鐵路路橋過渡段合理長度研究

崔春霞 段樹金 孫建剛

(1.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，天津 300240;2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043;3.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系，天津 300240)

由于橋上和路基上軌道的軌下支承條件不同，其軌下基礎(chǔ)乃至軌道整體剛度及其變形就不會相同，致使路橋連接部分產(chǎn)生不均勻沉降等現(xiàn)象。在路基與橋梁之間設(shè)置一定長度的過渡段，可使軌道的剛度逐漸變化，并最大限度地減少路基與橋梁之間的沉降差，達(dá)到降低列車與線路的振動，減緩線路結(jié)構(gòu)的變形，保證列車安全，達(dá)到平穩(wěn)、舒適運行的目的。盡管國外鐵路軌道過渡段早有設(shè)置，但是過渡段有多長才合理，國內(nèi)外都沒有一個統(tǒng)一的、通用的理論依據(jù)［1］。

本文中利用離散化模型模擬軌道系統(tǒng)，建立了有砟軌道結(jié)構(gòu)路橋過渡段的有限元計算模型，利用通用有限元程序ANSYS進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)過渡段的動力分析，重點研究了基礎(chǔ)剛度變化、列車運行速度以及過渡段長度對過渡段鋼軌的動位移、由沉降差引起的鋼軌轉(zhuǎn)角以及路基基床表面應(yīng)力的影響，由此，可得出確定路橋過渡段長度的部分理論依據(jù)。

1 計算模型的建立

1.1 基本假設(shè)

本文中將軌道系統(tǒng)模型模擬為離散化模型，在采用有限元建立軌道系統(tǒng)豎向振動模型時假設(shè)如下:

1)僅考慮軌道豎向動力效應(yīng);

2)軌道和上部結(jié)構(gòu)沿線路方向左右對稱，可取其一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究;

3)鋼軌被視為支承在彈性支座上的 Euler梁，軌下墊層和枕下道床的支承彈性及阻尼分別用等效彈性系數(shù) kp，kb和阻尼系數(shù) cp，cb表示;

4)軌枕的質(zhì)量作為集中質(zhì)量處理，施加于各支座節(jié)點上;

5)道砟的質(zhì)量簡化為集中質(zhì)量并僅考慮豎向振動效應(yīng);

6)道砟下路基的支承彈性剛度和阻尼系數(shù)分別用ks和cs表示。橋臺剛度為10 ks，并假設(shè)路基與橋臺間的剛度在過渡段范圍內(nèi)是線性變化的［2］，如圖1所示。

圖1 過渡段軌道路基剛度變化示意

1.2 有限元模型

鋼軌采用有限元程序ANSYS中BEAM4梁單元，軌枕和道床采用MASS21質(zhì)點單元，墊板及扣件采用彈簧—阻尼 COMBIN14單元，模型中考慮了道床、基床的彈性和阻尼對軌道系統(tǒng)動力特性的影響，用彈簧—阻尼COMBIN14單元來模擬。軌道沿線路方向取100跨計算，其中40跨作用于剛性路基上，60跨作用于普通路基上。鋼軌兩端簡化為固定約束。列車行駛方向是從路基駛向橋臺。荷載采用德國ICE高速列車荷載，簡化為移動荷載作用于軌道上。軌道系統(tǒng)計算模型［3-4］如圖 2 所示。

圖2 有限元計算模型

1.3 計算方案

為了分析路橋過渡段的動力學(xué)特性，主要考慮了軌道基礎(chǔ)剛度變化、行車速度等因素的影響，并制訂了如表1所列的計算方案。計算參數(shù)選取了60 kg/m軌道結(jié)構(gòu)豎向振動分析模型的基本計算參數(shù)和德國ICE高速列車荷載。計算參數(shù)見參考文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［5］。

表1 路橋過渡段動力學(xué)計算條件

2 路橋過渡段的動力學(xué)計算結(jié)果及分析

2.1 基床剛度變化及過渡段長度不同對過渡段動力學(xué)特性的影響(見表2)

路基剛度與橋臺剛度比為 1∶5、1∶10 和 1∶100，行車速度v為160 km/h的條件下，過渡段長度分別為0、10 m、15 m、20 m和30 m對鋼軌豎向最大位移、最大轉(zhuǎn)角以及基床表面應(yīng)力的影響。圖3、圖4分別為相應(yīng)的鋼軌最大豎向位移、鋼軌最大轉(zhuǎn)角的時程曲線。

2.2 行車速度及過渡段長度不同對過渡段動力學(xué)特性的影響(見表3)

行車速度v分別為80 km/h和250 km/h，路基剛度與橋臺剛度比為1∶10的條件下，過渡段長度分別為0、10 m、15 m、20 m和30 m對鋼軌豎向位移、鋼軌轉(zhuǎn)角和基床表面應(yīng)力的影響。圖5～圖7分別為相應(yīng)的鋼軌最大豎向位移，鋼軌最大轉(zhuǎn)角和基床表面應(yīng)力時程曲線。

圖3 過渡段長度對鋼軌豎向位移的影響

圖4 過渡段長度對鋼軌轉(zhuǎn)角的影響

表2 基床剛度比及過渡段長度不同時動力分析結(jié)果

表3 速度及過渡段長度不同時動力分析結(jié)果

圖5 過渡段長度對鋼軌豎向位移的影響

圖6 過渡段長度對鋼軌轉(zhuǎn)角的影響

圖7 基床表面應(yīng)力時程曲線

3 結(jié)論

1)過渡段長度對過渡段鋼軌的豎向位移和轉(zhuǎn)角是有影響的。過渡段長度越長，最大位移和最大轉(zhuǎn)角曲線越平緩。鋼軌豎向最大位移和轉(zhuǎn)角并不出現(xiàn)在過渡段內(nèi)，而是出現(xiàn)在未進(jìn)入過渡段的1～2 m內(nèi)。

2)設(shè)置過渡段后，鋼軌豎向位移和轉(zhuǎn)角明顯減小。過渡段＞15 m時，鋼軌最大豎向位移和轉(zhuǎn)角有所減小，但幅度不大。

3)設(shè)置過渡段后，基床表面應(yīng)力明顯減小。速度為80 km/h和160 km/h時，過渡段＞15 m時，基床表面應(yīng)力減小幅值均 ＜3%。速度為250 km/h時，過渡段長度＞20 m時，基床表面應(yīng)力減小幅值均＜3%。

4)當(dāng)路基與橋臺剛度比，過渡段長度一定時，速度對過渡段內(nèi)鋼軌豎向位移和轉(zhuǎn)角影響不大，但對基床表面應(yīng)力影響很大。

［1］王于，翟婉明，王其昌，等.一種確定軌道過渡段長度的新方法［J］.鐵道工程學(xué)報，1999(4):25-28.

［2］雷曉燕.軌道過渡段剛度突變對軌道振動的影響［J］.中國鐵道科學(xué)，2006，27(5):42-45.

［3］雷曉燕.軌道力學(xué)與工程新方法［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［4］羅強(qiáng)，蔡英.高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2000(20):2-4.

［5］雷曉燕，劉朝陽，劉林芽.提速線路軌道結(jié)構(gòu)豎向振動分析［J］.交通運輸工程與信息學(xué)報，2003，1(1):57-63.