应用在长桥上的最大变 化，也正是由于连续底座板混凝土的作用，使得其上轨道板的布置可以做 到与桥梁接缝无关，而且可以释放轨道受强制力作用产生的应力，可以通 过其放大冗余度来防止可能出现的钢轨断裂。同时，由于这一连续结构， 也使得结构的传力更加复杂，影响范围也较大，在国内外目前也尚无工程 实际应用经验。因此，本文对其纵向力的研究，目的就是弄清其传力机理， 验证结构的可靠、安全，以更好的服务工程建设，加快我国客运专线、城 际轨道交通的建设步伐，所以此研究有其现实意义。 1 4 本文主要研究内容 针对目前我国长桥上铺设无碴轨道所面l 临的问题，以及理论研究的欠 缺，尤其把底座板浇注成连续式的结构，虽然为上部结构轨道板的加工铺 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 设及结构施工带来了极大的方便，但同时也使结构的传力特性变的更加复 杂，又无国内外经验可寻在此情况下，本文利用通用有限元软件a n s y s 建立双线桥梁及路基段线一板一桥墩一体化空间梁单元有限元模型，对博 格板式无碴轨道结构在长桥上的传力机理及影响因素进行了深入研究。 本论文主要进行如下工作： ( 1 ) 利用所建立的模型分析结构在制动力、温度变化时桥梁伸缩产生的 伸缩力以及断轨力作用下，对桥梁墩台、道床板、钢轨、固结机构、以及 端刺的受力影响。 ( 2 ) 分析在上述各荷载工况下，桥梁与底座板之间滑动层摩擦系数改变 时，对结构各部分受力的影响。 ( 3 ) 上述各荷载工况下分析了道床板伸缩刚度对结构各部分受力的影 响。 ( 4 ) 分别分析了梁板温变化、轨温变化对钢轨断缝大小的影响，并检算 了其安全性 o ( 5 ) 分析桥梁两端摩擦板长度改变对结构关键部位( 端刺、固结机构) 所 受附加力的影响。 ，( 6 ) 对比分析了2 4 m ，3 2 m 两种跨度梁长的多跨简支梁桥上博格无碴轨 道结构的受力。 ( 乃对比分析了多跨简支梁桥支座的不同设置对结构受力的影响， 亘堕塞望查堂塑圭堡窒竺兰篁堡茎蔓璺夏 第2 章博格板式无碴轨道结构特点 博格板式无碴轨道系统的前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达 豪德一种预制板式无碴轨道通过对其进行包括预应力结构、结构尺寸、 纵向联结等方面的优化改进；采用先进的数控磨床来加工预制轨道板上的 承轨槽；使用快速方便的测量系统，使其精度容易满足高速铁路对轨道几 何尺寸的高要求。高性能沥青水泥砂浆垫层可以为轨道提供适当的刚度和 弹性。 博格公司为轨道板旌工研制生产了成套的设备，使得博格板式轨道机 械化程度高于一般轨道结构博格板式无碴轨道已获得了德国联邦铁路管 理局颁发的许可证，可用于3 0 0 k m 每小时的高速铁路，目前正在德国纽伦 堡至英戈尔施塔特的新建高速线上铺设 2 1 路基上博格板式无碴轨道结构特点 博格板式无碴轨道结构组成类似于新干线板式无碴轨道，差异是抵抗 纵横向作用力方式不同，前者采用板间螺杆联结或板下凹槽联结方式，后 者采用凸形挡台联结方式。 用于路基上的博格板式轨道如图2 - 1 图2 1 路基上博格板式无碴轨道整体结构图 2 1 1 系统组成 路基上博格板式轨道系统断面图见下图2 2 。其层次构成依次为：级配 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 碎石构成的防冻层( f s s ) 、3 0 e r a 厚的水硬性混凝土支撑层g 田、3 c m 厚的 沥青水泥砂浆层、2 0 c m 厚的轨道板，在轨道板上安装扣件 图2 - 2 路基上博格板轨道标准横断面图 ( 1 ) 轨道板 预制轨道板是在预应力台座上生产出来的，混凝土强度等级为c a 5 5 5 。 可以采用普通混凝土或钢纤维混凝土。预制轨道板的横向为预应力钢筋， 纵向为普通钢筋，板与板之问在纵向通过伸出钢筋进行传力联结。采用这 种预制轨道板的轨道均匀性好、内久性强，横向及纵向的抗滑移阻力高 在混凝土预制轨道板的收缩徐变完成后，使用数控磨床对承轨台进行 机械加工( 承轨台在生产时已留出了加工余量) ，可以达到极好的精度，大 大减少了现场调试工作轨道板进行安装定位时不需过渡轨，只需对承轨 台上指定的测量点进行精确定位即可 预制轨道板有以下3 种形式： a 标准预制轨道板：标准预制轨道板为长度6 5 0 m ，板厚2 0 0 r a m 的 单向预应力混凝土，有1 0 对承轨台，承轨台之间横向有贯通的凹槽，间距 为6 6 e m ，板与板之间有纵向连接，适用于路基、桥长2 5 m 及以下的桥梁和 隧道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 b 特殊预制轨道板 特殊预制轨道板为最大板长4 5 0 m ，板厚3 0 0 m m 的钢筋混凝土板，可 用在长度大于2 5 m 的桥上。特殊预制轨道板设有减振系统( 质量弹簧系统) 必要时还可以在特殊预制轨道板里安装信号设备。 c 其他补充型预制轨道板 由于存在着桥梁、隧道，道岔和新线与既有线的连接处等控制点，必 要时需对预制轨道板的长度进行调整，为此可生产长度从0 6 0 m 到小于 6 5 0 m 不等的预制轨道板，以适应线路结构特殊地段的需要。 + ( 2 ) 水硬性材料支撑层( h g 该层厚度为3 0 0 r a m ，由素混凝土构成水硬性材料支撑层的作用是保 证系统刚度从防冻层经预制轨道板到钢轨的递增。在隧道和明洞里不设水 硬性混凝土支撑层，直接铺设在结构底板上 ( 3 ) 防冻层 路基上应铺设一层防冻层，以防止路基因冻融循环所引起的冻胀。防 冻层由级配碎石组成，也具有防止毛细作用发生的功能 ( 4 ) 沟槽 为防止轨道扣件处混凝土出现裂缝，在承轨台之间预设了沟槽。 圆承轨台 ， 轨道扣件安装在承轨台上，承轨台用数控机床磨削加工，加工精度为 0 1 m m 。 ( 6 ) 轨道扣件 轨道扣件是在预制轨道板磨削加工完成之后，在工厂里预安装而成。 2 1 2 结构特点 博格板式轨道除了完全满足德国铁路对于轨道的技术要求外，还具有 以下特点。 ( 1 ) 轨道板在工厂批量生产，进度不受施工现场条件制约。 ( 2 ) 每块板上有1 0 对承轨台，承轨台的精度用机械打磨并由计算机控 制。工地安装时，不需对每个轨道支撑点进行调节，使工地测量工作可大 大减少 ( 3 ) 预制轨道板可用汽车在普通施工便道上运输，并通过龙门吊直接在 线路上铺设，无需二次搬运。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 ( 4 ) 现场的主要工作是沥青水泥砂浆层的灌注，灌注层在灌注5 6 h 后 即可硬化。 ( 5 ) 具有可修复性，除在每个钢轨支撑点处( 轨道扣件) 调高余量外， 还可调整预制板本身的高程 ( 6 ) 博格板式轨道的缺点是制造工艺复杂，成本相对较高 2 2 桥梁上博格板式无碴轨道结构特点 2 2 1 博格无碴轨道在桥梁上既有方案( f fb r 旬 目前德国无碴轨道在桥梁上的既有方案( 缩写f fb r a ) 特点是按桥梁的 长度分为在短桥上和在长桥上的方案短桥是指桥长在2 5 m 以下的桥梁， 通常是单跨简支桥梁，长桥是指2 5 m 以上的单跨、多跨或连续梁桥梁。无 碴轨道在短桥上可采用连续铺设的轨道板，而在长桥则采用分块式的，系 统长度通常为4 5 m 的轨道板 既有方案( f fb r a ) 是德铁的一个标准方案，其技术标准和要求是无碴 轨道技术要求目录( a k m 和d s8 0 4 ，对所有德国现有的无碴轨道形式都 是同样适用的。博格板式轨道在桥梁上的既有方案与其它无碴轨道形式如 轨枕埋入式的区别在于轨道板是采用预制混凝土板，在短桥上连续铺设的 轨道板是与路基上相同的横向加预应力的预制轨道板 在短桥上的连续铺设的轨道板在纵向上必须是浮置滑动，横向上固定 的，以避免因桥梁伸缩给轨道带来的应力，用于纵向浮置的材料德铁建议 用硬泡沫塑料板s t y r o d u r s 0 0 0 ，横向固定可以通过将轨道板直接铺设在凹槽 中，也可以在轨道板两侧设置侧向挡块来实现。在桥梁的前后两端在路基 上设置端刺和摩擦板，以确保轨道在桥梁与路基过渡上的横向稳定 在长桥上的轨道结构见图2 - 3 ，无碴轨道板在长桥上的既有方案采用分 块式铺设，板与板之间间隔1 0 c r a ，系统长度4 5 m ，每块板的下部前后两端 都有向下突出限位块，嵌入底座板中预留凹槽中。结构的主要特征是轨道 与桥梁在纵向上和横向上都能直接的传力，轨道板与桥梁纵向共同承载， 作用在轨项面上的牵引力和制动力通过轨道扣件直接传入桥梁和下部结 构，部分作用力通过无缝钢轨传递到不直接受力桥跨上，相反由于桥梁伸 缩或变形通过轨道扣件对钢轨直接产生应力。 轨道由轨道板、底座混凝土和混凝土保护层组成，在轨道板和底座混 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 凝土之间设置一层橡胶垫层，主要目的是在特殊情况下可将轨道板从底座 中分离出来。底座混凝土与保护层有直接的钢筋连接，在保护层和桥面之 间在整个桥面上铺设防水层。轨道与桥梁的传力连接是通过桥面悬臂板两 侧的钢筋与盖板、挡碴墙、保护层和底座混凝土之间的钢筋连接以及轨道 板嵌在底座混凝土中的限位块来实现传力的路程较长，保护层一方面要 起到保护防水层的作用同时又要起到在轨道与桥梁之间的传力作用，因此 对保护层的混凝土的要求高施工难度大轨道结构在长桥上具体的施工顺 序是，铺设悬臂板上方的防水层，浇筑盖板和挡碴墙，铺设轨道板 下方的防水层，铺设保护层，施工底座，铺设轨道板与轨道板在 短桥上一样在长桥的两端路基上也要设置端刺和摩擦板 在短桥与长桥上均采用小阻力扣件，并延长至桥台后路基上4 0 至9 0 m 范围内，其作用是作用在桥梁上轨道内的纵向力在传入路基时有个缓冲过 渡。在梁缝处上方由于梁端转角形成对梁端的轨道扣件上拔力，对扣件的 容许上拔力必须进行检算，必要时采用特殊扣件。 图2 - 3 桥上博格轨道结构 2 2 2 博格无碴轨道在桥梁上新方案 博格板式轨道在长桥上的方案是在考虑京津城际轨道交通线桥梁特点 并综合了德国无碴轨道在短桥上和长桥上的既有方案特点的基础上发展而 来，选用了在短桥上连续铺设轨道板的优点，取消了轨道板在长桥上分块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 轨道在桥面纵向除在纵向固定支座上方与桥面有直接传力连接外，其它区 域与桥面保持滑动状态，轨道在桥面横向采用侧向挡块进行固定，其结构 如下图2 4 所示。 为了满足连续铺设轨道板的要求，底座混凝土板采用连续铺设，在梁 缝处铺设硬泡沫塑料板s t y r o d u r 5 0 0 0 ，减弱底座混凝板的截面从而减小底 座板由梁端转角带来的弯曲应力。长桥上采用与路基上和短桥上相同的横 向加预应力的标准板，铺设不受桥跨、桥长的限制。轨道板与底座板的传 力连接不再采用嵌入式的限位块装置，而是直接通过砂浆垫层传力，大大一 简化了底座混凝土板的施工和轨道板的生产 ，博格板式无碴轨道桥上新方案结构的主要特点是：轨道板和底座板均 为连续铺设，贯通全桥，不存在板缝；采用统一的轨道板和扣件；取消了 钢轨伸缩调节器的设置，底座板和桥梁间设置滑动层，大大降低桥梁伸缩 对底座板产生的附加力；墩台固定支座处底座板和桥梁设置固定联结机构， 将轨道板的纵向力传至桥墩上；在桥台两端设置摩擦板，以消处底座板内 多余的纵向力：连续底座板两端设置端刺，抵抗摩擦扳未消除完的多余纵 向力，阻止轨道板的移动。 图2 - 4 长桥上博格轨道结构( 新方案) 2 2 3 两种方案的比较 ( 1 ) 力学模型比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 5 既有方案钢轨和扣件的温度力学模型图 基于侨蘩的度麦形授有钢孰盅力投有利l 的_ 嘲 图2 - 6 博格新方案钢轨和扣件的温度力学模型图 ( 2 ) 对钢轨和对轨道扣件的影响 通过对上面两个力学模型的比较，可以看出由温度作用引起的桥梁的 伸缩对钢轨和扣件有截然不同的影响。由于既有方案轨道板与桥梁纵向共 同承载，桥梁的伸缩对钢轨直接产生法向力，当这个力大于扣件的摩擦力 时，钢轨与扣件之间产生相对位移，对扣件内的垫板和弹性垫层产生磨损， 磨损随着作用的循环而加大。 博格新方案在底座板与桥面之间铺设滑动层，桥梁的伸缩对钢轨和扣 件产生的影响很小。由于桥梁伸缩逐渐形成的强制应力，在行车时动力效 应下放散。对钢轨应力的减小大大减小钢轨断裂的危险性，同时可以取消 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 长桥上钢轨伸缩调节器。在梁缝处铺设硬泡沫塑料板s t y r o d u r s 0 0 0 可以减 小由梁端转角造成的扣件的上拔力，不需要特殊扣件，钢轨在梁端转角的 上拱明显降低可大大提高行车的舒适度。 ( 3 ) 对预应力桥梁、墩台和桩基的影响 无碴轨道板在长桥上的既有方案采用分块式铺设，每块板的下部前后 两端都有向下突出限位块，嵌入底座板中预留凹槽中。轨道板与桥梁纵向 共同承载，作用在轨顶面上的牵引力和制动力通过轨道扣件直接传入桥梁 和下部结构，部分作用力通过无缝钢轨传递到不直接受力桥跨上，相反由 于桥梁伸缩或变形通过轨道扣件对钢轨直接产生应力。 博格板式轨道在长桥上的新方案只有在纵向固定支座处轨道与桥梁由 传力连接，原则上作用在轨顶面上的牵引力和制动力也直接传入桥梁及下 部结构。但由于轨道是连续的，轨道板与底座板的截面远远大于单纯的钢 轨截面，刚度的加大有利于将牵引力和制动力分散到不直接受力桥跨上 ( 4 ) 对施工和轨道板生产的影响 在前面已对德国无碴轨道在长桥上既有方案的构造和施工顺序作了介 绍，如采用博格板式轨道在长桥上的新方案则省去了防水层和保护层的铺 设，省去了保护层与底座混凝土板之间的钢筋连接。因为轨道板下部突出 的限位块不存在了，底座板不需预留凹槽，施工也明显简化。同时因为长 桥上铺设的都是规格一致的标准板，轨道板的生产标准化省去了既有方 案长桥上的分块工作和不同桥跨上的补偿板，省去了轨道板与底座板之间 的橡胶垫层和粘贴的工作。 ( 5 ) 对施工组织和工期的影响 采用了博格新方案系统长度由原来的4 5 m 加大到6 5 m ，板厚由原来的 3 0 c m 减小到2 0 c m ，板的重量略有减少，这样相同的铺设工作量，铺设效 率增加。既有方案在长桥上结构层多，工序也多，施工组织复杂不易展开， 底座板上有预留凹槽，施工车辆无法行走由于轨道板是分块式的，间隔 l o c m ，精调测量车不易走行。而博格新方案在长桥上结构层少，工序也少， 施工组织单一，易于机械化施工，效率可以大大提高，特别是在施工完后 的底座板上可以行走旋工车辆。由于底座板是连续铺设的，因此轨道板的 铺设和精调测量可连续进行。 通过对既有方案与媳格新方案在施工组织和物流方面的比较对工期有 明显的影响，博格新方案在缩短工期上有很大的优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章桥上博格板式无碴轨道纵向力模型 3 1 桥上博格无碴轨道纵向力计算模型 现有的无碴轨道桥上无缝线路计算模型，一般是在考虑梁轨相互作用 的基础上，建立线桥墩一体化计算模型，并且线路横向一般只考虑一线的 单轨单梁作用，没有考虑相邻线路对梁轨相互作用的影响，这对于非连续 底座板式无碴轨道的桥上无缝线路计算是适用的但连续底座板式无碴轨 道，其道床板( 由轨道板、c a 砂浆和底座板组成) 变形和传力特性类似于 无缝线路中的长轨条，必须考虑其对梁轨相互作用的影响另外，由于道 床板的伸缩刚度很大，一线的伸缩变形受到另一线强有力的限制，若纵向 力计算中略去临线的影响这将与实际情况存在较大差别。 根据博格桥上连续底座板式无碴轨道纵向传力特点，建立图3 1 所示的 线板桥墩空问一体化纵向力计算模型，线路纵向考虑钢轨、道床板、桥梁 和桥墩的相互作用。线路横向考虑两股道的相互作用。根据德铁已有试验 结论，模型中认为c a 砂浆能完全保证轨道板和底座板的协调同步变形，因 此，将轨道板和底座板纵向看成一块板，以下称之为道床板钢轨和道床 板通过扣件纵向阻力进行相互作用，道床板和桥梁通过固结机构和摩擦阻 力进行相互作用 由于本文目的是弄清这种新型结构的纵向传力特性以及其影响因素， 同时考虑到计算的工作量，所以在本文所建模型中，将结构都简化为空问 梁单元的杆件模型，结构层之间的连接采用弹簧单元进行模拟。 模型具体简化如下： ( 1 ) 钢轨、道床板以及桥梁单元 钢轨、道床板( 轨道板与底座板) 以及桥梁用2 d 弹性梁单元b e a m 3 来 模拟；b e a m 3 单元是单轴承受拉力、压力及力矩的单元，每个节点具有x 与y 位移方向及绕z 轴旋转角度3 个自由度，对一个单元来说共有6 个自 r1 fr1 由度，即： 6 一 五t ，访，夙；五j ，；j ，扫，i ，由于本文所建模型只考虑其单轴拉 【j 【，j 压，不考虑其扭转及剪切，则访- - o ，夙= o ；，= 0 ，舀j = 0 。在单元坐标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 系中缩减后的单元刚度矩阵为： ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 童 或写为： p r - 【霞】 占r t 3 3 ， 式中 户 为单元坐标系中单元杆端力矩阵，p r 为单元坐标系中，元 杆端位移矩阵，e a 为单元抗拉刚度，f o 为单元长度。 通过以上对结构的离散，写出单元的单刚，再按照对号入座法则由单 刚集成总刚，把非结点力等效为节点力，依据静力平衡和变形协调条件写 出整体平衡方程，进而求解 ( 2 ) 连接单元 轨道扣件纵向阻力以及道床板与桥梁间的摩擦阻力以非线性的弹塑性 弹簧单元c o m b i n 3 9 来模拟；c o m b i n 3 9 单元可以被用于任何分析，它是 一种具有非线性f d 性能的单向受力单元。该单元在1 - d ，2 - d 或3 d 应用 中具有纵向和扭转的能力，纵向能力是指它是单向的轴向拉一压单元，每 个节点都具有三个自由度：即节点的x ，y ，z 三个方向的平移自由度，不 考虑弯曲和扭转。扭转能力是指它是一种纯扭转单元，每个节点都有三个 自由度：即绕x ，y ，z 轴的旋转，不考虑弯曲或轴向荷载，因为单元的每 个节点都有三个自由度，故该单元具有大变形能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 桥梁墩台、固结机构以及端刺以线性弹簧单元c o m b i n l 4 来模拟，该 单元可应用于模拟一维、二维或三维空间在纵向或扭转的弹簧一阻尼效果， 当考虑纵向弹簧阻尼时，该单元承受单向受拉或受压，每个节点可通过其 k e y o p t 选项设置使其分别具有x 、y 、z 三个方向的自由度，不考虑弯曲 及扭转，当考虑为扭转弹簧阻尼时，该单元承受纯扭转，每个节点可具有x 、 y 、z 角度旋转方向的自由度，不考虑弯曲及轴向荷载，并且该单元也是无 质量单元。 弹簧一阻尼系统的总位能表示为： f i 卅( 1 ：) 。+ 吾k g 2 _ c v l ：( 3 4 ) 位移试函数采用2 节点线性插值，在自然坐标系中，其2 节点形函数 为： m 委( 1 一言) 二 其中：一1 亭1 n i 2 ( 1 + 孙。 钢轨 ( a ) 模型纵断面示意图 模型横断面示意图 图3 - 1 线一板一桥一墩纵向力计算模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 2 梁、板轨纵向相互作用机理及算法 3 2 1 纵向相互作用机理 梁、板轨纵向相互作用是一个相当复杂的相互约束的过程，梁、板轨 间的纵囱相互作用力包括梁体伸缩受到上部结构线路纵向阻力制约面形成 的伸缩附加力，列车竖向荷载使梁体挠曲产生上翼缘平移而形成的挠曲附 加力，列车制动、牵引引起的制动或牵引附加力，钢轨在低温下折断形成 的断轨力 1 ( 1 ) 伸缩附加力 为了说明问题的方便，以图3 - 2 所示一跨简支梁桥为例，说明伸缩附加 力的产生机理。 图3 2 伸缩附加力机理图 温度上升，梁体从其原来位置向活动端伸长，若截面与固定端距离为 f 。，口为梁的温度膨胀系数，在无约束情况下，梁上各载面的位移 越。- 耐，址，梁在伸长过程中，通过底座板与桥面间的摩阻力带动道床板 向活动端移动，而道床板的移动进而通过轨道扣件带动钢轨向活动端移动。 钢轨、轨道板的位移又受到路基上纵向阻力的制约，结果活动端以外的线 路纵向阻力顶住轨道板而使钢轨受压，固定端以外的线路纵向阻力拉住轨 道板而使钢轨受拉，因此，在梁的活动端与固定端之间，必然有一个道床 板和钢轨从受压到受拉的转折点，钢轨受伸缩力作用后，各截面也将产生 相应的位移，因梁的温度伸缩所造成的这种钢轨纵向附加力称为伸缩附加 力。粱、板轨之间的相互作用力通过支座传递到墩台，使墩台也受到相应 的纵向力作用，墩台在纵向力的作用下发生纵向移动，又将对梁、轨纵向 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 相互作用产生影响，若考虑基础与墩台的相互作用，情况就更加复杂，钢 轨、桥梁、支座、墩台及基础组成了一个相互影响的整体 博格桥上连续底座板式这种新型轨道结构也正是基于降低梁轨之间相 互作用力，而在桥梁与底座板之间铺设层摩擦系数很小的由土工布等材 料组成的滑动层，以使桥梁在温度变化情况下可以向其活动端发