梁端扣件布置對軌道及列車受力特性的影響

武文平吳定俊 李 奇

（同濟大學(xué)橋梁工程系，上海200092）

梁端扣件布置對軌道及列車受力特性的影響

武文平*吳定俊 李 奇

（同濟大學(xué)橋梁工程系，上海200092）

上海軌道交通橋梁現(xiàn)有兩種梁端扣件布置形式，一種是扣件全部布置在梁上，一種是部分扣件布置在墩上。為了說明兩種形式的區(qū)別，用有限元模擬的方法對其進行比較。從對扣件上拔力、鋼軌應(yīng)力和列車走行性的影響三個方面做了計算對比。結(jié)果表明，后者相對于前者對扣件抵抗上拔力的要求更嚴格，對減小鋼軌應(yīng)力和提高列車走行性比較有利。

扣件布置，扣件力，鋼軌應(yīng)力，列車走行性

1 引 言

對無砟軌道橋梁，梁端變位會對扣件受力、鋼軌應(yīng)力及列車走行產(chǎn)生較大影響。很多學(xué)者對此做了研究，提出了梁端轉(zhuǎn)角、梁端錯位的限值［1-5］。指出減小梁端懸臂長度、減小扣件剛度可以降低扣件上拔力，并分別給出了建議值范圍［1-3］。在長大橋梁的梁端處理上也給出了方案和建議［1，4］。但是在簡支梁橋中改進梁端扣件布置形式的嘗試不多。

本文將通過有限元數(shù)值方法分析比較上海軌道交通U形梁中兩種梁端布置形式對扣件力、鋼軌應(yīng)力和列車走行的影響。

2 兩種扣件布置及有限元模型

上海軌道交通U形梁中較多的梁端扣件布置形式如圖1所示，扣件等間距對稱布置在梁上，以下稱布置形式A。某條軌交線上采用了一種不同的扣件布置形式如圖2所示，粱縫處有三排扣件直接布置在墩上，且扣件間距不同，以下稱布置形式B。

采用ANSYS程序分別建立兩跨簡支梁平面模型，見圖1、圖2。Ht，Hb分別表示橋梁形心到鋼軌形心和支座的距離，此處Ht為0.1 m，Hb為0.6 m，跨度30 m，扣件位置及編號如圖中所示。為了突出扣件布置形式的影響而淡化梁型，梁及鋼軌采用beam3單元，詳細參數(shù)見表1?？奂閃J-2型小阻力扣件，縱向用combin14單元模擬，豎向用combin39分段線性彈簧單元模擬［1］，扣件參數(shù)見表2，combin39彈簧剛度曲線如圖3所示，圖中，F(xiàn)0為彈條扣壓力，kp為膠墊剛度，kc為彈條剛度。

圖1 梁端扣件布置形式A（單位：m）Fig.1 Fastener arrangement type A（unit：m）

圖2 梁端扣件布置形式B（單位：m）Fig.2 Fastener arrangement type B（unit：m）

表1 梁和鋼軌有限元模型參數(shù)Table 1 Finite elementmodel parameters

表2 W J-2扣件參數(shù)Table 2 Parameters of fastener W J-2

圖3 combin39單元剛度曲線Fig.3 stiffness curve of element combin39

3 扣件上拔力比較

本文比較了梁端轉(zhuǎn)角位移的兩種實現(xiàn)方式的影響，一為直接施加支座轉(zhuǎn)角，二為在跨中20 m長范圍內(nèi)均布加載。相同轉(zhuǎn)角下，1號扣件力結(jié)果比較如表3所示。

表3 不同加載方式下的1號扣件力Table 3Forces of fastener 1 w ith different loading methods

由表3可以看出，兩種加載方式下扣件力大小幾乎相同，所以本文用施加支點轉(zhuǎn)角的方式來模擬梁端轉(zhuǎn)角，以下計算分四類情況進行，每類情況下轉(zhuǎn)角由0.3‰變到3‰，見表4。

經(jīng)計算，A單側(cè)轉(zhuǎn)動時，1號扣件上拔力最大；A雙側(cè)時3號最大；B單側(cè)時01號最大；B雙側(cè)時02號最大，如圖4、圖5所示。

表4 計算工況Table 4 W orking conditions

每類情況下最大扣件上拔力隨轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律如圖6所示。相同轉(zhuǎn)角時，形式A單側(cè)轉(zhuǎn)動引起的最大上拔力大于雙側(cè)轉(zhuǎn)動；形式B雙側(cè)轉(zhuǎn)動引起的最大上拔力大于單側(cè)轉(zhuǎn)動，且B雙側(cè)的最大上拔力大于A單側(cè)?？奂山瓶醋鲝椈?，上拔力的大小決定于扣件位置處鋼軌相對于承臺的位移。梁轉(zhuǎn)動時，梁縫附近鋼軌作為懸臂而有向上的位移趨勢，兩側(cè)轉(zhuǎn)動引起的鋼軌上移大于一側(cè)轉(zhuǎn)動。形式B中02號扣件到兩支座的距離比形式A中1號扣件到左支座的距離大，鋼軌懸臂效應(yīng)更明顯。所以有形式B雙側(cè)轉(zhuǎn)動的最大扣件上拔力大于形式A單側(cè)轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。

圖4 轉(zhuǎn)角1.0‰時形式A扣件力Fig.4 Fastener force of type A at1.0‰angle

圖5 轉(zhuǎn)角1.0‰時形式B扣件力Fig.5 Fastener force of type A at1.0‰angle

以扣件上拔力不超過彈條扣壓力為限值條件，因單雙側(cè)轉(zhuǎn)動可能同時發(fā)生，所以在只考慮梁端轉(zhuǎn)角影響時，取A布置的轉(zhuǎn)角限值為2‰，B布置為1.7‰，如圖6所示。

圖6 最大扣件上拔力Fig.6 Themaximum fastener force

4 最大鋼軌應(yīng)力比較

對每類情況，分別計算得出了由彎矩和軸力的合力產(chǎn)生的鋼軌最大拉應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角變化的趨勢，如圖7所示。兩種布置情況下，單側(cè)轉(zhuǎn)動引起的最大拉應(yīng)力均小于雙側(cè)轉(zhuǎn)動；且形式B雙側(cè)轉(zhuǎn)動引起的拉應(yīng)力小于形式A雙側(cè)轉(zhuǎn)動。以轉(zhuǎn)角1‰為例，A雙側(cè)引起的鋼軌最大拉應(yīng)力為25.5 MPa，而B雙側(cè)為17.7 MPa，減小30%。形式B梁端兩支座的距離為2.6 m，大于形式A梁端兩支座距離1.2 m，在發(fā)生相同轉(zhuǎn)角的情況下，形式B中鋼軌彎折程度要小于形式A，則最大鋼軌應(yīng)力相應(yīng)也小。所以形式B有助于減小鋼軌應(yīng)力。

圖7 鋼軌最大應(yīng)力Fig.7 Themaximum rail stress

應(yīng)該指出，扣除伸縮力、制動力、撓曲力引起的鋼軌應(yīng)力外，梁端變位引起的鋼軌應(yīng)力限值為109 MPa［2］。所以轉(zhuǎn)角較小時，梁端轉(zhuǎn)角引起的鋼軌應(yīng)力很小，一般不予考慮；但對于長大跨橋梁，梁端轉(zhuǎn)角可能大于3‰，此時的影響較大。如圖7所示，3‰轉(zhuǎn)角時，A布置鋼軌最大應(yīng)力為76 MPa，B布置為48 MPa，減小37%，B布置的優(yōu)越性較明顯。

5 對列車走行的影響比較

梁端變位是影響橋上列車走行性的重要因素［1］，實質(zhì)上梁端鋼軌曲率為最根本因素。由M＝－EIy＂知鋼軌曲率正比于彎矩，而本文中彎矩是產(chǎn)生鋼軌應(yīng)力的主要因素。所以從圖7中B雙側(cè)引起的鋼軌應(yīng)力小于A雙側(cè)可知，B雙側(cè)轉(zhuǎn)動引起的鋼軌彎矩小于A雙側(cè)轉(zhuǎn)動。即相同轉(zhuǎn)角情況下形式B鋼軌最大曲率小于形式A，軌面更加平順。

對列車通過橋梁時的情況進行動力仿真計算［6］。使用六節(jié)編組地鐵A型車，使用美國6級譜軌面不平順。當(dāng)列車以不同速度通過橋梁時，第一輛車的最大豎向加速度隨車速變化如圖8所示。不同車速下形式B中車輛最大豎向加速度均小于形式A。所以形式B扣件布置相對于形式A對行車更加有利。

參考高鐵設(shè)計規(guī)范，要求列車豎向最大加速度小于1.27 m／s2（0.13g），計算值遠小于限值，所以形式B的列車走形性比形式A有所提高，但是不明顯。

圖8 車輛最大豎向加速度隨車速變化Fig.8 Themaximum vehicle vertical acceleration

6 結(jié) 論

上海軌道交通橋梁中現(xiàn)有兩種梁端扣件布置形式，全部布置在梁上和部分布置在墩上（分別稱為形式A和形式B），本文在以下三個方面對其進行了比較。

（1）相同梁端轉(zhuǎn)角時，形式B引起的最大扣件上拔力大于形式A，所以形式B對于扣件抵抗上拔力的要求更加嚴格。

（2）相同梁端轉(zhuǎn)角時，形式B引起的最大鋼軌應(yīng)力小于形式A，所以形式B對于減小鋼軌應(yīng)力有利。

（3）形式B梁縫處鋼軌的曲率小于形式A，鋼軌更加平順，形式B的列車走行較形式A有所提高，但不顯著。

［1］ 吳亮秦.城軌橋梁梁端變位對車輛-軌道系統(tǒng)的影響及其限值研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2012.Wu Liangqin.Limit value of beam-end displacement and its Influence on vehicle-track system for urban rail transit［D］.Shanghai：Tongji University，2012.（in Chinese）

［2］ 魏亞輝.高速鐵路無砟軌道橋梁梁端變形相關(guān)問題研究［D］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2012.Wei Yahui.Resarch on beam end displacement relevant problem for high-speed railway ballastless track bridge［D］.Beijing：China Academy of Railway Sciences，2012.（in Chinese）

［3］ 趙坪銳，肖杰靈，劉學(xué)毅.梁端位移對無砟軌道扣件系統(tǒng)的影響分析［J］.鐵道學(xué)報，2008，（5）：68-73.Zhao Pingrui，Xiao Jieling，Liu Xueyi.The influence of the displacement at bridge ends to the fastening systems used on ballastless tracks［J］.Journal of the China Railway Society，2008，（5）：68-73.（in Chinese）

［4］ 申磊.梁端無砟軌道扣件系統(tǒng)受力研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.Shen Lei.Study on fastening force of ballastless track nearby bridge beam end［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2008.（in Chinese）

［5］ 張岷.雙塊式無砟軌道橋梁梁端扣件系統(tǒng)力學(xué)分析［J］.鐵道工程學(xué)報，2009，26（2）：56-59.Zhang Ming.Mechanics analysis of the rail fastening of bi-block ballastless track on the bridge terminal［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009，26（2）：56-59.（in Chinese）

［6］ 李奇.車輛—橋梁／軌道系統(tǒng)耦合振動精細分析理論及應(yīng)用［D］.上海：同濟大學(xué)，2008.Li Qi.Refined analysis of vehicle-bridge／track dynamic interaction：theory and applications［D］.Shanghai：Tongji University，2008.（in Chinese）

Com parison of the Influence of Two Types of Beam End Fastener Arrangements on Rail and Train

WUWenping*WU Dingjun LIQi
（Department of Bridge Engineering，TongJi University，Shanghai200092，China）

Two types of beam end fastener arrangements are adopted in rail transit bridges in Shanghai.For one type，all fasteners are fixed on beam；while for another，partof fasteners are on piers.The numerical simulation method was used to compare their difference in three aspects.The result shows that the second configuration requires fasteners to resistmore upward tensile forces.But this type reduces rail stress and it improves train running property compared with the first type of arrangement.

beam end，fastener arrangement，fastener force，rail stress，train running property

2013-03-19

*聯(lián)系作者，Email：wu.wenping12345＠163.com