混合梁斜拉橋鋼軌扣件和伸縮調節(jié)器合理布置

何永昶

(上海鐵路局 徐州鐵路樞紐工程建設指揮部，江蘇 徐州 221003)

?

混合梁斜拉橋鋼軌扣件和伸縮調節(jié)器合理布置

何永昶

(上海鐵路局 徐州鐵路樞紐工程建設指揮部，江蘇 徐州 221003)

以某貨運專線大跨度箱型主梁混合梁斜拉橋建設為工程背景，建立了橋上長鋼軌與橋梁結構系統(tǒng)縱向相互作用空間分析模型，系統(tǒng)計算分析了橋上鋼軌扣件型式和伸縮調節(jié)器布置對軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用的影響，提出了鋼軌扣件和伸縮調節(jié)器合理布置方案。研究結果表明，橋上鋪設小阻力扣件可使鋼軌制動力幅值略有減小，伸縮附加力最大值明顯減小，撓曲力幅值有所減小，在主橋兩端設置鋼軌伸縮調節(jié)器對降低軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用力效果最佳。

無縫線路；箱型主梁；混合梁斜拉橋；軌-橋相互作用；鋼軌扣件；鋼軌伸縮調節(jié)器

0 引言

某新建貨運專線特大橋主橋在我國首次采用了大跨度箱型主梁混合梁斜拉橋結構型式，且該橋一次性鋪設跨區(qū)間無縫線路，為確保列車運營和結構安全，其橋上無縫線路合理設計是橋梁建設者至為關心的問題之一。

斜拉橋跨徑大，溫度跨度也大，在橋上鋪設無縫線路，伸縮附加力則很大。此外，鐵路斜拉橋多采用半漂浮體系，列車作用下主梁將發(fā)生較大縱向位移，引起鋼軌縱向附加力過大。當鋼軌應力、位移超限時，可設置鋼軌伸縮調節(jié)器、小阻力扣件，但如何判斷這些裝置是否需要設置以及如何合理設置需要科學的計算模型、更加完善的計算方法和系統(tǒng)的計算分析。

文獻[1]針對簡支梁橋、連續(xù)梁橋、大跨度鋼桁梁橋分別建立了相應的有限元靜力分析模型，編制了相應的非線性有限元分析程序；采用連桿模擬軌道阻力，并推導了連桿單元的剛度矩陣；對縱向位移阻力系數(shù)、橋梁下部結構縱向剛度、橋梁跨度及橋梁跨數(shù)等對中小跨度橋梁縱向力傳遞的影響進行了詳細研究；并研究了大跨度橋梁鋼軌伸縮調節(jié)器的設置問題及大跨度橋梁縱向力傳遞的特點和規(guī)律。

文獻[2]研究了線-橋系統(tǒng)縱向相互作用的靜力非線性及動力分析問題；對溫度作用下軌-橋相互作用采用靜力方法計算，論證了微分方程法與有限單元法解的一致性，結合紅水河橋的線路改造，對其縱向受力特性及鋼軌伸縮調節(jié)器的合理布置形式進行了研究。

文獻[3]利用商業(yè)軟件GT STRUDL 為某主梁傾斜的直線輕軌橋建立了非線性空間有限元模型。荷載工況包括溫度變化，降溫導致的斷軌以及列車制動。通過對比軌道縱向力和橋臺、橋墩處的支座力，分析了下部結構支承布置、橋面施工方法以及軌道扣件類型對梁軌相互作用的影響。研究結果表明，非線性3D模型可以為梁軌相互作用問題提供足夠的分析依據(jù)。

目前的梁軌相互作用研究大都局限于簡支或連續(xù)梁橋，大跨度斜拉橋的橋上無縫線路縱向附加力研究則較少，針對大跨度箱型主梁混合梁斜拉橋的軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用研究則更少。本文針對箱型主梁混合梁斜拉橋的結構體系和構造特點，系統(tǒng)開展鋪設跨區(qū)間無縫線路大跨度鐵路斜拉橋軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用分析，研究提出大跨混合梁斜拉橋上鋼軌伸縮調節(jié)器和小阻力扣件的合理布置方式。

1 大跨度鐵路箱型主梁混合梁斜拉橋軌-橋相互作用計算模型和參數(shù)

1.1 計算模型

某新建特大橋由其主橋及兩端的多跨簡支梁引橋組成，主橋與引橋各橋跨間通過長鋼軌的聯(lián)結而具有較強的整體耦聯(lián)性，相鄰引橋通過長鋼軌對主橋有一定的約束作用，為綜合考慮引橋對主橋軌-橋相互作用的影響，大跨度鐵路箱型主梁混合梁斜拉橋軌-橋相互作用計算模型宜包含其兩側一定范圍的引橋橋跨，此外，為消除邊界條件對于橋上無縫線路縱向力和位移計算的影響，在計算模型中，考慮橋梁兩端路基上一定長度范圍內的鋼軌及扣件單元。

參考已有多跨簡支梁橋軌-梁相互作用研究成果[1]，多跨簡支梁橋跨數(shù)超過5以后，鋼軌及墩臺縱向附加力基本無變化；UIC規(guī)范建議橋梁兩端需考慮100 m長路基的鋼軌及扣件單元，德國規(guī)范(DS806)及國內有關研究結果表明，橋梁兩端路基長度取L+40較為合適，L為單跨平均長度。為此，本文采用大型結構有限元分析軟件Ansys建立了圖1所示的100 m路基+5跨簡支梁+(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m箱型主梁混合梁斜拉橋+5跨簡支梁+100 m路基的軌-橋相互作用空間計算模型。其中，主梁和索塔以及簡支梁橋跨結構均采用帶剛臂的beam4梁單元模擬；斜拉索用link8桿單元模擬，并用Ernst公式對其彈性模量進行修正以考慮其垂度效應；塔梁以及梁墩連接均采用combin14彈簧單元模擬；鋼軌與主梁豎、橫向連接用combin14彈簧單元模擬，鋼軌與主梁縱向連接即軌道阻力本構模型采用combin39非線性彈簧單元模擬；鋼軌用beam4梁單元模擬；塔底以及輔助墩和主橋邊墩墩底假定為固結；簡支梁梁端采用combin14彈簧單元模擬引橋下部結構對橋跨結構的約束作用。全橋采用魚骨刺模型，共有節(jié)點12 633個，單元31 506個。

圖1 箱型主梁混合梁斜拉橋軌-橋相互作用計算模型

1.2 主要計算參數(shù)

橋上軌道縱向阻力采用理想彈塑性本構模型，圖2 、圖3分別為鋪設III型混凝土軌枕有砟軌道道床縱向阻力和有砟軌道采用彈條V型小阻力扣件時扣件縱向阻力[4]。引橋簡支梁跨墩頂縱向水平線剛度借鑒已有干線鐵路簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度實際使用值，取為1 000 kN/cm。

圖2 鋪設Ⅲ型混凝土軌枕時有砟軌道道床縱向阻力

圖3 有砟軌道采用彈條V型小阻力扣件縱向阻力

主梁溫差參考《鐵路無縫線路設計規(guī)范》第3.2.5條規(guī)定，對于橋上鋪設有砟軌道工況，混凝土梁日溫差取為±15 ℃，鋼梁日溫差取為±25 ℃；斜拉索與混凝土主梁、索塔間以及斜拉索與鋼主梁的溫差參考《公路斜拉橋設計細則》(JTG/T D65-01—2007)[5]第5.2.5條第3款的規(guī)定，分別采用±(10～15 ℃)和±10 ℃。

根據(jù)《鐵路無縫線路設計規(guī)范》第3.2.1條的規(guī)定，豎向荷載取用設計活載，即中-活載；輪軌制動力率取為0.164。

2 軌道扣件型式和鋼軌伸縮調節(jié)器設置對軌-橋相互作用影響分析

2.1 扣件型式對軌-橋相互作用的影響

已有研究成果表明[6]，采用小阻力扣件可降低鋪設無縫線路橋梁的軌梁相互作用。為此，本文按以下3種工況計算比較采用常阻力及小阻力扣件時的軌-橋相互作用。

工況一：全橋(包括主橋和兩側引橋，下同)及路基段均鋪設常阻力扣件。

工況二：除路基段為常阻力扣件外，全橋鋪設彈條V型小阻力扣件。

工況三：主橋兩側邊跨和引橋為彈條V型小阻力扣件，主跨及路基段為常阻力扣件。

2.1.1 制動力

假定列車從左往右單線運營并制動停止在主橋上，停車位置為車頭在主橋最右端，車尾在跨中，即主橋右半橋加載。

表1表示列車制動條件下不同扣件布置形式軌-橋相互作用計算結果。

表1 各工況下軌梁受力及變形計算結果

由表1可知，全橋鋪設小阻力扣件和兩側邊跨及引橋為小阻力扣件工況鋼軌制動力和梁軌縱向位移最大值基本相同；鋪設小阻力扣件與全橋為常阻力扣件相比，鋼軌制動力最大值略有減小，降低幅度為4.8%；但鋼軌和主梁縱向位移以及梁軌縱向相對位移均有所增大。

2.1.2 伸縮附加力

鋪設小阻力及常阻力扣件區(qū)段的軌道縱向阻力分別取有砟軌道彈條V型小阻力扣件有載時機車下的阻力和有砟軌道有載道床阻力；混凝土梁日溫差15 ℃，鋼梁日溫差25 ℃，斜拉索溫差20 ℃。

表2表示不同扣件型式軌-橋相互作用系統(tǒng)伸縮附加力計算結果。

表2 不同扣件布置形式軌-橋系統(tǒng)伸縮附加力計算結果

從表2可看出，全橋鋪設小阻力扣件和兩側邊跨及引橋采用小阻力扣件兩種工況軌-橋系統(tǒng)伸縮附加力計算結果相差不大；鋪設小阻力扣件與全橋為常阻力扣件相比，鋼軌伸縮力幅值降低了26.5%；鋪設小阻力扣件使鋼軌縱向位移有所減小，主梁縱向位移和梁軌縱向相對位移略有增大。

2.1.3 撓曲力

假定雙線對開列車同時加載于主橋左半橋。

表3表示不同扣件型式軌-橋相互作用系統(tǒng)撓曲力計算結果。

表3 不同扣件型式軌-橋系統(tǒng)撓曲力計算結果

由表3可知，全橋鋪設小阻力扣件和兩側邊跨及引橋采用小阻力扣件兩種工況鋼軌撓曲力計算結果相差不大；鋪設小阻力扣件與全橋為常阻力扣件相比，鋼軌撓曲力幅值有所減小，降低幅度為10.0%；鋪設小阻力扣件使鋼軌和主梁縱向位移以及梁軌縱向相對位移略有增大。

2.2 鋼軌伸縮調節(jié)器的設置對軌-橋相互作用的影響

按以下4種工況計算分析鋼軌伸縮調節(jié)器設置對軌-橋相互作用的影響。

工況一：全橋不設鋼軌伸縮調節(jié)器；

工況二：主橋跨中設置鋼軌伸縮調節(jié)器；

工況三：主橋右端設置鋼軌伸縮調節(jié)器；

工況四：主橋兩端設置鋼軌伸縮調節(jié)器。

2.2.1 制動力

假定列車從左往右單線運營并制動停止在主橋上，停車位置為車頭在主橋最右端，車尾在跨中；全橋和兩端路基均布置常阻力扣件。

表4表示列車制動條件下鋼軌伸縮調節(jié)器設置方式對軌-橋相互作用的影響。

表4 各工況下軌梁受力及變形計算結果

從表4可看出，主橋跨中設置鋼軌伸縮調節(jié)器與不設伸縮調節(jié)器軌-橋相互作用效應幅值計算結果基本相同，其主要原因是軌-橋系統(tǒng)制動力的峰值出現(xiàn)在主橋左右兩端，因此，在主橋跨中設置伸縮調節(jié)器對降低鋼軌制動力最大值作用不大；在主橋右端設置伸縮調節(jié)器釋放了此處的鋼軌制動壓力，但同時明顯增大了左端的鋼軌制動拉力，從而增加了鋼軌制動力的幅值；兩端設置伸縮調節(jié)器有效釋放了鋼軌制動力，梁軌縱向相對位移也降至很小，但鋼軌及主梁縱向位移幅值顯著增大。

2.2.2 伸縮附加力

線路縱向阻力取有砟軌道鋪設III型混凝土軌枕有載時的道床阻力；混凝土梁日溫差15 ℃，鋼梁日溫差25 ℃，斜拉索溫差20 ℃。

表5表示鋼軌伸縮調節(jié)器設置方式對軌-橋系統(tǒng)伸縮附加力效應的影響。

由表5可知，主橋跨中設置鋼軌伸縮調節(jié)器與全橋不設伸縮調節(jié)器的伸縮附加力計算結果基本相同；在主橋右端和主橋兩端設置鋼軌伸縮調節(jié)器較不設置伸縮調節(jié)器，鋼軌伸縮附加力幅值分別減小了49.1%和72.1%。

表5 鋼軌伸縮調節(jié)器設置方式對軌-橋系統(tǒng)伸縮附加力效應的影響

從表5還可看出，鋼軌伸縮調節(jié)器設置方式對鋼軌和主梁的縱向位移影響較大，主橋右端設置鋼軌伸縮調節(jié)器較全橋不設置伸縮調節(jié)器，鋼軌和主梁縱向位移幅值均增加了近一倍；主橋兩端設置伸縮調節(jié)器較不設置伸縮調節(jié)器，鋼軌和主梁縱向位移有所加大，增加幅度為19.3%；不設伸縮調節(jié)器和跨中設置伸縮調節(jié)器時的梁軌縱向相對位移最大，在主橋右端設置伸縮調節(jié)器可以有效減小梁軌縱向相對位移，而在主橋兩端設置伸縮調節(jié)器則使梁軌縱向相對位移降至很小值。

2.2.3 撓曲力

假定雙線對開列車同時加載于主橋左半橋。

表6表示鋼軌伸縮調節(jié)器不同布置方式下軌-橋系統(tǒng)撓曲力效應計算結果。

表6 鋼軌伸縮調節(jié)器不同布置方式下軌-橋系統(tǒng)撓曲力效應計算結果

由表6可知，主橋跨中設置鋼軌伸縮調節(jié)器與全橋不設伸縮調節(jié)器相比，鋼軌撓曲拉、壓力幅值分別降低21.1%、47.1%；主橋右端設置鋼軌伸縮調節(jié)器較全橋不設置伸縮調節(jié)器，鋼軌撓曲拉力幅值明顯降低，但撓曲壓力則有較大增加；主橋兩端設置伸縮調節(jié)器較全橋不設置伸縮調節(jié)器，鋼軌撓曲拉、壓力幅值均明顯降低，減小幅度分別達到84.6%和46.4%。

從表6還可看出，主橋一端設置伸縮調節(jié)器時增大了鋼軌和主梁的縱向位移，而主橋兩端均設置伸縮調節(jié)器時則使鋼軌和主梁的縱向位移明顯增大，但梁軌縱向相對位移變化則較小。

3 結論與建議

本文通過對跨區(qū)間無縫線路大跨度箱型主梁混合梁斜拉橋的軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用分析以及鋼軌伸縮調節(jié)器和軌道扣件的合理布置研究，得到以下結論與建議。

(1)橋上鋪設小阻力扣件可使鋼軌制動力幅值略有減小，鋼軌伸縮力最大值明顯減小，鋼軌撓曲力幅值有所減小，但主梁縱向位移有所增大；宜采用主橋兩側邊跨及引橋鋪設小阻力扣件，主跨仍為常阻力扣件的方式。

(2)在主橋跨中設置鋼軌伸縮調節(jié)器，對減小鋼軌制動力和伸縮附加力作用不大，鋼軌撓曲力幅值則有一定程度降低；在主橋一端設置鋼軌伸縮調節(jié)器，增加了鋼軌制動力幅值，但降低了鋼軌伸縮附加力和撓曲力。

(3)在主橋兩端設置鋼軌伸縮調節(jié)器對降低軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用力效果最佳，大幅度減小了鋼軌縱向附加力，確保了鋼軌強度和穩(wěn)定性；但主梁縱向位移明顯增大。

[1]卜一之．高速鐵路橋梁縱向力傳遞機理研究[D]． 成都：西南交通大學土木工程學院，1998.

[2] 陰存欣. 鐵路橋梁縱向附加力的靜動力非線性分析與仿真研究[D]. 北京：鐵道部科學研究院，2000.

[3] Ruge P， Birk C．Longitudinal forces in continuously welded rails on bridgedecks due to nonlinear track-bridge interaction[J]．Computers and Structures，2007，85(7/8)：458-475.

[4] 鐵道部. TB10015—2012 鐵路無縫線路設計規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2013.

[5] 交通部. JTG/T D65-01—2007 公路斜拉橋設計細則[S]. 北京：人民交通出版社，2007.

[6] 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.

Reasonable Arrangement of Rail Fastener and Telescopic Adjustment on Hybrid Girder Cable-stayed Bridge

He Yongchang

(Xuzhou Railway Hub Project Construction Headquarters of Shanghai Railway Administration, Xuzhou 221003, China)

Based on the construction of large-span freight railway box hybrid girder cable-stayed bridge，the spatial analysis model of the interaction between continuous welded rail and bridge structure is established. The effect of rail fastener type and telescopic adjustment arrangement on longitudinal interaction of the rail-bridge system is analysed systematically. The reasonable layout program of fastening and telescopic adjustment is put forward. The results of the study indicates that the magnitude of the rail braking force can be slightly reduced，rail stretching force be significantly decreased, and rail flexural force be cut down when small resistance fasteners is layed on the bridge. The longitudinal interactions of track-bridge system is lowered furthest when rail telescopic adjuster is set at both ends of the main bridge.

CWR；box girder；hybrid girder cable-stayed bridge；track-bridge interaction；rail fastener；rail telescopic adjuster

2015-07-26 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.03

何永昶(1975-)，男，高級工程師，研究方向為鐵路、高速鐵路工程技術管理，E-mail：80096841@qq.com

U448.28

A

2095-0373(2016)02-0012-06

何永昶.混合梁斜拉橋鋼軌扣件和伸縮調節(jié)器合理布置[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2016,29(2):12-16.