摘要
高速铁路跨海桥梁由于通航区段桥面高程较高，而各通航区段之间桥梁里程较长，采用大坡道桥梁结构将显著降低引桥的桥墩高度，经济效益良好。目前，在我国高速铁路桥上，钢轨伸缩调节器通常铺设于平坡，最大铺设坡度一般为6‰。在大坡道桥梁区段，钢轨容易产生纵向爬行，调节器区域轨道几何形位更易发生变化，给高速铁路运营维护带来了巨大的挑战。 针对以上背景，基于梁轨相互作用原理，本文分别建立了无缝线路-有砟/无砟轨道-坡道桥梁空间耦合模型，对温度、挠曲、制（启）动、强风、地震等荷载下桥上无缝线路的力学行为进行研究，建立了制（启）动下轨道结构的残余变形方程，对比了有砟、无砟轨道结构形式下无缝线路的力学特性，对钢轨伸缩调节器的铺设位置及梁端抬枕装置进行了优化设计。主要研究成果及结论如下： （1）揭示了复杂荷载作用下坡道桥上无缝线路受力变形特征。随坡度增加，温度变化下斜拉桥主梁整体的纵向位移减小，且斜拉桥区域不存在固定区。列车垂向荷载布置在主跨偏桥塔侧时，斜拉桥梁端钢轨力达到峰值。制（启）动荷载与坡面同向时，钢轨纵向力等指标显著增加。随坡度增加，列车荷载下梁体纵向位移有所增加。列车荷载使梁体产生纵向位移和转角，在无砟轨道扣件中形成上拔力。为避免扣件上拔力超过限值18kN，线路限制坡度为17‰。 （2）提出了坡道桥上制动荷载作用后轨道结构的残余变形计算方法。在大坡道桥梁上，列车制（启）动给无缝线路带来的影响更加显著。当梁轨相对位移大于弹性临界位移时，卸载后轨道将出现残余变形。在温度和制（启）动荷载耦合作用下，有砟轨道梁端道床容易进入塑性强化阶段，无砟轨道梁端垫板易窜出，钢轨产生爬行病害。随着坡度的增加，轨道残余变形显著增加，且残余变形的范围呈扩大趋势。 （3）优化了调节器及梁端伸缩抬枕装置的结构参数。在有砟轨道尖轨区域设置防爬设施、增加无砟轨道尖轨区域扣件的阻力，可显著降低温度和列车作用下尖轨相对梁体的位移，有利于梁端轨道几何形位的保持。在线路运营中，需关注梁端基本轨伸缩状态，防止因基本轨伸缩卡阻导致的轨枕歪斜和轨枕拉裂病害发生。抬枕装置应与桥上轨道刚度匹配。在轨道中央增设钢纵梁，可减小结构变形和应力，增加抬枕装置的垂向刚度。 （4）探索了强风和多遇地震下坡道桥梁和轨道结构的变形特征和动力响应。强风下，随着坡度的增加，梁体迎风面积增大，纵向位移增加，引起钢轨高低不平顺。坡度的增加使斜拉桥的振动周期有一定的减小。地震作用后，结构位移峰值出现的时间前移。在地震作用下，梁体产生振动，梁端区域的钢轨承受剪力。当桥梁横向动态位移过大时，梁缝位置的钢轨将产生塑性破坏。 （5）基于温度、列车、断轨、自然灾害等因素，提出了调节器量程的建议值。对于斜拉桥梁端铺设的钢轨伸缩调节器，梁体温度变化、列车作用、极限纵风为影响调节器伸缩量的主要因素。对于引桥连续梁右梁端铺设的调节器，梁体温度变化、制（启）动荷载为伸缩量的主要影响因素。为了确保线路的安全服役，建议大跨度斜拉桥与千米级连续梁梁缝处的调节器量程选取±900mm及以上，斜拉桥、连续梁与简支梁梁缝处的调节器量程选取±600mm及以上。
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