高速铁路拱塔斜拉桥上无砟轨道隔离层变形协调性能研究.pdf
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1、第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023高速铁路拱塔斜拉桥上无砟轨道隔离层变形协调性能研究郑纬奇1,2,陈奏捷1,盛兴旺1,徐弘毅1,3,杨鹰1(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.高速铁路建造技术国家工程研究中心,湖南 长沙 410075;3.湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 410075)摘要:为保证高速铁路大跨度桥上无砟轨道服役寿命,提高行车安全性,需对服役环境中高速铁路桥上无砟轨道
2、隔离层变形协调性能进行研究。以高速铁路拱塔斜拉桥为工程背景,考虑桥上无砟轨道隔离层力学特性,建立拱塔斜拉桥无砟轨道体系精细化分析模型,研究温度以及列车荷载组合作用,设置橡胶和土工布2种不同类型隔离层的拱塔斜拉桥无砟轨道层间变形协调性能。结果表明:整体升温与索梁温差对桥上无砟轨道层间变形的影响不大,日照温度效应是引起桥上无砟轨道层间离缝的主要原因;采用土工布隔离层无砟轨道变形跟随性差,而橡胶隔离层能够有效改善桥上无砟轨道各结构层之间的变形协调性能,且体刚度较小的橡胶隔离层能有效减少层间离缝程度;温度效应以及列车荷载组合作用下,拱塔斜拉桥主梁各支承处、主梁非拉索区的无砟轨道隔离层层间变形协调性较差
3、,均出现了轨道层间离缝现象。层间离缝最大值出现在塔梁固结区域。建议背景工程主梁拉索区CRTS-III型板式无砟轨道选用体刚度0.1 N/mm3的橡胶隔离层,主梁各支承和非拉索区CRTS-III型板式无砟轨道选用体刚度0.05 N/mm3的橡胶隔离层,以改善拱塔斜拉桥上无砟轨道的适用性。本文研究结论可为大跨度桥上无砟轨道的推广应用提供技术参考。关键词:拱塔斜拉桥;无砟轨道;橡胶隔离层;土工布隔离层;变形协调;层间离缝中图分类号:U24 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)11-4256-10Deformation coordination
4、 performance of ballastless track isolation layer on high-speed railway arch supported tower cable-stayed bridgeZHENG Weiqi1,2,CHEN Zoujie1,SHENG Xingwang1,XU Hongyi1,3,YANG Ying1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Research Center for
5、High-speed Railway Construction Technology,Changsha 410075,China;3.Hunan Provincial Communications Planning,Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410075,China)Abstract:To ensure the service life of ballastless track of high-speed railway long-span bridge and improve driving safety,it is necessar
6、y to study the deformation coordination performance of ballastless track isolation layer on high-speed railway bridge in service environment.Taking the high-speed railway arch supported tower 收稿日期:2022-12-14基金项目:国家自然科学基金资助项目(52078488);湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ40628);湖南省教育厅科学研究项目(21A0010)通信作者:盛兴旺(1966),男,
7、湖南长沙人,教授,博士,从事梁轨相互作用研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222376第 11 期陈奏捷,等:高速铁路拱塔斜拉桥上无砟轨道隔离层变形协调性能研究cable-stayed bridge of high-speed railway as the engineering background,considering the mechanical characteristics of ballastless track isolation layer,the refined analysis model of arch supported t
8、ower cable-stayed bridge-ballastless track system was established.The coordinated deformation performance of arch supported tower cable-stayed bridge-ballastless track layer with two different types of isolation layers,rubber and the geotextile,was analyzed under the combined effect of temperature e
9、ffect and train load.The results are drawn as follows.The overall temperature increasing and the temperature difference of the cable-girder have little impact on the interlayer effect.The solar temperature effect is the primary cause of interlayer separation.The deformation followability of ballastl
10、ess track with geotextile isolation layer is inferior,while the rubber isolation layer can effectively improve the deformation coordination performance between the structural layers on the bridge.The rubber isolation layer with smaller stiffness can effectively reduce the degree of interlayer separa
11、tion.Under the combined effect of the temperature effect and train load,the deformation coordination performance of ballastless track isolation layers at each support and the non-tensioned area of the main girder are relatively inferior.The interlayer separation occurs.The maximum interlayer separat
12、ion in the area of tower-girder consolidation.It is suggested that the rubber isolation layer is selected for background projects to improve the applicability of ballastless track on bridges:0.1 N/mm3 rubber isolation layer is selected for CRTS-III slab track laid in the cable area of the main girde
13、r.0.05 N/mm3 rubber isolation layer is selected for CRTS-III slab track laid near each supporting and non-cable area of the main girder,so as to improve the applicability of ballastless track on bridges.The results can provide technical reference for the promotion and application of ballastless trac
14、k on large span bridge.Key words:arch supported tower cable-stayed bridge;ballastless track;rubber isolation layer;geotextile isolation layer;deformation coordination;interlayer separation 斜拉桥跨径大、经济性好,在跨越山谷、河流或者既有线路时具有较强竞争力,在我国高速铁路建设中备受青睐1。同时,无砟轨道因其能很好地满足高速铁路平顺性、稳定性、舒适性的要求,近年来在大跨度桥上得到了推广应用。然而由于斜拉桥结构
15、体系庞大、服役环境复杂多样,且桥上无砟轨道结构层材料各不相同,各结构层内部变形十分复杂,在外部环境影响下可能会导致斜拉桥上无砟轨道层间结构之间产生离缝、脱空现象2,影响高速列车行驶安全,故有必要对斜拉桥上无砟轨道隔离层变形协调性能进行分析研究。目前,无砟轨道广泛应用于高速铁路中小跨径桥梁中,已经形成了成熟的技术标准。ZHU等3分析CRTS-II型板式无砟轨道与CA水泥砂浆之间的界面损伤,结果表明温度下降过程中预制板沿纵向出现横向翘曲,导致板轨两侧界面损伤严重。DAI等4模拟砂浆层和轨道板的界面黏结,分析剪切荷载下界面破坏的分布规律,得到无砟轨道层间界面的剪切破坏特征。赵国堂等5通过模拟CRTS
16、-II型板式轨道结构服役阶段CA砂浆层受到轨道板的冲击“拍打”作用,研究无砟轨道层间的离缝机理和动态演化机制。朱志辉等6考虑列车竖向荷载以及温度效应,对比分析轨道结构和桥面板各项力学特性,研究了无砟轨道与大跨度斜拉桥的变形适应性。胡松林等7研究温度梯度荷载作用对无砟轨道板与砂浆层间损伤拓展规律,为无砟轨道砂浆层养护维修和提高使用寿命提供理论参考。SUNG等8通过模型试验和数值模拟,计算分析铁路桥梁梁端板式无砟轨道扣件系统的受力性能。ZHOU等9通过缩尺试验,研究了桥上无砟轨道在不同环境温度下的内部温度分布、应力以及位移。郑纬奇等10分析大跨度桥上无砟轨道采用不同隔离层体系的振动特征与振动规律。
17、闫斌等11研究了在多重荷载组合作用下大跨度桥上无缝线路纵向力的分布特征。目前,中小跨度桥梁无砟轨道体系的相关研究成果较为丰富,但高速铁4257铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月路大跨度桥梁无砟轨道体系的研究仍处于探索阶段,高速铁路桥上 CRTS-III型板式无砟轨道橡胶隔离层的层间工作机理和工作状态相关研究有待进一步完善。为保证高速铁路无砟轨道服役寿命,提高行车安全性,必须对复杂服役环境下高速铁路桥上无砟轨道隔离层竖向变形协调性能进行研究。依托高速铁路拱塔斜拉桥实际工程,建立大跨度斜拉桥无砟轨道体系精细化有限元模型,引入无砟轨道隔离层力学特性以及层间效应变形准则,对比分析拱
18、塔斜拉桥上采用不同体刚度橡胶隔离层、土工布隔离层的竖向变形协调性能,探讨拱塔斜拉桥上无砟轨道隔离层的层间变形协调性和适用性,为大跨度桥上无砟轨道结构设计和推广应用提供建议和参考。1 工程背景常益长铁路沅江特大桥跨石长铁路拱塔斜拉桥主梁全长244 m,桥跨布置为(32+90+90+32)m,桥跨布置如图1所示。桥塔处塔、墩、梁固结,主梁辅助墩和边墩设置球形支座,纵向自由。桥塔采用拱形桥塔形式,拱轴线采用椭圆曲线,桥塔为箱形截面,截面尺寸为3.0 m(顺桥向)4.0 m(横桥向),布置板式加劲肋。桥塔中部设置桥塔横梁,截面尺寸为高 2.8 m宽 3.0 m。桥塔立面如图 2所示。主梁采用钢混组合结
19、构,主梁桥面全宽16.3 m,钢箱梁底板宽 14.6 m;主梁高 3.05 m,钢箱梁高2.8 m,混凝土顶板厚度250 mm,主梁截面如图3所示。背景工程设计采用 CRTS-III型板式无砟轨道,无砟轨道结构如图4所示。其中,轨道板长度5 900 mm,宽度2 500 mm,无砟轨道隔离层、底座板与轨道板同长同宽,依据研究目的对比分析2种类型隔离层,分别为:1)橡胶隔离层,厚度为14 mm;2)土工布隔离层,厚度为4 mm。2 拱塔斜拉桥无砟轨道精细化有限元模型2.1精细化有限元模型采用通用有限元软件 ANSYS 建立拱塔斜拉桥无砟轨道模型(图5),精细化有限元模型中纵桥向为X方向、横桥向为
20、Y方向、竖向为Z方向,模单位:mm图1主桥桥型布置图Fig.1Elevation layout of main bridge单位:mm图2桥塔结构布置图Fig.2Structural layout of pylon4258第 11 期陈奏捷,等:高速铁路拱塔斜拉桥上无砟轨道隔离层变形协调性能研究型各构件材料力学参数见表1。为精确模拟梁轨之间复杂的相互作用,对于模型中不同构件采用不同单元进行模拟12,主体结构中斜拉桥钢混组合梁采用SHELL181单元模拟,考虑加劲肋及钢板横隔板,单元尺寸为0.3 m;桥塔、横梁以及桥墩采用BEAM188单元模拟,桥塔、横梁与主梁的连接通过刚域(CERIG)连接,
21、桥塔底部采用全固结约束;斜拉索采用LINK10单元模拟,斜拉索与主梁锚点采用刚域(CERIG)连接,桥塔与斜拉索采用刚臂(CP)连接。无砟轨道结构中底座板、轨道板采用 SOLID45单元模拟,单元尺寸同主梁一致,为0.3 m;钢轨采用BEAM188单元模拟;隔离层、扣件以及底座板与主梁的连接均采用弹簧单元模拟。其中,隔离层纵向和横向刚度通过COMBIN14单元模拟,垂向刚度采用只受压不受拉的COMBIN39单元模单位:mm图4CRTS-III型板式无砟轨道截面图Fig.4Sectional view of CRTS-III ballastless track单位:mm图3主梁截面图Fig.3S
22、ectional view of main girder(a)主体结构模拟;(b)无砟轨道系精细化模拟图5精细化有限元模型Fig.5Simulation diagram of refined finite element model4259铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月拟,以反映轨道板与底座板之间垂向约束关系6,本构关系如图6(a)所示;扣件垂向刚度、横向刚度以及转角刚度均采用COMBIN14单元模拟8,纵向阻力采用COMBIN39单元模拟,本构关系如图6(b)所示;无砟轨道底座板与主梁的连接采用 COMBIN14单元模拟13。精细化有限元模型中各层间弹簧单元刚度取值见
23、表2。表1材料力学参数Table 1Table of structure parameters构件混凝土桥面板、自密实混凝土、底座板主桥钢箱梁、索塔边墩、辅助墩、承台斜拉索钢轨轨道板材料C40混凝土Q345qD钢C35混凝土镀锌平行钢束CHN60C60混凝土弹性模量/MPa3.251042.101053.151042.001052.101053.65104密度/(kgm3)2 6007 8502 6007 8507 8502 600泊松比0.20.30.20.30.30.16表2 层间弹簧的刚度取值Table 2 Stiffness of the interlayer spring项目扣件(无
24、载)隔离层(土工布)隔离层(橡胶)隔离层(橡胶)底座板与主梁连接弹簧刚度/(Nm1)X7.5106非线性1.58109线性3.93106线性3.93106线性21010线性Y1.5107线性1.96109线性2.62106线性2.62106线性21010线性Z5107线性1.111011非线性6.38106非线性3.19106非线性21010线性ROTX21010线性21010线性ROTY21010线性21010线性ROTZ21010线性21010线性备注体刚度0.1 N/mm3体刚度0.05 N/mm3(a)体刚度0.1 N/mm3橡胶隔离层的竖向本构关系;(b)扣件的纵向本构关系图6弹簧单
25、元本构关系曲线Fig.6Constitutive relation curves of spring elements4260第 11 期陈奏捷,等:高速铁路拱塔斜拉桥上无砟轨道隔离层变形协调性能研究2.2模型验证为验证精细化有限元模型的正确性,按主梁挠度最不利位置(距左辅助墩45.3 m处)及其影响线布置列车竖向荷载(双线ZK静活载),对比分析精细化模型中主梁最不利挠度与设计院MIDAS模型计算结果。列车荷载最不利布置如图7所示。在双线ZK静活载作用下,拱塔斜拉桥无砟轨道精细化有限元模型主梁竖向挠度最大值为93.7 mm,挠跨比为 1/961,设计计算模型中最不利挠度为 98 mm,挠跨比为
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