采用小阻力扣件的單線連續(xù)梁橋墩縱向剛度限值研究

馬旭峰,謝鎧澤,王偉平,王　平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都　610031)

?

采用小阻力扣件的單線連續(xù)梁橋墩縱向剛度限值研究

馬旭峰,謝鎧澤,王偉平,王平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都610031)

摘要：基于梁軌相互作用原理,建立橋上無縫線路線橋墩一體化模型,研究主橋鋪設小阻力扣件下單線連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度的限值。研究結果表明：在主橋鋪設小阻力扣件下,鋼軌伸縮附加應力最大值與連續(xù)梁溫度跨度及橋墩剛度近似呈線性關系；軌道結構穩(wěn)定性和鋼軌斷縫對橋墩剛度限值均不起控制作用,橋墩剛度限值僅由鋼軌強度控制；連續(xù)梁溫度跨度較大時,橋墩剛度限值與溫度跨度近似呈線性關系,對于溫度跨度為240 m的連續(xù)梁,軌溫變化幅度為50 ℃、40 ℃和30 ℃時,連續(xù)梁固定支座處橋墩剛度限值分別為1 282、522、226 kN/(cm·線)。

關鍵詞：無縫線路；小阻力扣件；橋墩縱向水平剛度；連續(xù)梁橋

隨著連續(xù)梁溫度跨度的增大，橋上無縫線路的縱向附加力也隨之增大，當溫度跨度較大時，就需要在橋上鋪設小阻力扣件，以減小梁軌間的相互作用[1]。從德國、日本及我國橋上無縫線路應用情況來看，采用小阻力扣件是避免采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、減少橋梁及無縫線路受力的有效措施[2]。

2013年，原鐵道部正式頒布了《鐵路無縫線路設計規(guī)范》(TB10015—2012)(以下簡稱“《規(guī)范》”)，與之前頒發(fā)的《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規(guī)定》(以下簡稱“《暫規(guī)》”)相比，將列車制動作用產(chǎn)生的附加應力作為鋼軌強度檢算的一項。由于鋼軌的制動附加應力受橋墩剛度的影響很大，因此新規(guī)范的實施在鋼軌強度方面增加了鋪設小阻力扣件下橋墩剛度的限值。例如對于固定支座處橋墩縱向水平線剛度為1 100 kN/(cm·線)的(90+165+90)m的連續(xù)梁，在軌溫變化幅度為50 ℃時，由于《暫規(guī)》檢算中不考慮制動附加力，因此橋上無縫線路檢算可以通過，但是采用《規(guī)范》進行檢算時就不能滿足要求[3-4]。按照《暫規(guī)》要求，對于鋪設小阻力扣件下的無縫線路一般沒有相關參數(shù)限值可以控制橋墩的縱向水平線剛度，但是對于《規(guī)范》可以通過鋼軌強度控制橋墩的剛度限值，因此有必要研究鋪設小阻力扣件下連續(xù)梁橋墩剛度限值，為我國橋上無縫線路設計提供參考。

1計算模型與基本參數(shù)

1.1計算模型

橋梁的縱向位移及制(啟)動力通過梁軌間的縱向約束帶動長軌條發(fā)生縱向位移，在長軌條中產(chǎn)生縱向附加力；同時梁軌間的縱向約束力又以相反的方向作用在橋梁上，并傳遞至固定支座上，帶動墩臺產(chǎn)生縱向位移，使橋梁上翼緣的縱向位移發(fā)生改變，因而線、橋、墩是一相互作用的耦合系統(tǒng)，由此建立了線橋墩一體化計算模型[5-6]，如圖1所示。

圖1　線橋墩一體化計算模型

1.2主要計算參數(shù)

計算橋型以連續(xù)梁為基本對象，連續(xù)梁溫度跨度取120～400 m，按20 m逐級遞增?？紤]到邊界條件對軌道結構受力的影響，在連續(xù)梁兩端各布置7跨32 m簡支梁。為了保證橋上無縫線路處于固定區(qū)，在左右橋臺外側各建立112 m路基[7]。橋梁結構形式如圖2所示。各溫度跨度連續(xù)梁橋跨度如表1所示。

圖2　橋跨及支座布置

左右橋臺頂縱向水平線剛度取1 500 kN/(cm·線)，簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度取220 kN/(cm·線)。連續(xù)梁固定支座處橋墩頂縱向水平線剛度取200～2 000 kN/(cm·線)，按300 kN/(cm·線)逐級遞增[8]。

橋梁為單線橋，橋上為直線、平坡，60 kg/m、U71Mnk鋼軌不考慮鋼軌頂面磨耗。全線鋪設有砟軌道，采用Ⅲ型混凝土軌枕，主梁連續(xù)梁鋪設彈條V型小阻力扣件，兩端簡支梁和路基上鋪設常阻力扣件。線路縱向阻力如表2所示。軌溫變化幅度有50、40、30 ℃ 3種情況，分別代表我國寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的氣候條件[9]。

表1　連續(xù)梁跨度

表2　線路縱向阻力　kN/(m·軌)

2計算結果與分析

2.1鋼軌附加應力計算限值

橋上無縫線路的計算分為伸縮、撓曲、制動、斷軌等工況，由于列車荷載作用而產(chǎn)生的撓曲力小于因溫度作用而產(chǎn)生的伸縮力，撓曲附加力在鋼軌強度檢算中不起控制作用，基于撓曲力與伸縮力不疊加考慮的原則，本文不計算撓曲力[9]。

U71MnK鋼軌允許應力為351.5 MPa。車速為160 km/h SS9機車作用于軌底上的拉應力計算得119.5 MPa，軌頭上的壓應力為154.0 MPa。3種溫度條件下鋼軌溫度應力分別為124、99.2、74.4 MPa。通過“統(tǒng)一公式”計算得單根鋼軌的允許壓應力值為194.332 MPa。由此可以得到表3中有砟軌道穩(wěn)定性檢算要求的鋼軌伸縮附加應力限值及強度檢算要求的(伸縮+制動)附加應力限值。

表3　有砟軌道附加應力計算限值　MPa

2.2按穩(wěn)定性條件確定橋墩剛度限值

在伸縮附加力計算中，橋梁升溫幅度按照規(guī)范規(guī)定的值：混凝土梁為15 ℃。改變連續(xù)梁溫度跨度及固定支座處的橋墩剛度，計算不同條件下鋼軌的伸縮附加力。鋼軌伸縮附加應力最大值與連續(xù)梁溫度跨度及橋墩剛度的關系如圖3所示。

圖3　鋼軌伸縮附加應力

從圖3可以看出，鋼軌伸縮附加應力最大值受橋墩剛度的影響很小，對于溫度跨度為120 m的連續(xù)梁，橋墩剛度從200 kN/(cm·線)增大至2 000 kN/(cm·線)，鋼軌伸縮附加應力約增大了14%。鋼軌伸縮附加應力隨著連續(xù)梁溫度跨度的增大而顯著增大，當橋墩剛度取500 kN/(cm·線)，連續(xù)梁溫度跨度從120 m增大至400 m，鋼軌伸縮附加應力約增大了1.4倍。從圖3中可以看出，鋼軌伸縮附加應力最大值與連續(xù)梁溫度跨度及橋墩剛度近似呈線性關系，用Matlab軟件對曲面進行擬合分析，可以得到下面的關系式

(1)

式中，σf為鋼軌伸縮附加應力最大值；X和Y分別為連續(xù)梁溫度跨度和橋墩剛度；單位均與上文相同。上式擬合優(yōu)度為0.993 3，可見擬合精度良好。

由圖3可以看出在軌溫變化幅度為50 ℃時，連續(xù)梁溫度跨度達到360 m時，伸縮附加應力將會超限，而軌溫變化幅度為40 ℃和30 ℃時，各溫度跨度下伸縮附加應力均未超限?？紤]到軌溫變化幅度為50 ℃，連續(xù)梁溫度跨度達到360 m時，鋼軌強度檢算亦早已不滿足要求，故在確定連續(xù)梁橋墩剛度限值時不考慮軌道結構穩(wěn)定性檢算的要求。

2.3按強度條件確定橋墩剛度限值

對于客貨共線鐵路，制動荷載采用中活載，并簡化為均布荷載，制動力作用長度不大于400 m，輪軌黏著系數(shù)取0.164[10]。因主橋連續(xù)梁鋪設小阻力扣件，線橋間相對滑動發(fā)生在鋼軌與軌枕間，而軌排與道床間不產(chǎn)生縱向滑動，因此，不以梁軌快速相對位移4 mm作為控制條件[6]。

改變連續(xù)梁溫度跨度及固定支座處的橋墩剛度，計算不同條件下鋼軌的制動附加力。將鋼軌制動附加應力最大值與相應條件下的伸縮附加應力最大值疊加，其與連續(xù)梁溫度跨度及橋墩剛度的關系如圖4所示。

圖4　鋼軌(伸縮+制動)附加應力

從圖4可以看出，當橋墩剛度不變時，隨著連續(xù)梁溫度跨度的增大，鋼軌(伸縮+制動)附加應力有較大幅度增大，但當溫度跨度較大時增大幅度減小，這主要是由于連續(xù)梁和左側簡支梁長度超過400 m時，制動荷載作用長度不變所致；當連續(xù)梁溫度跨度不變時，隨著橋墩剛度的增大，鋼軌(伸縮+制動)附加應力有較大幅度減小，這主要是由于鋼軌制動附加應力隨橋墩剛度增大而有較大幅度減小所致。

結合2.1節(jié)的鋼軌(伸縮+制動)附加應力限值計算，當溫度跨度較小時計算橋墩剛度均能滿足要求，這時取橋墩剛度最小值為200 kN/(cm·線)。當軌溫變化幅度為50 ℃時，連續(xù)梁溫度跨度為300 m時橋墩最小剛度超過2 000 kN/(cm·線)，因此只作出溫度跨度280 m下的橋墩剛度最小值圖。各溫度跨度按強度條件確定的橋墩剛度限值如圖5所示。

圖5　按強度條件確定的橋墩剛度限值

2.4按斷縫條件確定橋墩剛度限值

低溫時，橋上鋼軌產(chǎn)生溫度拉力和伸縮力，一旦鋼軌折斷，溫度力和伸縮力按縱向阻力梯度放散，在鋼軌折斷處形成較大斷縫。若鋼軌折斷斷縫值太大，會影響行車安全，因此需確保鋼軌折斷時斷縫不超過允許值70 mm[11]。本文計算斷軌時，建立2根軌條并假定1根軌條折斷，不考慮與伸縮力的疊加影響[12]。

改變連續(xù)梁溫度跨度及固定支座處的橋墩剛度，計算不同條件下鋼軌的斷縫值。鋼軌斷縫值與連續(xù)梁溫度跨度及橋墩剛度的關系如圖6所示。

圖6　鋼軌斷縫值

從圖6可以看出，連續(xù)梁溫度跨度及橋墩剛度對鋼軌斷縫值的影響均很小。鋼軌降溫50、40 ℃和30 ℃時，斷縫最大值分別為58.844、38.477、22.697 mm，均小于規(guī)范允許值70 mm。因此，鋼軌斷縫值對橋墩剛度限值不起控制作用，在確定橋墩剛度限值時將不考慮鋼軌斷縫的影響。

2.5連續(xù)梁橋墩剛度限值

從上文的分析知，軌道結構穩(wěn)定性和鋼軌斷縫對橋墩剛度限值均不起控制作用，因此橋墩剛度限值僅由鋼軌強度控制?？紤]到溫度跨度較大時，鋼軌強度檢算確定的橋墩最小剛度太大，實際施工中不易做到，因此橋墩剛度最大值取2 000 kN/(cm·線)。

連續(xù)梁溫度跨度極限值由軌道結構穩(wěn)定性和鋼軌強度確定。軌溫變化幅度為50 ℃、40 ℃和30 ℃時，由式1可確定由軌道結構穩(wěn)定性確定的連續(xù)梁溫度跨度極限值分別為281、414 m和548 m。由圖5知連續(xù)梁溫度跨度超過一定值后橋墩剛度限值與連續(xù)梁溫度跨度近似呈線性關系，因此橋墩剛度限值取2 000 kN/(cm·線)時可確定由鋼軌強度條件確定的連續(xù)梁溫度跨度極限值分別為283 m、433 m和806 m。綜上所述，可以確定軌溫變化幅度為50、40 ℃和30 ℃時，連續(xù)梁溫度跨度極限值分別為281、414 m和548 m。當連續(xù)梁溫度跨度超過溫度跨度極限值時橋梁需要全橋鋪設小阻力扣件或鋪設鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

小阻力扣件下有砟軌道無縫線路連續(xù)梁橋墩剛度限值如圖7所示。

圖7　連續(xù)梁橋墩剛度限值

從圖7可以看出，連續(xù)梁各溫度跨度下橋墩剛度限值，在溫度跨度較大時，橋墩剛度限值與溫度跨度近似呈線性關系。例如對于溫度跨度為240 m的連續(xù)梁，軌溫變化幅度為50 ℃、40 ℃和30 ℃時，橋墩剛度最小值分別為1282、522、226 kN/(cm·線)。

3總結與建議

(1)在主橋鋪設小阻力扣件下，鋼軌伸縮附加應力最大值σf與連續(xù)梁溫度跨度X及橋墩剛度Y近似呈線性關系，其擬合關系式為：σf=10.734+0.185X+0.003 7Y。

(2)軌道結構穩(wěn)定性和鋼軌斷縫對橋墩剛度限值均不起控制作用，因此橋墩剛度限值僅由鋼軌強度控制。

(3)在主橋鋪設小阻力扣件下，連續(xù)梁溫度跨度較大時，橋墩剛度限值與溫度跨度近似呈線性關系。例如對于溫度跨度為240 m的連續(xù)梁，軌溫變化幅度為50、40 ℃和30 ℃時，橋墩剛度最小值分別為1 282、522、226 kN/(cm·線)。

參考文獻：

[1]謝海林.廣深港客運專線橋梁設計綜述[J].鐵道標準設計，2012(3)：31-35．

[2]蔣金洲，盧耀榮.我國客運專線橋上無縫線路采用小阻力扣件的建議[J].鐵道建筑，2007(11)：90-93．

[3]楊艷麗.鋪設無縫線路的橋梁墩臺縱向線剛度設計研究[D].長沙:中南大學，2008．

[4]崔宏.輕軌高架橋連續(xù)梁墩頂縱向水平線剛度設計探討[J].鐵道標準設計，2011(7)：52-54．

[5]魏賢奎，陳小平，王平.有砟軌道基礎橋上無縫線路計算軟件開發(fā)與應用[J].鐵道建筑，2010(8)：115-118.

[6]顏樂，王平，等.橋上無縫線路溫度跨度的極值影響因素分析[J].鐵道科學與工程學報，2013(5)：43-39.

[7]陳小平.橋梁溫度跨度對CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫線路的影響[J].華東交通大學學報，2012(3)：26-30．

[8]朱浩，劉浩，等.連續(xù)剛構橋橋墩剛度對橋上無縫線路的影響[J].鐵道建筑，2014(1)：109-111．

[9]中華人民共和國鐵道部.鐵路無縫線路設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2013．

[10]張華平.高鐵中小跨度連續(xù)梁橋梁軌相互作用研究[D].長沙:中南大學，2010.

[11]蔣金洲，盧耀榮.客運專線鋼軌斷縫允許值研究[J].中國鐵道科學，2007(11)：25-29.

[12]王平，陳小平.橋上無縫線路鋼軌斷縫計算方法的研究[J].交通運輸工程與信息學報，2004(6)：47-52.

The limits of longitudinal Stiffness of Single Continuous Beam Piers with Small Resistance FastenersMA Xu-feng, XIE Kai-ze, WANG Wei-ping, WANG Ping

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

Abstract：The line-bridge-pier integration model of continuous welded rail is established based on the beam-track interaction principle. Then the limits of longitudinal horizontal stiffness of single continuous beam piers are studied with the main bridge equipped with small resistance fasteners. The results show that: when the main bridge is laid with small resistance fasteners, the maximal value of additional rail expansion and contraction force approximately demonstrate linear relationship with the value of expansion length of continuous beam and the value of stiffness of continuous beam pier; stability of the track structure and rail joints do not produce controlling effect on the limits of pier stiffness, it is controlled only by the strength of rail; the limits of pier stiffness and temperature range are approximately turn to be in linear relation when the temperature range of continuous beam is little bigger. For 240 m of the temperature range, when the rail temperature is in the range of 50 ℃、40 ℃ and 30 ℃, the limits of stiffness of fixes steady pier of continuous beam bridge are 1282, 522 and 226 kN/(cm·line) respectively.

Key words：Continuous welded rail; Small resistance fastener; Longitudinal horizontal stiffness of pier; Continuous beam bridge

中圖分類號：U213.9； U213.5+3； U441+.7

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.005

文章編號：1004-2954(2015)01-0021-04

作者簡介：馬旭峰(1990—)男，碩士研究生，E-mail：459290502@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金委高鐵聯(lián)合基金重點項目(U1234201)

收稿日期：2014-04-18； 修回日期：2014-04-24