高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)縫線(xiàn)路附加撓曲力計(jì)算分析

孔文斌，雷曉燕

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

我國(guó)高速鐵路長(zhǎng)大橋梁以無(wú)砟軌道和跨區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路作為主要結(jié)構(gòu)型式?？鐓^(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路是軌條長(zhǎng)度跨區(qū)間且軌條與道岔直接連接的無(wú)縫線(xiàn)路。它最大程度地減少了鋼軌接頭，實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)路的無(wú)縫化，消除了緩沖區(qū)和伸縮區(qū)的影響[1]，由于鋼軌不能自由伸縮，在列車(chē)荷載作用下，梁發(fā)生撓曲變形，梁的上翼緣受壓縮短，下翼緣受拉伸長(zhǎng)。梁軌產(chǎn)生相對(duì)位移并通過(guò)扣件給鋼軌施加縱向水平力，稱(chēng)為附加撓曲力。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于橋上無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌附加撓曲力的研究大都是針對(duì)有砟軌道，采用數(shù)值解析的方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于橋上無(wú)砟軌道鋼軌附加撓曲力的研究則比較少[2-8]。本文將結(jié)合京滬高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路實(shí)際情況，建立京滬高鐵整橋雙線(xiàn)模型，利用ANSYS軟件對(duì)高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路附加撓曲力進(jìn)行計(jì)算分析。

1 有限元模型

1.1 有限元模型的基本假設(shè)

1）計(jì)算附加撓曲力時(shí)，不考慮其它力對(duì)附加撓曲力的疊加。

2）假設(shè)梁的位移能被固定支座完全阻止，不考慮活動(dòng)支座所產(chǎn)生的摩擦阻力，也不考慮支座的縱向剛度，計(jì)算伸縮量時(shí)按計(jì)算跨度計(jì)算。

3）線(xiàn)路縱向阻力的取值：本文為無(wú)砟軌道，故線(xiàn)路縱向阻力為扣件阻力。

4）計(jì)算附加撓曲力時(shí)，不考慮沖擊荷載，列車(chē)荷載分段進(jìn)入梁內(nèi)，分段長(zhǎng)度可以按一個(gè)單元長(zhǎng)度取值。5）假設(shè)橋梁墩臺(tái)縱向水平線(xiàn)剛度為線(xiàn)性，計(jì)算時(shí)不考慮固定支座縱向剛度的影響。

1.2 有限元模型的建立

如圖1所示，本模型中的鋼軌、梁和墩臺(tái)采用beam 3梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，扣件縱向阻力采用combin 39非線(xiàn)性彈簧單元來(lái)模擬，墩臺(tái)剛度采用combin 14線(xiàn)性彈簧單元來(lái)模擬。由于非線(xiàn)性彈簧單元無(wú)法傳遞結(jié)構(gòu)豎向力，為了使撓曲力能通過(guò)軌道直接加載，故扣件垂向力學(xué)特性也采用combin 14線(xiàn)性彈簧單元來(lái)模擬。在鋼軌的一定位置約束其側(cè)向位移，兩端不施加縱向約束，采用雙支座，同時(shí)約束軌道結(jié)構(gòu)的橫向扭轉(zhuǎn)。

整橋全長(zhǎng)取10跨32 m，共320 m，單元長(zhǎng)度取實(shí)際扣件間距0.65 m。橋梁兩端路基上鋼軌各延長(zhǎng)100 m，從而消除了路基對(duì)縱向力的影響。整橋總共有單元數(shù)10 926個(gè)，其中雙線(xiàn)四軌道鋼軌單元總個(gè)數(shù)為3 200，簡(jiǎn)支箱梁?jiǎn)卧獢?shù)為496個(gè)，模擬扣件縱向阻力的非線(xiàn)性彈簧單元數(shù)為3 204個(gè)，模擬扣件垂向力學(xué)特性的線(xiàn)性彈簧單元數(shù)為3 204個(gè)，模擬墩臺(tái)剛度的線(xiàn)性彈簧單元數(shù)為22個(gè)，橫向剛臂單元數(shù)為800個(gè)。

圖1 京滬高鐵整橋雙線(xiàn)有限元模型Fig.1 Finite element model of the whole bridge with double bound railways for Jing-Hu high-speed railway

2 計(jì)算分析

本文所采用計(jì)算參數(shù)為鋼軌取CHN60型鋼軌，其彈性模量E=2.06×1011N·m-2，截面積F=7.745×10-3m2，熱膨脹系數(shù)a=1.18×10-5/℃；梁選用京滬高鐵采用的32 m箱梁，其彈性模量E=3.455 4×107N·m-2，截面積F=8.272 m2，熱膨脹系數(shù)a=1×10-5/℃；墩臺(tái)剛度依據(jù)《新建鐵路橋上無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》和德國(guó)DS899/59《鐵路新干線(xiàn)上橋梁的特殊規(guī)程》，相關(guān)取值為兩邊橋臺(tái)剛度值皆為4 000 kN·cm-1，中間9個(gè)橋墩剛度值皆為1 000 kN·cm-1；扣件縱向阻力依據(jù)德國(guó)理想彈塑性模型和《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，相關(guān)取值為橋梁兩側(cè)路基上無(wú)砟軌道縱向阻力采用圖2所示阻力，橋上則采用如圖3所示縱向阻力；對(duì)于列車(chē)荷載，依據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)以及高速鐵路采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載即0.8UIC標(biāo)準(zhǔn)活載，見(jiàn)圖4。

以京滬高速鐵路無(wú)砟軌道雙線(xiàn)整孔10跨簡(jiǎn)支箱梁橋?yàn)槔?，運(yùn)用所建立的京滬高鐵整橋雙線(xiàn)有限元模型對(duì)其進(jìn)行附加撓曲力靜力非線(xiàn)性分析。荷載布置圖如圖5所示。

如圖5所示，橋梁跨度取為32 m，橋跨數(shù)為10跨，兩側(cè)路基各延伸100 m，鋼軌為CHN60型鋼軌。對(duì)鋼軌縱向力及縱向位移進(jìn)行圖示時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)為0號(hào)橋臺(tái)處，橫坐標(biāo)為鋼軌離0號(hào)橋臺(tái)的距離。

通過(guò)ANSYS計(jì)算得到有載側(cè)鋼軌附加撓曲力圖、有載側(cè)鋼軌附加撓曲位移圖、無(wú)載側(cè)鋼軌附加撓曲力圖、無(wú)載側(cè)鋼軌附加撓曲位移圖，分別見(jiàn)圖6-9所示。

由圖可知，列車(chē)在雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁上單線(xiàn)運(yùn)行時(shí)，其附加撓曲力值較小。鋼軌附加撓曲力在橋臺(tái)處較大。鋼軌縱向位移則在橋梁中部較大，在橋臺(tái)處較小。4根鋼軌的附加撓曲力有所差別，但差別不大，主要原因是雙線(xiàn)箱梁具有很強(qiáng)的整體性，盡管荷載偏心，每股軌線(xiàn)下橋梁垂向位移有較大的差別，但同一斷面梁頂面各點(diǎn)的縱向位移近乎相等，而由梁頂面縱向位移引起的附加撓曲力也很接近。

3 結(jié)論

在高速鐵路長(zhǎng)大橋梁梁軌相互作用原理基礎(chǔ)上，建立了京滬高速鐵路整橋雙線(xiàn)有限元模型，并選取了長(zhǎng)大橋梁鋼軌縱向力的計(jì)算參數(shù)，以京滬高鐵10跨32 m混凝土簡(jiǎn)支箱梁為例，對(duì)高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路附加撓曲力進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果反映了高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無(wú)砟軌道無(wú)縫線(xiàn)路附加撓曲力的基本規(guī)律。

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