長(zhǎng)大連續(xù)坡道剛構(gòu)橋上無縫線路力學(xué)特性研究

劉　歡，任娟娟，劉　勇，劉學(xué)毅

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610031)

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長(zhǎng)大連續(xù)坡道剛構(gòu)橋上無縫線路力學(xué)特性研究

劉歡，任娟娟，劉勇，劉學(xué)毅

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

摘要：為了研究長(zhǎng)大連續(xù)坡道上無縫線路的力學(xué)特性，以貴陽城市軌道交通1號(hào)線為例，建立包括鋼軌-橋梁-橋墩的一體化計(jì)算模型，分析不同坡度、列車制動(dòng)荷載和扣件間距條件下軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的變化規(guī)律。計(jì)算分析結(jié)果表明：坡度和列車制動(dòng)荷載的增大對(duì)鋼軌的縱向受力、變形以及橋墩受力均不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該合理控制線路的坡度；對(duì)于高架結(jié)構(gòu)，隨著扣件間距減小，梁軌相互作用增強(qiáng)，貴陽地鐵1號(hào)線高架結(jié)構(gòu)扣件間距建議值為0.625 m。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)大坡道； 橋墩；制動(dòng)荷載；扣件間距

無縫線路是把標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌焊連而成的長(zhǎng)鋼軌線路，又稱焊接長(zhǎng)鋼軌線路[1]。它是當(dāng)今軌道結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要新技術(shù)，在世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展。無縫線路接頭相比于普通線路大大減少，能夠有效地減少列車接縫振動(dòng)，保證運(yùn)行平穩(wěn)以及降低噪聲，被廣泛運(yùn)用于城市軌道交通中。而城市軌道交通穿行或鄰近市區(qū)，由于地形條件的限制，部分城市軌道交通線路須修建在坡度超過20‰或更大的橋梁上。例如，在建的貴陽城市軌道交通1號(hào)線，線路大部分的坡度在20‰以上，有一半的線路坡度為28‰，其中小關(guān)2號(hào)雙線大橋坡度達(dá)到28‰，而貴陽北站至人民廣場(chǎng)站區(qū)段線路，下坡線路長(zhǎng)度達(dá)到12 km，最大高差達(dá)200 m以上。在連續(xù)長(zhǎng)大坡道上，由于連續(xù)的制動(dòng)荷載作用，大量連續(xù)的鋼軌縱向變形不僅影響列車運(yùn)行的舒適性和平穩(wěn)性，同時(shí)影響行車安全。所以分析長(zhǎng)大連續(xù)坡道上無縫線路的軌道力學(xué)特性，明確軌道結(jié)構(gòu)受力變形機(jī)理，為無縫線路應(yīng)用于長(zhǎng)大坡道上的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供指導(dǎo)性意見具有重要意義。

1計(jì)算模型

參考貴陽城市軌道交通1號(hào)線軌道結(jié)構(gòu)形式，以小關(guān)2號(hào)雙線大橋?yàn)槔瑯蛏宪壍澜Y(jié)構(gòu)采用承軌槽與橋梁通過門型筋連接構(gòu)成整體。由于線路的橫向?qū)ΨQ性，取一股鋼軌作為研究對(duì)象，建立鋼軌-橋梁-墩臺(tái)一體化模型，運(yùn)用有限元方法，計(jì)算分析了制動(dòng)力作用下，不同坡度和扣件間距對(duì)軌道縱向受力和變形的影響規(guī)律[2-4]。

1.1計(jì)算模型

圖1　計(jì)算模型

如圖1所示模型中，鋼軌視為梁采用梁?jiǎn)卧M，橋梁梁體采用2D梁?jiǎn)卧M。由于承軌槽與橋梁可看作一個(gè)整體，所以，模型簡(jiǎn)化為鋼軌與橋梁通過扣件直接連接?？奂Q向和縱向阻力均采用彈簧模擬，其中垂向采用線性彈簧，縱向采用非線性彈簧。鋼軌和橋梁在縱向上以1/4扣件間距劃分單元。連續(xù)剛構(gòu)墩用梁?jiǎn)卧M，其余支座的縱向約束采用縱向線性彈簧模擬[5-6]。

1.2計(jì)算參數(shù)

參照貴陽城市軌道交通1號(hào)線具體的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，橋跨布置為25 m+2×30 m+(40+68+40) m連續(xù)剛構(gòu)+3×30 m，橋梁總長(zhǎng)為323 m，位于坡度為28‰的坡道上。

鋼軌采用60 kg/m鋼軌；扣件選用DZ-Ⅲ型扣件，其扣件節(jié)點(diǎn)的垂直靜剛度為9～14 kN/mm，本文取為9 kN/m，單組扣件防爬阻力不小于11.5 kN，由扣件阻力-位移關(guān)系曲線，無載時(shí)扣件剛度為11.5 kN/組，垂向有載時(shí)扣件剛度為18.2 kN/組。車輛采用地鐵B型車，軸重為140 kN，車輛全軸距為19 m，將車體荷載換算為均布荷載得單股鋼軌上垂向荷載為14 737 N/m。橋上承軌臺(tái)采用C50混凝土，高520 mm，寬800 mm。橋梁箱梁采用C50混凝土，其彈性模量為3.45×104MPa，線膨脹系數(shù)1.18×10-5/℃，密度2 500 kg/m3，泊松比0.2。根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算伸縮力時(shí)橋墩的線剛度取400 kN/cm/線[7]。

1.3邊界處理及荷載施加

為消除邊界效應(yīng)，在橋梁兩端分別取100 m長(zhǎng)路基地段。模型中無砟軌道混凝土梁年溫差30 ℃[7]，最高軌溫61.3 ℃，最低軌溫為-7.8 ℃，計(jì)算得設(shè)計(jì)鎖定軌溫為31.8 ℃。則鋼軌最大降溫幅度為39.6 ℃。常規(guī)制動(dòng)時(shí)，列車制動(dòng)力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的15%計(jì)算，緊急制動(dòng)時(shí)輪軌粘著系數(shù)按加拿大地鐵標(biāo)準(zhǔn)取為0.25[8].

1.4計(jì)算工況

由于列車左入橋和右入橋兩種情況下梁軌相互作用的規(guī)律基本相同，因此只考慮列車從左向右入橋的情況，分別考慮3種制動(dòng)工況(不考慮線路坡度)，如圖2所示。

不同工況作用下鋼軌的受力和變形最大值如表1所示：經(jīng)比較，工況1為最不利工況，因此選取工況1進(jìn)行坡度對(duì)橋上無縫線路制動(dòng)工況的影響因素分析[9-10]。

表1　不同制動(dòng)工況下鋼軌的受力和變形最大值

圖2　制動(dòng)工況

2計(jì)算結(jié)果及分析

2.1不同坡度條件下對(duì)軌道結(jié)構(gòu)縱向受力和變形的變化規(guī)律

位于長(zhǎng)大連續(xù)坡道的橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)，在制動(dòng)荷載的作用下，鋼軌和橋梁變形不一致，加之軌道結(jié)構(gòu)自重沿坡道分力的影響，當(dāng)坡道分力與制動(dòng)力疊加時(shí)，會(huì)在橋梁活動(dòng)支座端產(chǎn)生較大的縱向位移和縱向應(yīng)力峰，可能會(huì)影響軌道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，本節(jié)考慮了在制動(dòng)荷載作用下，不同坡度對(duì)橋上無縫線路受力特性的影響規(guī)律。

圖3　制動(dòng)荷載作用下鋼軌的縱向力和縱向位移

分別選取坡度為0‰、28‰、35‰和40‰的線路結(jié)構(gòu)，在制動(dòng)荷載作用下，不同坡度對(duì)鋼軌縱向力影響如圖3(a)所示，對(duì)鋼軌縱向位移影響如圖3(b)所示。由圖3可以看出，在制動(dòng)力作用下，不同的坡度對(duì)鋼軌縱向力和縱向位移影響較大。當(dāng)坡度從0增加到40‰時(shí)，鋼軌的縱向力最大值由54 kN增至164 kN，增加了203%，鋼軌的縱向位移由1.11 mm增加至4.73 mm，增加了326%。由于坡度的影響，列車自重沿坡道的分力會(huì)顯著增大梁軌間的相互作用，鋼軌縱向力和縱向位移都隨著坡度的增加而增大。

2.2制動(dòng)荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)縱向受力和變形的影響

圖4　不同制動(dòng)荷載作用下鋼軌的縱向力和縱向位移

當(dāng)軌道位于長(zhǎng)大坡道時(shí)，列車連續(xù)制動(dòng)使其前方鋼軌產(chǎn)生縱向壓力，列車尾部鋼軌產(chǎn)生縱向拉力，列車的制動(dòng)使鋼軌產(chǎn)生縱向不均勻爬行，對(duì)軌道的穩(wěn)定性造成威脅[11-12]。當(dāng)列車垂向荷載改變時(shí)，列車的制動(dòng)力集度隨之改變。制動(dòng)荷載按垂向荷載沿車長(zhǎng)換算成均布荷載再乘以列車制動(dòng)力率計(jì)，本節(jié)結(jié)合小關(guān)2號(hào)雙線大橋?qū)嶋H坡度28‰，計(jì)算了地鐵A型車(軸重160 kN)、B型車(軸重140 kN)分別在常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)的情況下軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形，在以上不同的制動(dòng)荷載作用下，鋼軌的縱向力和縱向位移如圖4所示。由圖4可知，鋼軌的縱向受力和縱向位移隨制動(dòng)荷載的增大而增大。由于地鐵A型車和B型車的垂向荷載經(jīng)換算后基本相同，所以其受力和變形曲線基本重合。比較常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)，由于制動(dòng)荷載的增加，鋼軌的縱向位移顯著增加。

制動(dòng)荷載作用下，鋼軌產(chǎn)生縱向爬行，鋼軌的縱向爬行通過扣件帶動(dòng)橋梁產(chǎn)生縱向變形，橋墩受到縱向作用的力。如表2所示，隨著制動(dòng)荷載的增加，橋墩的縱向受力呈增大趨勢(shì)。由于A型車和B型車差距不大，這里分析以B型車為例，在常規(guī)制動(dòng)作用下，簡(jiǎn)支梁橋墩的最大縱向力為123 kN，剛構(gòu)墩為209 kN。當(dāng)實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，簡(jiǎn)支梁橋墩的最大縱向力為165 kN，剛構(gòu)墩為325 kN，分別增加了34%和56%?？梢?，制動(dòng)荷載對(duì)橋墩的縱向受力有很大影響。

表2　不同制動(dòng)荷載下橋墩的最大縱向力　kN

2.3扣件間距對(duì)軌道結(jié)構(gòu)縱向受力和變形影響

扣件是連接鋼軌和軌枕的中間聯(lián)接零件，其作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距和阻止鋼軌相對(duì)于軌枕的縱、橫向移動(dòng)?？奂贾梅桨覆煌?，隨之軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形特性也將受到影響。當(dāng)扣件分別按1 600對(duì)/km、1 680對(duì)/km、1 780對(duì)/km和1 840對(duì)/km布置，即扣件間距分別為：0.625、0.595、0.568 m和0.543 m時(shí)，在列車垂向荷載(14 737 kN/m)，制動(dòng)荷載(2 417 kN/m)和溫度荷載(橋梁降溫30 ℃，鋼軌降溫39.6 ℃)作用下，鋼軌的各項(xiàng)受力和變形最大值如表3所示。

表3　不同扣件間距下鋼軌的縱向受力和變形最大值

比較扣件在不同布置方案下的受力和變形最大值，可以得出，扣件間距越小，梁軌相對(duì)作用越強(qiáng)。隨著扣件間距的減小，制動(dòng)荷載作用下鋼軌的縱向受力和變形減小，溫度荷載作用下鋼軌的縱向受力和變形增大。由于溫度荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響更大，優(yōu)先考慮對(duì)溫度荷載的影響。綜合考慮垂向撓曲等方面因素，貴陽地鐵1號(hào)線高架結(jié)構(gòu)的扣件間距的建議值為0.625 m，即扣件應(yīng)該按1 600對(duì)/km布置。

3結(jié)論

(1)坡道的坡度會(huì)影響軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形。隨著坡度的增加，鋼軌的縱向受力、變形以及橋墩受力都增大。為控制軌道結(jié)構(gòu)的縱向變形，應(yīng)當(dāng)控制線路的縱向坡度。

(2)在不同的列車制動(dòng)荷載作用下，隨著制動(dòng)荷載的增加鋼軌的縱向受力、位移以及橋墩受力都增加。列車的制動(dòng)荷載的增大對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的縱向變形是不利的。

(3)對(duì)于高架結(jié)構(gòu)，橋梁的變形通過扣件傳遞至鋼軌，進(jìn)而影響鋼軌的受力和變形。隨著扣件間距的減小，梁軌相對(duì)作用將增強(qiáng)。綜合考慮多方面因素，貴陽地鐵1號(hào)線高架結(jié)構(gòu)扣件間距建議值為0.625 m。

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Study on Dynamic Characteristics of Continuously Welded Rail Track on Rigid Bridge with Long Steep Grade

LIU Huan， REN Juan-juan， LIU Yong， LIU Xue-yi

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：In order to analyzes the dynamic characteristics of continuously welded rail track on the long steep grade， the paper takes Gui Yang urban rail transit No.1 line as an example to establish the integrated model of “rail-bridge-pier” to investigate the changes of the dynamic characteristics of the track structure under the condition of different grades， different train braking loads and different fastening spacing. The results show that the increasing of grade and braking load is negative to the longitudinal stress and deformation of the rail and pier stress. The grade should be properly controlled during the design period. For the elevated structure， with the decreasing of fastener spacing， the interaction between bridge and rail is enhanced. The recommended value of fastener spacing for the elevated structure of Gui Yang urban rail transit No. 1 line is 0.625 m．

Key words：Long steep grade; Pier; Braking load; Fastening spacing

中圖分類號(hào)：U213.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.002

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0005-04

作者簡(jiǎn)介：劉歡(1990—)，女，碩士研究生，E-mail:380273655@qq.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2013G008-C)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2682013CX046)，國(guó)家自然基金(51208438)

收稿日期：2014-06-16； 修回日期：2014-06-22