大跨度鋼橋梁端無砟軌道結構受力計算分析研究

胡 勇

(中國鐵建股份有限公司， 北京 100000)

1 國內外大跨度橋梁梁端軌道設計概況

大跨度橋梁受溫度、列車等作用，橋梁梁端具有較大的伸縮位移和梁端轉角。為降低梁端伸縮位移、梁端轉角對軌道結構的影響，并使軌道結構跨越大梁縫，目前國內外大跨度橋梁梁端主要采用梁端伸縮裝置、過渡梁的方案。

武漢天興洲長江大橋采用支撐梁的梁端伸縮裝置方案(如圖1)，南京大勝關長江大橋采用托梁的鋼軌伸縮調節(jié)器方案。但武漢天興洲長江大橋以及南京大勝關長江大橋均為有砟軌道。梁端伸縮裝置可保證橋梁伸縮時軌枕間距的均勻性，但無法解決梁端轉角引起的無砟軌道扣件上拔力。

圖1 武漢天興洲長江大橋梁端伸縮裝置

武廣高鐵采用在梁端設置過渡板結構的措施解決大跨度橋梁大梁縫地段無砟軌道設計問題(如圖2)。梁端過渡板結構是一個混凝土或鋼筋混凝土的微型橋，在橋梁伸縮縫上方支承鋼軌。過渡板結構可沿線路縱向水平移動，但不可橫向移動。過渡板結構的支座中心線與橋梁上部結構的支座中心線應設計在同一豎直面上。過渡板可有效解決梁端轉角對于無砟軌道結構的影響，但無法適應較大的梁端伸縮位移。

圖2 武廣高速鐵路梁端過渡板區(qū)結構

大跨度鋼梁梁端存在較大伸縮位移、梁端轉角時，梁端軌道結構設計采用過渡板式梁端伸縮裝置，主要結構為過渡板、梁端伸縮裝置，采用過渡板減小橋梁轉角對軌道的影響，采用梁端抬軌裝置適應橋梁梁端伸縮位移。

2 梁端無砟軌道結構受力計算模型及參數(shù)

橋梁受荷載作用以及其他一些影響因素后將引起梁端位移，這種位移的存在將對軌道結構產生影響。傳統(tǒng)有砟軌道由于道砟的流動特性對梁端軌道結構傳力有一定放散作用，梁端變形對軌道結構受力的影響可以忽略。但是在無砟軌道上，軌道系統(tǒng)與橋梁處于較大的剛性連接狀態(tài)，橋梁的微小變形都將對軌道系統(tǒng)產生影響?？奂鳛闊o砟軌道的彈性及調整能力的唯一提供者，橋梁因撓曲、徐變等因素引起的梁端變形使梁縫兩側一定范圍內扣件產生上拔力和下壓力，當扣件上拔力和下壓力超過一定限值時，將影響扣件系統(tǒng)的正常使用。因此，梁端變形對無砟軌道的影響主要為軌道扣件系統(tǒng)的受力影響。

由于道床板等下部結構與橋梁連接較為牢固，下部基礎連同橋梁可視為結合在一起的一個剛體，梁端發(fā)生剛體位移后相當于對扣件系統(tǒng)的支座施加了分布不同的支座位移，由此建立梁端變形對扣件系統(tǒng)受力影響分析模型(如圖3)。

圖3 梁端變形對扣件系統(tǒng)受力影響分析模型

模型中，鋼軌、過渡板、橋梁采用梁單元模擬，扣件采用彈簧單元模擬?？奂g距600 mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點靜剛度分別取為35 kN/mm和50 kN/mm，動靜剛度比為1.3。銅陵江特大橋設計按照鋼桁梁主桁鋼梁懸臂長度為1 000 mm，相鄰簡支梁懸臂長度為600 mm，梁縫設置寬度850 mm，主桁鋼梁梁端的伸縮量為±591 mm。鋼桁梁最大梁端豎向轉角為0.958‰，豎向反向(上撓)轉角為0.394‰，相鄰簡支梁梁端轉角0.76‰。

3 梁端轉角、列車軸重對軌道結構受力影響分析

梁端轉角會引起鋼軌的偏轉或整體下移，鋼軌產生的豎向變形通過各個扣件節(jié)點進行傳遞和分配，由此在梁縫兩側一定范圍內鋼軌支點處產生附加上拔力或下壓力。附加上拔力和下壓力隨著梁端轉角大小變化而變化，扣件系統(tǒng)參數(shù)和梁端懸臂長度的變化都將對附加上拔力和下壓力產生一定的影響。梁端轉角引起扣件上拔一般發(fā)生在緊鄰梁縫的1～5個扣件，對于橋梁中部梁體上的扣件一般不會產生扣件上拔力。結合銅陵江特大橋梁端設置與不設置過渡板時扣件受力情況進行了計算分析。

3.1 梁端不設置過渡板時梁端轉角引起的扣件上拔力

工況一：橋梁降溫收縮，梁縫可達到最大值1.45 m，扣件剛度取50 kN/mm，上拔力計算如表1所示。

工況二：梁縫為0.85 m，扣件剛度取50 kN/mm，上拔力計算如表2所示。

工況三：橋梁升溫伸長，梁縫可達到最小值0.25 m，扣件剛度取50 kN/mm，上拔力計算如表3所示。

表1 扣件上拔力計算結果 kN

注：表中“-(負)”代表扣件上拔力，非負值表示扣件支點受壓。

表2 扣件上拔力計算結果 kN

注：表中“-(負)”代表扣件上拔力，非負值表示扣件支點受壓。

表3 扣件上拔力計算結果 kN

注：表中“-(負)”代表扣件上拔力，非負值表示扣件支點受壓。

3.2 梁端設置過渡板時梁端轉角引起的扣件上拔力

工況四：設置搭梁時，梁縫為0.85 m，扣件剛度按最不利取為50 kN/mm，上拔力計算如表4所示。

表4 扣件上拔力計算結果 kN

注：表中“-(負)”代表扣件上拔力，非負值表示扣件支點受壓。

工況五：設置搭梁時，梁縫為0.25 m，扣件剛度按最不利取為50 kN/mm，上拔力計算如表5所示。

3.3 列車軸重作用下的扣件上拔力

列車軸重荷載作用下并作用在兩扣件的中間(此時對于扣件系統(tǒng)的上拔力來講為最不利位置)，計算扣件系統(tǒng)的上拔力。若軸重250 kN，支點反力(上拔力)為2.5 kN。

表5 扣件上拔力計算結果 kN

注：表中“-(負)”代表扣件上拔力，非負值表示扣件支點受壓。

3.4 計算結果匯總

通過上述工況的計算分析，得出以下計算規(guī)律及結論。

①梁端不設置過渡板時梁端轉角引起的扣件上拔力：由于鋼梁伸縮變形導致鋼梁與相鄰橋梁梁縫變化，梁縫變化范圍為0.25～1.45 m，若不設過渡梁，對于不同梁縫，在上述梁端轉角作用下扣件上拔力最大為16.3 kN，發(fā)生在簡支梁梁縫處第一組扣件；梁縫越小，梁端轉角引起的扣件上拔力越大。

②梁端設置過渡板時梁端轉角引起的扣件上拔力：設置過渡板結構，可顯著減小梁端轉角引起的扣件上拔力，計算得出最大上拔力為3.6 kN；設置過渡板時，梁縫大小對扣件上拔力計算結果的影響很小。

③列車單輪載作用下，引起扣件上拔力：若軸重250 kN，其上拔力約為2.5 kN。

④若不設過渡梁，考慮梁端轉角、列車軸重影響，扣件上拔力為18.8 kN，大于常用扣件的初始扣壓力18 kN，因此應采用過渡板結構以滿足要求。

4 結論與建議

通過上述工況的計算分析，得出以下結論：

(1)大跨度鋼橋可采用過渡板式梁端伸縮裝置，通過設置過渡板可有效減小橋梁轉角對無砟軌道的影響，設置梁端抬軌裝置適應橋梁梁端伸縮位移。

(2)大跨度橋梁梁端若不設置過渡板，隨著梁體收縮引起梁縫變小，梁端轉角引起的扣件上拔力將變大，梁端轉角引起的扣件上拔力最大值均發(fā)生在梁端第一組扣件位置。

(3)通過設置過渡板結構可顯著減小梁端轉角引起的扣件上拔力，同時梁體伸縮引起的梁縫大小變化對扣件上拔力的影響很小。

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