（道路与铁道工程专业论文）大跨桥上纵连板式轨道纵向力计算研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 桥上纵连板式轨道借助底座板的纵连解决梁端转角对轨道结构的不 利影响，通过设置滑动层来削减梁轨相互作用，在大跨桥上可以取消钢轨 伸缩调节器，这种设计思想对大跨桥上铺设无砟轨道具有积极的借鉴意 义。 基于梁轨相互作用原理和有限元方法，本文采用梁单元和弹簧单元模 拟各结构层，建立了大跨桥上纵连板式轨道纵向力计算模型，并以某跨径 为9 4 m + 1 6 8 m + 8 4 m 的连续刚构桥为例，计算了制挠力、温度力和断板力工 况下桥上纵向附加力，同时分析了滑动层摩擦系数、轨道板和底座板伸缩 刚度变化以及固结机构设置对桥上附加纵向力的影响。计算结果表明： ( 1 ) 大跨桥上纵连板式轨道以温度力为主要控制荷载，但不能忽视 制挠力的作用。底座板在与端刺刚性连接的部位极易发生断板，建议端刺 与底座板不采用刚性连接的形式，而采用弹性连接的形式，以降低底座板 和端刺的受力。固结机构抗剪设计应以断板力为主要控制荷载。 ( 2 ) 滑动层摩擦系数、轨道板和底座板的伸缩刚度变化对梁轨相互 作用影响显著，尽量减小滑动层摩擦系数、轨道板( 底座板) 在合理范围 内的开裂对大跨桥上纵连板式轨道的受力是有利的，在设计的初期阶段， 就应当考虑到滑动层失效、轨道板( 底座板) 开裂的情况。 ( 3 ) 取消固结机构，对底座板的受力是有利的，但温度力作用下端刺 纵向力极值会大幅增加，大跨桥上设置固结机构是有必要的。当考虑两股 轨道同时断板的最不利情况时，取消固结机构后，受断板力影响最显著墩 台的墩顶纵向水平力降幅达7 8 ，建议固结机构抗剪设计时应保证大跨桥上 纵连板式轨道发生最不利断板的同时，固结机构也一起被剪断，以确保桥 梁结构的安全。 通过本文的分析对客运专线大跨桥上纵连板式轨道设计提供了一定的 理论指导。 关键词：大跨桥；纵连板式轨道；纵向力；计算研究 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 w i t ht h eh e l po f t h eb e dp l a t eo f l o n g i t u d i n a lc o n n e c t i o n , c o n t i n u o u s s l a b - t r a c ko nb r i d g ec a nr e m o v et h eu n f a v o r a b l ei n f l u e n c eo nt r a c ks 仇l c t u r ec a u s e d b yt h er o t a t i o na n g l eo f b e a me n d s e t t i n gs l i d el a y e ri sag o o dm e a s u r et o r e d u c et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er a i la n db r i d g e a n dr a i le x p a n s i o n j o i n to n l o n gs p a nb r i d g ec a l lb ec a n c e l l e d s ot h i sd e s i g nt h o u g h tc a no f f e ri m p o r t a n c e r e f e r e n c ea n dd i r e c t i v es i g n i f i c a n c et oc o n s t r u c t i o no f b a l l a s t l e s st r a c ko nl o n g s p a nb r i d g e s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f b r i d g e t r a c ki n t e r a c t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，t h ep a p e ru s e sb e a me l e m e n ta n ds p r i n ge l e m e n tt oe a c hs i m u l a t e s 仃u c t i i r es h e a f , b u i l d st h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f l o n g i t u d i n a lf o r c ei nc o n t i n u o u s - s l a b - t r a c ko nl o n g - s p a nb r i d g e m o r e o v e r , a n dt a k e sas u p e r s t r u c t u r eo f 9 4 m + 1 6 8 m + 8 4 ms i m u l a t i n g c o n s t r u c t i o no f c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ea s a n e x a m p l e ，c a c u l a t e sa d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lf o r c e st r a n s m i s s i o nu n d e r m u l t i p l e w o r k i n gc o n d i t i o n s ( b r a k i n g - b e n d i n gf o r c e s , t e m p e r a t u r es t r e s sa n d b o a r d - b r e a k i n gf o r c e ) i nb r i d g e ，a n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fs l i d i n gf r i c t i o nc o e m c i e n t 、 e x p a n d i n g - c o n t r a c t i n gc h a n g e so f s t i f f n e s so f s l a b ( b e dp l a t e ) a n da b o l i s h i n g s h e a rp i n t h ec a l c u l a t i n gr e s u l ta r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h et e m p e r a t u r el o a do f c o n t i n u o u s - s l a b - t r a c ks t r u c t u r eo v e rl o n gs p a n b r i d g e sc o n t r o l l i n gf o rl o n g s p a nb r i d g e , b u tt h ee f f e c t so f b r a k i n g - b e n d i n gf o r c e c a n n o tb ei g n o r e d t h er i g i dc o n n e c t i o n sp a r to f b e dp l a t ea n dt e r m m a ls p i n e w i l lb es l a bb r e a k e ne a s i l y , s ot h ep a p e rs u g g e s t st h a tb e dp l a t ea n dt e r m i n a l s p i n en o tt ou s et h er i g i dc o n n e c t i o n sf o r m ，i n s t e a do fe l a s t i c i t yf o r m ，r e d u c i n g t h ef o r c eo f b e dp l a t ea n dt e r m i n a ls p i n e t h ef o r c eo f b r o k e np l a t es h o u l db et h e m a i nc o n t r o ll o a d so f t h es h e a rd e s i g no fc o n c r e t i o ni n s t i t u t i o n s ( 2 ) s l i d i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n t 、e x p a n d i n g - c o n t r a c t i n gc h a n g e so f s t i f f n e s s o fs l a b ( b e dp l a t e ) h a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h eb r i d g e - t r a c ki n t e r a c t i o n ，t h e ni t i sb e s tf o rt h es t r e s si nc o n t i n u o u s s l a b - t r a c ko nl o n g - s p a nb r i d g et or e d u c et h e s l i d i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n ds l a b ( b e dp l a t e ) c r a c k i n g i nar e a s o n a b l er a n g e ； t h e r e f o r e ，t h es l i d i n gl a y e rf a i l u r ea n ds l a b ( b e dp l a t e ) c r a c k i n gc a s es h o u l db e c o n s i d e r e di nt h ep r i o rs t a g eo f d e s i g n ( 3 ) i ti sa d v a n t a g ef o r t h ef o r c eo f b e dp l a t et oc a n c e lc o n c r e t i o ni n s t i t u t i o n s ， b u tu n d e rt h ea c t i o no f t e m p e r a t u r ef o r c et h el i m i t i n gv a l u eo f l o n g i t u d i n a lf o r c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i l 页 o f t e r m i n a ls p i n ew i l lb ei n c r e a s i n gg r e a t l y ；s oi t sn e c e s s a r yt os e t u pc o n c r e t i o n i n s t i t u t i o n s0 1 1l o n gs p a nb r i d g e s w h i l ee o n s i d e r i n gt h ew o r s t c a s eo f t w ot r a k e sb o a r d - b r e a k i n ga tt h es a m e t i m e ；a f t e rc a n c e l l i n gc o n c r e t i o ni n s t i t u t i o n s ，t h el o n g i t u d i n a lh o r i z o n t a lf o r c eo f b r i d g ep i e r st o pw a si n f l u e n c e dm o s tb y t h ef o r c eo f b r o k e np l a t ei st od o w n - r a n g eo f 7 8 ，s ois u g g e s tt h a tt h es h e a rd e s i g no f c o n c r e t i o ni n s t i t u t i o n ss h o u l d b ea s s u r et h a tw h e nt h ec o n t i n u o u s - s l a b - - t r a c ko nl o n g - s p a nb r i d g eo c c u r et h e w o r s t - c a s eo f b o a r d - b r e a k i n g ，c o n c r e t i o ni n s t i t u t i o n si sn i p p e dt o g e t h e r , t o g u a r a n t e et h es a f e t yo f t h eb r i d g e t h i ss t u d y p r o v i d e st h et h e o r i e sf o rd e s i g n i n gt h ec o n t i n u o u s - s l a b - t r a c k o v e rl o n gs p a nb r i d g eo f p a s s e n g e rr a i l w a y s k e yw o r d s ：l o n gs p a nb r i d g e c o n t i n u o u s - s l a b - t r a c k l o n g i t u d i n a lf o r c e c a l c u l a t i o na n ds t u d y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 自1 9 7 1 年无砟轨道在日本山阳新干线开始应用以来，无砟轨道已经经 过了4 0 多年的运用和发展，并逐步形成了以日本和德国为代表的两大技术 体系，即日本的柔性填充层板式无砟轨道结构和德国刚性基础整体式无砟 轨道结构，无砟轨道以各种道床形式取代传统的碎石道床，以其高稳定性、 高平顺性、结构高度低、自重轻和少维修等特点，在高速铁路运营中逐渐 取得了明显优势。 传统的有砟轨道采用碎石道砟作为道床，因石砟道床的增弹减振、排 水及方便维理养护等特点，使得有砟轨道具有铺设方便、造价低、容易维 修等优点，长期以来作为世界各国普通铁路轨道的主要结构型式。但随着 列车速度的提高，轨道的振动加剧，石砟道床的变形越来越来严重。在高 速铁路上，石砟道床的变形非常快，给轨道的维修造成困难，同时还因为 石砟变形的不均匀性造成轨道的各种不平顺，影响高速列车的舒适和安全 性。其次，高速铁路上，因高速行车造成强大的列车风，致使道砟颗粒被 风卷起，道床形状难以保持，不得不采用措施进行道砟表面封闭，从而使 有砟轨道失去了方便维修这一最大的优势。此外，在长大隧道及城市地铁 中，因为维修不方便，不宜采用变形快维修量大的有砟轨道。 无砟轨道相对与传统的有砟轨道结构的优点有：轨道稳定性好，轨道几 何形位能持久保持，线路养护维修工作量显著减少；耐久性好，轨道使用寿 命长( 6 0 年以上) ；长波不平顺小，乘坐舒适度高；横向阻力的提高，增加了 安全性；可以采用较小的曲线半径和较高的曲线超高，减少投资；结构高度 低，自重轻，可减少桥梁二期恒载、降低隧道净空，从而降低工程总造价；维 修量小，提高了线路使用率，减少事故隐患；道床整洁美观，解决了道砟飞溅 带来的一系列问题；更好地适应于车辆的涡流制动系统，为未来更高速的 列车提供足够的富余量。 无砟轨道相对与传统的有砟轨道结构需要解决的问题主要有：( 1 ) 初 期投资和综合效益问题，无砟轨道初期投资大，其初期投资与经济效益问 题是一个复杂的问题，必须结合工程实践进行分析；( 2 ) 修理与修复问题， 无砟轨道修建完成以后，运营阶段轨道几何状态的调整基本取决于扣件的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 调整能力，而扣件的可调节量总是有限的，当发生较大变化时，调整将非 常困难。( 3 ) 噪声问题与轨道弹性问题。无砟轨道的弹性主要由扣件提供， 因此对无砟轨道的扣件设计提出了更高的要求。 1 1 国内外无砟轨道应用和发展概况 1 1 1 国外无砟轨道概况 无砟轨道在世界范围内得到了广泛的推广应用。并且，在无砟轨道的 研发、试铺及应用过程中，许多国家都根据各自铁路的特点，研发了自具 特色的无砟轨道结构型式。目前，世界范围内用于高速铁路上的无砟轨道 结构型式主要是轨枕埋入式和板式无砟轨道结构，具体的型式是雷达型、 旭普林型轨枕埋入式无砟轨道和新干线板式、博格板式无砟轨道。 1 1 1 1 德国雷达型 r h e d a 型无砟轨道于1 9 7 2 年在德国r h e d a 车站铺设，这也是该轨枕埋 入式无砟轨道名称的由来，截止2 0 0 6 年，r h e d a 型无砟轨道已在德国铁路 上铺设5 0 9 9 4 6 k m ，其中，高速铁路上铺设4 7 0 k m 。在韩国高速铁路铺设 5 3 8 4 1 k m 。 r h e d a 型无砟轨道由u i c 6 0 钢轨+ v o s s l o h 3 0 0 扣件+ 整体式轨枕或双块 式轨枕+ 道床板+ 底座组成。底座又常称为水凝性材料支撑层。最新的r h e d a 结构型式为r h e d a2 0 0 0 ( 如图1 - 1 ) ，其底座宽度一般为3 4 3 8 m ，结构 高度为4 7 2 4 7 3 m 。 图1 - 1r h e d a 2 0 0 0 结构截面 r h e d a2 0 0 0 堪称r h e d a 型无砟轨道的完美之作，即实现了结构高度整 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 体性的设计目标，又达到了减少预制结构与现浇混凝土结合面面积、控制 表面裂纹产生与扩展的效果。相比以往的r h e d a 型无砟轨道，r h e d a2 0 0 0 简化了轨枕块结构，取消了混凝土槽，降低了结构高度，完善了结构的整 体性，可降低轨道本身和线路的造价，统一了结构型式，即在土质路基、 桥梁、隧道，以及道岔区和钢轨伸缩调节器区域都具有相同或相似的结构， 在隧道内铺设时，可取消底座结构，在桥上铺设时，底座与桥面间通过凸 台结构联结，保证上部结构与下部基础间不产生相对移动，抵抗纵横向作 用力“1 。其中，对于长度2 5 m 的短桥来说，设置1 个凸台；对于长度) 2 5 m 的长桥来说，需要将道床板分块设置，每块道床板下设置2 个凸台。 1 1 1 2 德国旭普林型 旭普林双块式无砟轨道系统结构组成与r h e d a 2 0 0 0 相似，其研发初衷 是寻求一种高度机械化的施工方法，以解决r h e d a 轨枕埋入式无砟轨道传 统的手工施工带来的进度慢、成本高的问题。z u b l i n 型无砟轨道是1 9 7 4 年 在z u b l i n 铺设的一种轨枕埋入式无砟轨道结构型式。 图1 _ 2z u b l i n 无砟轨道截面 z u b l i n 与r h e d a 的主要差异在施工方式上，后者是底座浇注完成后， 将预制轨枕组合的轨排放置在底座上，绑扎好钢筋以后，浇注混凝土，使 轨枕与道床板成为一个整体结构；前者是在现场混凝土道床板浇注以后， 通过振动方式将轨枕“振入”到新鲜混凝土中，使轨枕与道床板成为一个 整体结构。此时的混凝土必须具有一定的密度，只能将轨枕“振”入其中， 而不允许轨枕靠重力“沉”入其中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 1 1 3 日本新干线板式 板式轨道的开发始于1 9 6 5 年。为适应高速行车的需要及解决有砟轨道 维修中的困难，日本国铁于1 9 7 1 年成立了“板式轨道研究会”，集轨道结 构、材料、土工、物理、有机化学研究人员于一组。 日本国铁技术研究所分别在高速铁路和窄轨铁路上试铺了m 型、l 型和 a 型轨道板。m 型轨道类似于浮置板轨道，每块板由四个橡胶支座支承。l 型轨道板支承在沿钢轨方向呈带状的现浇钢筋混凝土基座上。 a 型轨道板轨道的特点是在混凝上基础与轨道板之间铺有一层5 0 m 厚 的乳化沥青水泥砂浆( c a 砂浆) 垫层，使轨道具有足够的强度和一定的弹 性，方便施工中的误差调整。运营过程中，如基础发生不均匀沉降，可采 用补充灌注砂浆的办法进行整治。列车的横向力依靠设置在混凝土基础上 的凸台承受。 上述三种轨道板是专门为隧道内和高架桥上使用无砟轨道而设计的。 经试铺后，发现m 型和l 型轨道板都出现了裂纹等病害，a 型轨道板没有出 现裂纹，使用效果良好，且轨道所要求的精度也较容易达到，故决定在具 有坚固基础的隧道内和高架桥上推广使用a 型轨道板。 图卜3 日本a 型轨道板 图i - 3 为a 型轨道板的结构型式。轨道板尺寸约为4 9 5 0 m 2 3 4 0 m x 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 0 0 m m ，轨下截面板的厚度为1 6 0 珊。采用c 5 0 级混凝土，板内双层双向配 置部分预应力钢筋。板上预留c a 砂浆注入孔，将板定位后，从注入孔注入 c a 砂浆。轨道板的基础是在抑供或桥面上用c 3 0 级钢筋混凝土浇筑的底座。 在轨道板的两个端部中央，设有半径为2 5 0 r a m 的半圆形缺口，在相应 于半圆缺口处的底座处，设置半径为2 0 0 m 的凸起圆形柱，与混凝土底座 灌筑成为整体，轨道板与圆柱之间用c a 砂浆填充。设置圆形柱的目的，一 是考虑到板与底座间的摩阻力不足以抵抗轨道板所受的纵横向力，有助于 限制轨道板的纵横向位移；二是作为板式轨道铺设和调整时的测量基准点。 c a 砂浆用在a 型轨道板轨道上作为垫层材料，是日本轨道板铺设成功 的一个重要条件。c a 砂浆具有足够的支承荷载的强度，也具有一定的弹性， 且成本不太高。水泥砂浆虽有一定的强度和耐久性，但弹性差，而乳化沥 青虽富于弹性，但强度和耐久性差，将两者结合起来成为c a 砂浆，通过调 整配合比例，可得到所需要的强度和弹性。c a 砂桨由水泥、沥青乳剂、细 砂、膨胀剂和速凝剂等组成。 r a 型轨道板是为在土质路基上使用而设计的轨道板，如图卜4 所示。 考虑到土质路基沉降变形较大，在路基面上铺设3 0 0 m 厚的砾石层，之上 用2 0 0 m 厚的沥青混凝土层( 代替普通钢筋混凝土) 作为轨道板的基础( 底 座) 。轨道板的结构与a 型轨道板类似，沥青混凝土底座与轨道板之间仍采 用约5 0 r a m 厚的c a 砂浆层垫，c a 砂浆调节层的厚度视施工质量而定，最小 为4 0 m m ，最大为l o o m 。 t 一钢轨i 2 r 璺锕筋穗疆土轨萱板i 3 一枥膏层，一薪青 摄蕞土暑j s 砾石j 一水冕砂蘩层彳一轨下垫屡 图1 - 4 日本土质路基上r a 型轨道板 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 1 1 4 德国博格板式 博格板式无砟轨道系统的前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德 达豪的一种预制板式无砟轨道。博格结构组成类似于新干线板式轨道，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连接 方式，后者采用凸型挡台联结方式。 博格板式无砟轨道实质上吸收了轨枕埋入式结构整体性的特点和板式 轨道制作与施工的特点“1 。砂浆层为半刚性材料，弹模e 达到5 0 0 0 n m m 2 ， 接近其下的水凝性材料层，厚度仅为3 0 0 m m ，出发点是将轨道板与底座联结 成整体结构；轨道板间采用螺杆联结，并将接缝用混凝土灌注，也是为了 增强结构整体性，以适应路基铺设要求。 路基上的博格无砟轨道截面如图卜6 所示。路基上博格无砟轨道由 v o s s l o h 3 0 0 型弹性扣件、预制轨道板、砂浆调整层及水硬性材料支承层等 部分组成。桥上还有底座板、滑动层、固结机构、摩擦板、端刺等，将在 下一章中做比较详细的介绍。 图1 - 5 博格板式轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图卜6 土质路基上的博格板式轨道 图1 - 7 轨道板之间的连接 1 1 2 国内无砟轨道概况 国内对无砟轨道的研究始于上世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同时起 步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌注式等整体道床以及沥青 道床等几种型式，正式推广应用的仅有支承块式整体道床。8 0 年代曾试铺 过沥青整体道床，由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床，以及由沥 青灌注的固化道床等，在大型客站和隧道内试铺，总长约l o k m ，但并未正 式推广。此外，在桥梁上试铺过无砟无枕结构，在京九线九江长江大桥引 桥上全部采用了这种结构，长度约7 k m 。 1 9 9 5 年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的进程，在“九五”国家 科技攻关专题中，提出了适用于高速铁路桥梁、隧道结构上的三种无砟轨 道型式( 长枕埋入式、弹性支承块式和板式) 及其设计参数；在铁道部科 技开发计划项目“高速铁路高架桥上无砟轨道关键技术的试验研究”中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 完成了对三种结构型式的无砟轨道( 长轨枕埋入式、弹性支承块式、板式 轨道) 实尺模型的铺设及各项性能试验；初步提出高架桥上无砟轨道的施 工方案；提出了高速铁路无砟轨道桥梁徐变上拱的限值与控制措施；建立 了桥上无砟轨道车、线、桥耦合模型并进行了仿真计算，初步分析了高速 铁路高架桥上无砟轨道的动力特性与车辆走行性能。 1 9 9 9 年在秦沈客运专线选定了三座高架桥作为无砟轨道的试铺段。其 中，沙河特大桥( 长6 9 2 m ) 试铺长枕埋入式无砟轨道；狗河特大桥( 长7 4 1 m ) 直线和双河特大桥( 长7 4 0 m ) 曲线上试铺板式轨道。 图卜8 秦沈线沙河特大桥轨枕埋入式无砟轨道 图卜9 秦沈线狗河特大桥板式无砟轨道 2 0 0 6 年，在遂渝线建成我国首个无砟轨道综合试验段。在包括桥梁、 隧道和路基及各种过渡段在内的不同线下基础上研究和试铺了双块式无砟 轨道、轨枕埋入式无砟轨道、板式轨道( 含平板型、框架型和减振型板式 轨道) 和纵连板式轨道等轨道结构类型，其中平板型板式轨道3 5 9 1 m ，框架 西南交通大学硕士研究生学位论文第o 页 型板式轨道4 0 3 7 m ，减振型板式轨道3 2 0 m ，纵连扳式轨道1 2 4 9 m ，双块式轨 道8 6 3 6 m ，道岔区轨枕埋入式轨道7 4 6 m 。道岔区轨枕埋入式轨道为我国首 次在路基地段铺设了无砟无缝道岔，在新北碚嘉陵江大桥桥上铺设了纵连 板式无砟轨道结构，为我国在大跨度桥上铺设无砟轨道提供了经验。试验 段采用了铁科院开发的w j 一7 型扣件弹性分开式扣件。 图卜1 0 遂渝线路基上双块式无砟轨道 图1 - 1 1 遂渝线道岔区长枕埋入式无砟轨道 在此2 0 多年期间，我国在无砟轨道的结构设计，施工方法，轨道基础 的技术要求，以及出现基础下沉等伤损的整治等方面积累了宝贵的经验， 并吸取了有益的教训，为发展无砟轨道新技术打下了基础。 1 2 本课题研究的意义 根据中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年我国将建成“四纵四横”快速 客运通道及三个区域城际快速客运系统。无砟轨道具有养护维修工作量小、 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 刚度均匀性好、几何形位保持能力强、耐久性好等特点，我国客运专线轨 道结构均以无砟轨道为主。又因为我国高速铁路要与既有线兼容，运量大， 天窗时间短，因此大力推广少维修的无砟轨道具有重要的意义。受地形条 件限制，将会有大量的大跨度桥上需要铺设无砟轨道。桥上采用无砟轨道 结构的最大优势是二期恒载小，板式无砟轨道相对于轨枕埋入式无砟轨道 结构来说，单位重量要轻，桥上铺设板式无砟轨道结构是合理的。 纵连板式无砟轨道结构源于德国，作为一种新型的无砟轨道形式，有 其独特的特点，在建的我国京津城际快速铁路上，采用了博格公司专门针 对中国的新方案即纵连板式无砟轨道，根据遂渝线无砟轨道综合试验段板 式轨道设计情况及国内外板式轨道基本结构型式，综合对比各类结构的优 缺点，我国设计开发了t b j z l 纵连式轨道板，并在新北碚嘉陵江大桥上铺 设了此种纵连板结构。与常规的桥上无砟轨道相比，纵连板式无砟轨道桥 上无缝线路各结构层的相互作用关系更加复杂，借助底座板的纵连解决梁 端转角对轨道结构的不利影响，通过设置滑动层来削减梁轨相互作用，在 桥上可以取消钢轨伸缩调节器，这种设计思想对大跨度桥上铺设无砟轨道 具有积极的借鉴和指导意义。 目前大跨桥上纵连板式轨道在国内外也尚无成熟的工程实际应用经 验，其设计计算方法在不断的发展和改进中，尚未形成系统，建立一个既 能反映实际线桥板相互作用关系，又便于计算分析的计算模型，是大跨桥 上纵连板式轨道纵向力分析的基础和关键问题，在此基础上对桥上纵向力 进行计算研究，揭示各种因素对桥上附加力的影响，将对我国突破大跨度 桥上铺设无砟轨道的瓶颈，对客运专线无砟轨道铁路桥梁设计提供重要的 理论指导。 1 3 本论文的主要内容 本论文的主要内容如下： 1 对桥上纵连板式无砟轨道结构的主要特点进行了介绍，对比分析了 常规桥上无砟轨道与桥上纵连板式无砟轨道在纵向力传递机理方面的异 同，着重分析桥上纵连板式无砟轨道各纵向附加力的形成机理。 2 基于大跨桥上纵连板式轨道结构特点及纵向传力特点，在梁轨相互 作用原理基础上，采用梁单元和弹簧单元模拟各结构层，应用a n s y s 有限 元通用软件建立了大跨桥上纵连板式轨道纵向力计算模型，线路纵向考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 钢轨、轨道板、底座板、固结结构、端刺、摩擦板和桥墩的相互作用，线 路横向考虑两股轨道四根钢轨的相互作用。 3 本文以某跨径为9 4 m + 1 6 8 m + 8 4 m 的连续刚构桥为例，计算分析了各 种工况下大跨桥上纵连板式轨道的纵向力。大跨桥上纵连板式轨道的纵向 力计算内容应包括制挠力、温度力( 桥梁伸缩附加力、轨道板和底座板纵 向温度力、底座板收缩) 、断轨力和断板力的计算。 4 分析了滑动层摩擦系数、轨道板( 底座板) 伸缩刚度以及固结机构 设置对大跨桥上纵连板式轨道纵向力的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章桥上纵连板式轨道结构概述 桥上纵连板结构首先是由德国的博格公司提出的，已应用于我国在建 的京津城际轨道交通中，也就是我们通常所说的桥上博格板式无砟轨道新 方案。我国科技工作者在参照桥上博格板式无砟轨道新方案的基础上，根 据遂渝线无砟轨道综合试验段板式轨道设计情况，综合对比各类结构的优 缺点，设计开发了适用于我国国情路情的桥上纵连板式无砟轨道结构，本 文称之为遂渝无砟轨道综合实验段桥上纵连板结构，此种结构是结合日本 板式轨道和博格板桥上纵连技术而发展起来一种无砟轨道结构形式。相对 所有迄今为止的桥上无砟轨道结构而言，桥上纵连板式无砟轨道系统最主 要变化是可以实现取消钢轨伸缩调节器。 2 1 桥上博格板式轨道新方案 德国采用的博格板式无砟轨道在小于2 5 m 的短桥( 门式刚架) 上铺设 全桥连续预应力板。在大于2 5 米的桥梁上铺设较短的无纵连非预应力板。 桥上无砟轨道与两侧路基断开，在桥台后约l o 米的位置设置端刺结构，该 结构的主要作用是平衡小于5 m m 的基础沉降并与桥台一起抵抗路基上纵连 轨道的纵向力。而应用于我国京津城际轨道交通中的桥上博格板式无砟轨 道新方案，是综合了德国无砟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，适用于钢筋混凝土、预应力混凝土以及复合梁结构形式的 单跨、多跨和连续式桥梁。桥上博格结构新方案的传力方式十分复杂，与 传统的桥上无砟轨道有很大的不同。 2 1 1 主要特点 桥上博格板式无砟轨道新方案具有以下特点： 1 纵向连续的轨道板铺设在纵向连续的底座板上。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。 底座板纵向连续，它作为有效力学构件贯穿整个桥面，底座板端部设置端 刺。 2 在桥梁接缝范围内，在底座板下铺装一个5 c m 厚的硬泡沫塑料板。 3 轨道在桥面纵向除在固定支座上方( 简支粱) 与桥面通过固结机构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 直接传力连接外，其它区域与桥面保持滑动状态。通过固结机构，所有纵 向力和横向力传到桥梁和下部基础支座。 4 轨道在桥面横向采用侧向挡块进行固定。 5 对于大跨桥梁，桥台与地基过渡段设置1 0 0 米长的摩擦板。 6 桥上采用跟路基上一样的扣件。 2 1 2 主要结构 桥上博格无砟轨道新方案由v o s s l o h 3 0 0 型弹性扣件、预制轨道板、砂 浆调整层、底座板、滑动层、固结机构、摩擦板、端刺、侧向挡块等部分 组成。 配有非预应力钢筋的底座板的固定宽度为2 9 5 m ，混凝土标号为c 3 0 。 底座板在桥上纵向连续铺设，它作为有效力学构件贯穿整个桥梁接缝，由 于连续式底座板的作用，轨道板的布置可以做到与桥梁接缝无关。曲线地 段所必须的轨道超高设置也是通过调整底座板的厚度实现，底座板的上沿 必须符合坡度走向，表面刷毛处理。底座板厚度为1 9 c m ，在桥梁接缝范围 内，在底座混凝土板下铺装一个5 c m 厚的硬泡沫塑料板，在此位置，底座 混凝土板总的厚度相应减少了5 c m 。硬泡沫塑料板总长为3 o m ，其作用是 降低桥端转角对底座混凝土板的作用力( 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) ，将竖向力从轨道板通过底座混凝土 板传到桥梁上。底座板和桥梁通过相互结合( 固结机构) 实现抗剪切连接。 通常情况下，底座板和桥梁之问通过桥梁上的纵向固定点牢固连接。通过 抗剪切连接，所有纵向力和横向力传到桥梁和下部基础支座。除了上述固 结机构连接之外，在底座板与桥面之间铺设了土工布和薄膜构成的滑动层， 因此桥梁的伸缩对钢轨和扣件产生的影响很小，滑动层对博格结构起着非 常大的作用，直接决定其成败。 侧向档块通过连接钢筋与桥梁相连，桥梁上设置的侧向档块能把来自 轨道板和底座板横向力( 离心力和偏摆力) 传递到桥梁上。侧向档块的两 个主要功能是横向固定底座板和确保底座板的抗压曲性能，有三种不同类 型的侧向档块。 在桥台和路堤之间铺装一个1 0 0 米长的摩擦板，用以保证来自底座混 凝土板纵向作用力通过摩擦均匀地传递到下部基础上去，底座板一直铺设 到摩擦板的端部，底座板的端部是通过配筋结构与端刺呈刚性连接，摩擦 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 板的端部也连接在端刺上。从此连接部位开始，轨道板继续在h g t 层上铺 设。在摩擦板上的一定间距内还布置有侧向挡块，可以使轨道结构横向力 由此传递到地基中去。同时，还可以防止底座板出现横向失稳。 博格板式轨道利用纵连实现轨道的连续性和整体性，利用轨枕式设计 来保证承载能力。桥上博格结构新方案借助滑动层削弱梁轨相互作用，在 纵向上将梁的变形与轨道的变形分开。精密的机加工博格板确保扣件的安 装与线路的适应能力。为满足扣件要求和适应线路的能力采用机加工轨道 板的方式，大大增加了生产成本。 图2 - 1 摩擦板、端刺纵剖面图 2 。2 遂渝无砟轨道综合试验段桥上纵连板式轨道 遂渝无砟轨道综合实验段纵连板结构是我国研发的，是在国外无砟轨 道结构形式消化基础上再创新的成果。遂渝无砟轨道综合实验段纵连板结 构借鉴了日本板式轨道的结构和博格板式轨道的纵连技术。在新北碚嘉陵 江大桥桥上铺设了纵连板式无砟轨道结构，为我国在大跨度桥上铺设无砟 轨道提供了经验。 2 2 1 主要特点 遂渝无砟轨道综合实验段桥上纵连板式结构的主要特点与桥上博格板 式无砟轨道新方案的特点基本一样：纵向连续的轨道板铺设在纵向连续的 底座板上，底座板端部设置端刺( 限位台座) ；桥梁接缝范围内，在底座板 下铺装硬泡沫塑料板；轨道和桥梁仅在桥梁伸缩位移零点通过固结机构直 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 挡块进行固定。 遂渝无砟轨道综合实验段纵连式轨道板结构的轨道板源于日本的板式 轨道，与博格板式轨道结构的轨道板不同，遂渝无砟轨道综合实验段纵连 式轨道板结构的轨道板主要特点如下： i 纵连式轨道板标准长度为4 9 3 0 2 4 0 0 ) a d l 血 ( 3 - 2 4 ) 蛆m = 其中，d 响， d 。一d m 1 0 7 d 一分别为负位移的最大值和正位移最大值 ( 3 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 d 为第i 点的位移输入值，f = 1 , 2 ，2 0 。 ( 3 ) 除原点的斜率不能为负，其余每一段折线的斜率可以为正也可以 为负，即f 咖曲线可以有下降段出现。 ( 4 ) 对于双向或者三向弹簧，弹簧之间的距离不能为零，因为弹簧的 三个受力方向由两结点之间的连线表示。 ( 5 ) 可以将三维的弹簧单元设置为只考虑一个方向的单向弹簧，对于 单向弹簧，弹簧的结点i 、j 可以为空问任意结点，弹簧长度可以为零，并 定义结点j 相对结点i 有在整体坐标系中有正的位移为弹簧受拉； ：彬 。i 刀样 d 寇 0 夕乞 图3 _ 1 l 非线性弹簧单元c o m b i n a t i o n 3 9 3 4 纵向力计算内容 受地形的限制，高速铁路的铺设很多时候都要跨越江河、山谷、线路 等障碍，需要修建大跨度桥梁，由于高速铁路上的桥梁要求其刚度好、噪 声小、成本低、维修养护方便，而混凝土桥梁在满足这些要求方面具有突 出的优势，因此在需要修建大跨度桥梁的时候，也优先考虑混凝土桥梁结 构，大跨度桥的特点是温度跨度大，存在巨大的伸缩附加力，对于常规无 砟轨道桥上无缝线路，轨道结构和桥梁共同承受伸缩附加力，因此为了降 低伸缩附加力，可在大跨度桥上安装钢轨伸缩调节器，然而，对于高速度 线路，这些装置引起了一定程度的轨道不平顺，并增加了养护维修工作量。 纵连板式无砟轨道桥上无缝线路由于在底座和桥梁之间铺设了一层滑动 层，理论上桥梁和上部轨道结构之间的纵向相互作用会大大减弱。因此在 大跨度桥上铺设纵连板式无砟轨道是可行的，可取消钢轨伸缩调节器。大 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 跨度桥上纵连板式无砟轨道纵向力计算主要应考虑列车制动、桥梁挠曲变 形、底座板收缩、温度作用、断轨和断板对纵向力的影响。在以往的桥上 无缝线路设计检算中，制动力、伸缩力、挠曲力和断轨力等各种工况可以 单独计算，经过长期的实测经验，证明这种计算方法是可行的。但对于桥 上纵连板式轨道来说，设计和实测方面的经验都不足，各种工况单独计算 后叠加跟直接计算差别有多大，现在还不好说。因此在计算大跨桥上纵向 力的时候，为保证计算的合理性，制动力和挠曲力一起计算，称为制挠力。 纵向温度力、桥梁伸缩力和底座的收缩都可认为是温度引起的附加力，称 为温度力，也应叠加计算。断轨力和断板力属于偶然荷载，可单独计算。 3 4 1 制挠力 高速列车的竖向活荷载是形成挠曲力的重要荷载，由于大跨度混凝土 桥梁截面高度都很高，梁体在列车荷载作用下产生挠曲，其上翼缘缩短， 下翼缘伸长，梁的位移使钢轨、轨道板、底座板和桥梁构成的无缝线路体 系产生纵向相互作用，在轨道结构内产生的纵向力。桥上纵连板结构不以 活载作用下弯曲为主要控制荷载，但对于大跨度桥梁来说，在列车挠曲作 用下，大跨度桥梁的变形会对上部轨道结构产生一定的影响，我们也应当 考虑到桥梁结构变形对纵连板受力的影响，在此基础上确定大跨度桥上纵 连式轨道板的布置原则。 粱体在列车荷载作用下产生挠曲，使钢轨、轨道板、底座板和桥梁构 成的无缝线路体系产生纵向相互作用，在上部轨道结构内产生的纵向力。 在进行轨道设计时，轨道竖向荷载应由活载图式确定，从活载图式看，它 应包络线路上可能运营列车的轴重情况，高速铁路活载图式大体上分为两 种体系，一种是欧洲u i c 7 1 活载图式( 图3 - 1 2 ) ，另一种是日本高速列车专 用荷载p 荷载图式( 图3 - 1 3 ) 因为u i c 活载图式概括了目前欧洲的轻型和重 型运营列车荷载，根据实际情况，我国暂规采用0 8 u i c ( z k 荷载) 作为高速 铁路桥梁竖向设计活载图( 3 - 1 4 ) uu 贼衄 降牛上l 卜址j 上巾剖 图3 - 1 2u i c 7 1 活载图式 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 图3 1 3 日本p 活载图式 斛蚋钧o 洲o 蛾0 h 胡舳 圆uu 脚脚 降t 卜 l 卜强j 上中叫 图3 - 1 4 京沪高速铁路z k 活载图式 列车在桥面上制动时，钢轨、轨道板、底座板和桥梁构成的纵连板式 轨道桥上无缝线路体系纵向发生相互作用。列车制动在钢轨上产生的纵向 作用力通过扣件传递于轨道板，轨道板传递于底座板，底座板通过固结机 构传递于桥梁，桥梁传递于墩台。 制动力的大小主要决定于列车荷载及制动力率，制动力率与列车减速 度有直接关系，由于高速列车普遍采用盘式制动和使用防滑器，因此可以 最大限度地利用制动粘着力，所以最大制动力率可逼近粘着上限。国外实 验证明制动粘着系数一般为0 2 0 0 3 0 ，u i c 标准中轨面制动力率采用0 2 5 ， 我国高速铁路轨道标准与u i c 6 0 轨道标准类似，而且高速机车的研制又大 量参考和吸取了法国t g v 和德国i c e 的技术，因此轨面制动力率可采用 0 2 5 。在国外高速铁路桥上无缝线路设计中，对制动力的计算较为重视， 并形成了较完善的理论体系，如列车荷载长度、大小、检算规程等。u i c 标 准中为保证高速铁路道床的稳定性，还制订了制动条件下梁轨快速相对位 移限制标准。我国在近年来才开始重视制动力的计算，并从控制钢轨制动 附加力的角度考虑，提出了墩台顶最小纵向水平刚度的限制，并制订了相 应的规范。我国新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定中规定：列车制 动或牵引时，作用在桥墩顶的制动力或牵引力按竖向静活载的1 0 计算；列 车制动或牵引时，作用在桥台顶的制动力或牵引力按竖向静活载的1 5 计 算。 列车在桥上运行时，挠曲力可单独发生，但制动力的发生永远会有挠 曲力的伴随，为获取最不利工