橋墩縱向水平剛度對簡支梁橋橋上無縫線路的影響分析

徐浩,林紅松,顏華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

橋墩縱向水平剛度對簡支梁橋橋上無縫線路的影響分析

徐浩,林紅松,顏華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

摘要:橋墩縱向水平線剛度是橋梁和無縫線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，橋上無縫線路的縱向附加力、梁軌相對位移和鋼軌斷縫值在很大程度上取決于橋墩縱向水平剛度?；谟邢拊椒ê土很壪嗷プ饔迷?，以鐵路常見的簡支梁橋?yàn)檠芯繉ο螅⒕€-橋-墩一體化橋上無縫線路計(jì)算模型，研究橋墩縱向水平剛度對鋼軌伸縮力、撓曲力、制動(dòng)力和鋼軌斷縫值的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的增大，鋼軌伸縮力和撓曲力均增大，而制動(dòng)力、梁軌相對位移和鋼軌斷縫值均減??；橋上無縫線路檢算鋼軌伸縮力和撓曲力時(shí)，橋墩縱向水平剛度為剛性時(shí)偏于安全；檢算制動(dòng)力和鋼軌斷縫值時(shí)，橋墩縱向水平剛度取值越小越偏于安全。

關(guān)鍵詞：橋上無縫線路；墩臺剛度；縱向力；位移

國內(nèi)外對橋上鋪設(shè)無縫線路的技術(shù)均十分重視，從20世紀(jì)50年代開始，進(jìn)行了大量的理論、試驗(yàn)及工程實(shí)踐研究，形成了較為完整的橋上無縫線路計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法，并頒布了相應(yīng)的橋上無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范。由于我國既有鐵路及新建時(shí)速250km高速鐵路大多采用的是有砟軌道，因此一直以來我國橋上無縫線路的研究主要圍繞著有砟軌道而開展工作，我國的研究學(xué)者對橋上無縫線路的數(shù)值分析模型、現(xiàn)場測試等進(jìn)行了大量研究，基本形成了成熟的橋上無縫線路設(shè)計(jì)理論與方法。廣鐘巖等[1]詳細(xì)介紹了橋上無縫線路的基本原理、設(shè)計(jì)原則和縱向力的計(jì)算方法；魏賢奎等[2]介紹了一種計(jì)算橋上有砟軌道無縫線路計(jì)算軟件，并用相關(guān)實(shí)例驗(yàn)證了計(jì)算軟件的正確性；BattiniJ.M等[3]則介紹了利用有限元分析橋上無砟軌道軌道振動(dòng)的方法；徐慶元等[4]介紹了計(jì)算橋上無縫線路附加力的計(jì)算模型；曲村等[5]研究了長大簡支梁橋上有砟軌道無縫線路的縱橫垂向變形，黎國清等[6]研究了橋上無縫線路附加力的計(jì)算方法；馮邵敏[7]介紹了一種測試橋上無砟軌道無縫線路的測試方法，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。相關(guān)研究結(jié)果表明橋墩縱向水平剛度是橋梁和無縫線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，直接關(guān)系到橋上無縫線路的可靠性和安全性。連續(xù)梁橋和簡支梁橋是鐵路橋梁中應(yīng)用最廣的橋梁類型，蔡墩錦等研究了橋梁墩臺縱向水平剛度對簡支梁和連續(xù)梁橋上無縫線路伸縮力的影響規(guī)律[8]，但未考慮橋墩縱向水平剛度對撓曲力、制動(dòng)力和斷縫值的影響，王華成則研究了橋墩縱向水平線剛度對連續(xù)梁橋上無縫線路伸縮力、撓曲力和制動(dòng)力的影響規(guī)律[9]，也未考慮橋墩縱向水平剛度對斷縫值的影響。目前，無縫線路設(shè)計(jì)檢算時(shí)一般需要根據(jù)橋梁專業(yè)提供的橋墩剛度進(jìn)行檢算，但有時(shí)改建或新建的橋上無縫線路，橋梁墩臺縱向水平剛度無法準(zhǔn)確提供。因此有必要研究橋梁墩臺縱向水平剛度對橋上無縫線路設(shè)計(jì)的影響。本文基于有限元法和梁軌相互作用原理，研究橋墩縱向水平剛度對簡支梁橋上無縫線路的影響，從而為橋上無縫線路設(shè)計(jì)檢算提供參考。

1計(jì)算模型及參數(shù)

1.1計(jì)算模型

橋上無縫線路是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系[1]，分析時(shí)應(yīng)考慮橋梁墩臺縱向水平剛度的影響、可同時(shí)計(jì)算各種縱向力、以單根鋼軌作為計(jì)算對象并能考慮梁軌間的約束阻力。采用ANSYS有限元軟件，在滿足工程的前提下，通過一定的簡化處理，建立的線-橋-墩一體化橋上無縫線路計(jì)算模型[1,8,10,11]如圖1所示。

圖1　線—橋—墩一體化計(jì)算模型Fig.1 An integrated track-bridge-piers calculation model

在該模型中，由于僅考慮縱向作用力，鋼軌采用桿單元模擬；梁體采用梁單元模擬，鋼軌與橋梁、路基之間的道床阻力均采用非線性彈簧單元模擬，采用彈簧單元模擬固定支座處的橋墩的縱向水平剛度。

計(jì)算橋上無縫線路縱向附加力時(shí)，假定橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，不考慮支座本身的縱向變形，且固定支座承受的縱向力全部傳遞至墩臺上；計(jì)算伸縮力時(shí)梁的溫度變化僅考慮為單純的升溫或降溫，不考慮升降溫的交替變化；鋼軌與橋梁、鋼軌與路基間的縱向約束阻力均假定為縱向彈簧約束，其位移阻力特性與梁軌間、鋼軌與線路間的縱向阻力一致；不考慮橋梁護(hù)軌對無縫線路縱向力及位移計(jì)算的影響。

1.2計(jì)算參數(shù)

以直線上5×32m鋼筋混凝土簡支梁橋橋上有砟軌道無縫線路為例，橋跨及支座布置如圖2所示。

圖2　橋梁布置Fig.2 Bridge layout

橋梁固定支座位于橋梁右端，橋梁高度為3.05m，橋臺的縱向水平剛度為3 000kN/cm·雙線，橋墩縱向水平剛度按《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10015-2012)規(guī)定的最小限值取值，取為350kN/cm·雙線。計(jì)算中為消除邊界效應(yīng)，保證橋上無縫線路處于固定區(qū)，簡支梁橋兩端的路基長度取為120m[12]。

鋼軌采用60kg/m鋼軌，線路阻力按III型混凝土枕取值，如圖3所示。

圖3　Ⅲ型混凝土軌枕道床縱向阻力Fig.3 Ballast resistance of typeⅢ concrete sleeper

2橋墩縱向水平剛度的影響分析

僅改變橋梁墩臺縱向水平剛度的大小，其他參數(shù)不變，研究橋梁墩臺縱向水平剛度對橋上無縫線路受力的影響，墩臺縱向水平剛度分別取為原縱向水平剛度的0.5，1，5，10，100，1 000和10 000倍。2.1對伸縮力的影響

當(dāng)混凝土橋梁日溫差為15 ℃時(shí)，不同橋墩縱向水平剛度下簡支梁橋上的鋼軌伸縮力及橋臺與橋墩的最大縱向力如圖4所示。

圖中正號表示壓力，負(fù)號表示拉力。x表示距左橋臺的距離。

由圖4可知，鋼軌最大伸縮附加壓力發(fā)生在簡支橋梁的活動(dòng)端，最大伸縮附加拉力發(fā)生在簡支橋梁的固定端。隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的增大，鋼軌伸縮力、墩臺縱向力均隨之增大，但增大幅度逐漸減緩，基本呈現(xiàn)躍升平臺模式，這是由于當(dāng)橋梁墩臺剛度增大到一定值以后，橋梁墩臺的約束力足夠強(qiáng)，故對鋼軌伸縮力影響越來越小，從而出現(xiàn)平臺模式。橋梁墩臺縱向水平剛度越大，在鋼軌反作用力下橋梁整體位移所受約束越強(qiáng)，梁軌位移相等點(diǎn)越靠近固定支座，相等點(diǎn)兩側(cè)的縱向阻力之和越大，致使鋼軌及橋梁承受的縱向力也越大，從減小鋼軌伸縮力的角度考慮，橋梁墩臺縱向水平剛度不宜過大。當(dāng)橋梁墩臺縱向水平剛度為350kN/m雙線時(shí)，橋梁最大伸縮附加壓力為136.575kN，最大墩臺縱向力為131.385kN，當(dāng)縱向水平剛度增大至原水平剛度的10 000倍時(shí)，橋梁最大伸縮附加壓力和墩臺縱向水平力分別增大為166.262kN和153.210kN，分別增大21.7%和16.6%。

(a)鋼軌伸縮力；(b)橋臺最大縱向力；(c)橋墩最大縱向力圖4　不同墩臺剛度下鋼軌伸縮力及墩臺力Fig.4 Rail expansion and contraction force and pier force under different longitudinal rigidity of piers

從以上分析可知，在橋上無縫線路伸縮力計(jì)算時(shí)，橋梁墩臺縱向水平剛度取值越大，計(jì)算得到的伸縮附加力越大，從而使得橋上無縫線路檢算偏安全。

2.2對撓曲力的影響

計(jì)算荷載取客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)荷載-中活載(如圖5)，荷載布置在簡支梁左橋臺至右橋臺的兩跨橋梁上。

圖5　中活載Fig.5 China railway standard live loading

不同橋墩縱向水平剛度下的鋼軌最大撓曲附加壓力及墩臺縱向力如表1所示。

表1墩臺縱向水平剛度對撓曲力的影響

Table1Effectoflongitudinalrigidityofpiersonthebendingforce

墩臺縱向水平剛度倍數(shù)鋼軌撓曲壓力/kN墩臺縱向/kN橋墩橋臺0.535.90617.421-7.520138.14228.972-7.980545.04463.823-4.4391047.77975.718-2.90010052.69391.351-1.195100053.85893.301-1.0231000053.97793.501-1.006

從表1可知，隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的增大，墩臺縱向力隨著橋墩縱向水平剛度的增大而增大，簡支梁上鋼軌撓曲力也隨之增大。可見，橋上無縫線路檢算計(jì)算撓曲力時(shí)，橋梁墩臺縱向水平剛度取值越大，計(jì)算得到的撓曲附加力越大，從而使得橋上無縫線路檢算偏安全。

2.3對制動(dòng)力的影響

計(jì)算荷載取客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)荷載中活載，荷載從右向左進(jìn)入橋內(nèi)，起點(diǎn)在簡支梁橋左橋臺處。不同墩臺縱向水平剛度時(shí)的最大鋼軌制動(dòng)力和梁軌相對位移如表2所示。

從表2可見，隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的增大，鋼軌制動(dòng)附加力及梁軌相對位移均減小。橋墩縱向水平剛度對鋼軌受力及梁軌相對位移影響較大，因此橋上無縫線路設(shè)計(jì)中對橋梁墩臺縱向水平剛度的最小限值進(jìn)行了規(guī)定。

可見，橋上無縫線路檢算計(jì)算制動(dòng)力時(shí)，橋梁墩臺縱向水平剛度取值越小，計(jì)算得到的制動(dòng)附加力越大，從而使得橋上無縫線路檢算偏安全。

表2墩臺縱向水平剛度對制動(dòng)工況的影響

Table2Influenceoflongitudinalrigidityofpiersonthebrakingcondition

墩臺縱向水平剛度倍數(shù)鋼軌制動(dòng)力/kN壓力拉力梁軌相對位移/mm0.5308.694214.4222.4511237.169160.2082.0145118.81363.211.2241095.04856.7651.04410069.99150.9490.908100067.22950.3650.9081000066.95050.3060.909

2.4對鋼軌斷縫值的影響

橋上無縫線路鋼軌內(nèi)的內(nèi)力過大將導(dǎo)致長鋼軌折斷，形成斷縫，若斷縫值較大將影響行車的安全性。本文假定鋼軌降溫幅度為50℃[13]，假設(shè)鋼軌斷縫位于簡支梁橋左端梁縫處，計(jì)算得到鋼軌斷縫值隨橋梁墩臺縱向水平剛度的變化如圖6所示，其他計(jì)算參數(shù)不變。

圖6　鋼軌斷縫值隨墩臺剛度的變化Fig.6 Relation between rail breaking joint and longitudinal rigidity of piers

從圖6可知，隨著墩臺剛度的增大，對鋼軌伸縮的約束作用逐漸增大，因而鋼軌斷縫值逐漸減小，這也是限制橋梁墩臺最小水平剛度的原因之一。當(dāng)橋梁墩臺的縱向水平剛度增大到一定值時(shí)，墩臺的約束作用基本可以限制鋼軌的變形，故當(dāng)墩臺縱向水平剛度增大到一定值后，鋼軌斷縫值不再增大，而趨于一個(gè)定值?？梢?，當(dāng)橋上無縫線路檢算鋼軌斷縫值時(shí)，橋梁墩臺縱向水平剛度取值越小，計(jì)算得到的鋼軌斷縫值越大，從而使得橋上無縫線路檢算偏安全。

3結(jié)論

1)隨著橋梁墩臺剛度增大，鋼軌制動(dòng)力降低，而鋼軌伸縮附加壓力和撓曲力則增大，且增大趨勢逐漸減緩；

2)制動(dòng)時(shí)的梁軌相對位移和鋼軌斷縫值隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的增加而減小，為減小梁軌相對位移和鋼軌斷縫值，增大橋梁墩臺縱向水平剛度較為有效的措施；

3)檢算簡支梁橋有砟軌道無縫線路的伸縮力和撓曲力時(shí)，橋梁墩臺縱向水平剛度取為剛性時(shí)檢算結(jié)果更偏于安全，而檢算制動(dòng)力和鋼軌斷縫值時(shí)，橋梁墩臺縱向水平剛度取值越小檢算結(jié)果更偏安全。

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Analyzing the impact of longitudinal rigidity of piers on CWR track on simply supported girder bridge

XU Hao,LIN Hongsong, YAN Hua

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd，Chengdu610031,China)

Abstract:The longitudinal rigidity of piers is a key parameter in the design of the bridge and CWR. The longitudinal additional force, relative displacement between bridge and rail, breaking joint of CWR rails depend on the longitudinal rigidity of piers to a great extent. The commonly-used simply-supported girder bridge was used as an example in this study. An integrated track-bridge-piers calculation model of CWR on bridge was established according to the finite element method and the theory of interaction between rail and bridge. The Impacts of longitudinal rigidity of piers on the rail expansion and contraction forces, bending force, braking force and rail breaking joint were analyzed. Results show that with increasing longitudinal rigidity of piers, the rail expansion and contraction forces and bending force increase, whereas the braking force, relative displacement between bridge and rail, and breaking joint of rail decrease. The greater the longitudinal rigidity of piers is, the safer it will be when calculating the rail expansion and contraction forces and bending force. The less the longitudinal rigidity of piers is, the safer it will be when calculating the braking force and breaking joint of rail.

Key words：continuous welded rail on bridge; rigidity of pier and abutment; longitudinal force; displacement

收稿日期：2015-09-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51425804)

通訊作者：徐浩(1989-)，男，湖北天門人，工程師，博士，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)及軌道動(dòng)力學(xué)研究；E-mail:xhao0@163.com

中圖分類號：U213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0871-05