鄭徐客運專線(76+160+76) m連續(xù)梁無縫線路設(shè)計

孔令凱

(鄭西鐵路客運專線有限責任公司，鄭州 450008)

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鄭徐客運專線(76+160+76) m連續(xù)梁無縫線路設(shè)計

孔令凱

(鄭西鐵路客運專線有限責任公司，鄭州 450008)

針對鄭徐客運專線開蘭特大橋(76+160+76) m連續(xù)梁的無縫線路設(shè)計，采用有限元法，對扣件類型和是否設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器進行方案比選。檢算結(jié)果表明，本橋采用WJ-8B型常阻力扣件鋼軌應力不滿足強度要求，采用小阻力扣件非常接近鋼軌的容許應力值。研究結(jié)論：該橋需要在梁端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

鐵路橋；連續(xù)梁；無砟軌道；無縫線路；鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器；設(shè)計

1 概況

鄭徐客運專線開蘭特大橋(76+160+76) m連續(xù)梁橋位于DK80+776.85～ DK81+096.5處，處于直線地段，跨越220國道，溫度跨度為236 m，橋上采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，圖1為橋梁橋跨布置。本文主要針對本橋的無縫線路進行設(shè)計。

圖1 開蘭特大橋(76+160+76) m連續(xù)梁橋跨布置(單位：m)

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

橋上無縫線路縱向附加力計算采用梁軌相互作用的有限元分析模型，如圖2所示。該模型包括了鋼軌單元、扣件單元、橋梁單元以及墩臺基礎(chǔ)單元，考慮了橋梁的溫度作用，以及垂直荷載與縱向制動力、加速度力等作用。由于扣件阻力為非線性，計算軌道應力需要進行一系列的非線性分析，采用ANSYS通用軟件進行梁軌相互作用分析[1-3]。

圖2 橋上無縫線路計算模型

鄭徐客運專線采用的鋼軌為60 kg/m U71MnG。

60 kg/m鋼軌的截面特性如下：面積A=77.45 cm2；轉(zhuǎn)動慣量I=3 217 cm4；彈性模量E=2.1×105MN/m2，鋼軌鋼的線膨脹系數(shù)α=1.18×10-5/℃。

鋼軌允許附加應力：

鋼軌屈服強度457 MPa，鋼軌容許應力=457/1.3=351.5 MPa。

2.2 模型參數(shù)

(1)鋼軌溫度

鋼軌溫度參數(shù)如表1所示。

表1 鋼軌溫度 ℃

(2)線路縱向阻力

鄭徐客運專線無砟軌道采用WJ-8B扣件、扣件節(jié)點間距取650 mm。

《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》(TB 10015—2012)中相關(guān)參數(shù)基于扣件節(jié)點間距為625 mm，扣件單位長度縱向阻力經(jīng)換算后可按表2取值[4-8]。

表2 WJ-8型扣件縱向阻力 kN/m/軌

無砟軌道采用WJ-8型小阻力扣件、扣件節(jié)點間距為650 mm時，扣件單位長度縱向阻力可按表3取值[4，9，10]。

表3 WJ-8型小阻力扣件縱向阻力 kN/m/軌

(3)橋梁溫度

伸縮力計算時，無砟軌道梁年溫差取30 ℃[4]。

(4)設(shè)計荷載

列車荷載取CRH3動車組荷載，軸重為17 t，軸間距為2.5 m。

3 橋上無縫線路設(shè)計

3.1 伸縮力計算

在對開蘭特大橋(76+160+76) m連續(xù)梁橋橋上無縫線路進行設(shè)計時，考慮對以下3種設(shè)計方案進行比選。

方案1：全橋采用WJ-8B型常阻力扣件，不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

方案2：全橋采用WJ-8B型小阻力扣件，不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

方案3：全橋采用WJ-8B型小阻力扣件，設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

(1)方案1：全橋采用WJ-8B型常阻力扣件，不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

鋼軌伸縮力計算結(jié)果如圖3所示，鋼軌伸縮力最大值為1 106 kN，換算應力為142.8 MPa。

圖3 方案1鋼軌伸縮力

墩臺伸縮力計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 方案1墩臺伸縮力

(2)方案2：全橋采用WJ-8B型小阻力扣件，不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

鋼軌伸縮力計算結(jié)果如圖5所示，鋼軌伸縮力最大值為507 kN，換算為應力為：65.5 MPa。

圖5 方案2鋼軌伸縮力

墩臺伸縮力計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 方案2墩臺伸縮力

(3)方案3：全橋采用WJ-8B型小阻力扣件，設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

鋼軌伸縮力計算結(jié)果如圖7所示，鋼軌伸縮力最大值為1 100-980=120 kN，換算為應力為15.5 MPa。

圖7 方案3鋼軌伸縮力

墩臺伸縮力計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 方案3墩臺伸縮力

3.2 制動力計算

(1)鋼軌制動力，最大值為340 kN，換算為應力為43.9 MPa，見圖9。

圖9 鋼軌制動力

(2)墩臺制動力(圖10)

圖10 墩臺制動力

3.3 鋼軌動彎應力計算

鋼軌動彎應力是鋼軌在準靜態(tài)列車荷載作用下?lián)锨冃味a(chǎn)生的彎曲應力，是無縫線路鋼軌應力的重要組成部分。鋼軌動彎應力大小與列車軸重、軸距、速度系數(shù)、偏載系數(shù)、鋼軌支點剛度、支點間距有關(guān)。鋼軌動彎應力計算根據(jù)《鐵路軌道強度檢算方法》(TB2034—88)，采用連續(xù)彈性基礎(chǔ)梁理論，將鋼軌視為連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的等截面無限長梁，在靜輪載的作用下，鋼軌截面的靜彎矩

u——鋼軌基礎(chǔ)彈性模量，u=D/a(N/cm2)；

a——軌枕間距，cm；

Pi——第i個車輪作用在鋼軌上的靜輪載，N；

xi——第i車輪到計算輪的距離，cm。

鋼軌在車輪動荷載作用下的動彎矩

Md=(1+α+β)Mj

式中 α——速度系數(shù)，取1.0；

β——偏載系數(shù)。

軌底邊緣動應力的計算公式

式中 Wg——鋼軌下部斷面系數(shù)，cm3；

f——橫向水平力系數(shù)。

采用上述機車荷載檢算，經(jīng)計算，動彎應力σd=111.17MPa。

3.4 鋼軌溫度應力計算

根據(jù)溫降最大值為47.9 ℃，鋼軌溫度應力計算如下

σt=Eαt=118.8MPa。

3.5 無縫線路強度檢算

橋上無縫線路鋼軌應力包括伸縮附加應力、制動附加應力、動彎應力和溫度應力[11-14]，各應力計算結(jié)果如表4所示。

表4 鋼軌強度檢算 MPa

從表4看出，無砟軌道梁年溫差取30 ℃，方案1的鋼軌應力超出了允許的鋼軌應力，因此不成立；方案2和方案3鋼軌應力檢算理論上滿足要求。由于方案2的鋼軌應力非常接近鋼軌的允許應力，結(jié)合溫福鐵路飛云江特大橋高溫季節(jié)運營中發(fā)生梁端軌道方向不良和上拱等病害，以及廣珠城際鐵路容桂水特大橋半圓形凸臺開裂及小阻力扣件墊板串出現(xiàn)象等相關(guān)運營項目的實際情況[15]，不推薦采用方案2，即全橋僅鋪設(shè)小阻力扣件。因此本橋推薦方案3，即設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器方案。

4 結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果，無砟軌道梁年溫差取30 ℃時無砟軌道鋼軌伸縮附加力較大，結(jié)合已運營的溫福鐵路和廣珠城際鐵路軌道病害，對于溫度跨度超過200m的長大連續(xù)梁，在設(shè)置小阻力扣件的條件下宜設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。因此鄭徐客運專線開蘭特大橋(76+160+76)m連續(xù)梁全橋采用WJ-8B型小阻力扣件，梁端設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器方案。

[1] 伍衛(wèi)凡.長昆客運專線漣水特大橋軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究[J].鐵道標準設(shè)計，2015，59(11)：52-55.

[2] 龔小平.長大跨度橋上無縫線路設(shè)計注意問題探討[J].鐵道建筑技術(shù)，2014(1):31-53.

[3] 崔紅麗，郭福安，江中貴，等.長大混凝土橋梁無砟軌道溫度跨度研究[J].鐵道工程學報，2012(7)：11-28.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10015—2012鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2012.

[5] 孫立.大跨度混凝土連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)[J].中國鐵路，2004(9):50-52.

[6] 廣鐘巖,高慧安.鐵路無縫線路[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7] 盧耀榮.無縫線路研究與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[8] 國家鐵路局.TB10621—2014高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[9] 楊全亮.無砟軌道小阻力扣件鋼軌縱向阻力測試方法研究[J].鐵道標準設(shè)計，2014，58(12)：18-20.

[10]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.

[11]曾憲海.高速鐵路曲線地段長大連續(xù)梁橋無縫線路方案研究[J].鐵道建筑，2011(4):1-5.

[12]李艷.大跨度多跨連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計方法研究[J].北京:中國鐵道出版社，2005.

[13]王平.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(2):47-52.

[14]張利.膠濟客專長大連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計[J].山西建筑，2015，41(4):191-192.

[15]丁靜波，劉亞航，谷呈朋.橋上無縫線路鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置問題探討[J].鐵道標準設(shè)計，2014，58(8):27-29.

The Design of CWR on Continuous Bridge on Zhengzhou-Xuzhou Dedicated Passenger Line

KONG Ling-kai

(Zhengxi Dedicated Passenger Railway Line Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China)

In view of the design of continuous welded rail on Kailan main bridge of(76+160+76)m on Zhengzhou-Xuzhou dedicated passenger line， this paper compares the programs about the types of fastener and the setting of rail expansion joint based on finite element analysis. The calculation results show that the program with normal resistance fasteners of WJ-8B fails to meet the strength requirement and the program with small resistance fasteners of WJ-8B results in very closeness to the allowable stress of rail. Studies conclude that it is necessary to set a group of rail expansion joints on the beam end of the bridge

Railway bridge; Continuous beam; Ballastless track; Continuous welded rail (CWR); Rail expansion joint; Design

2016-01-20；

2016-05-23

孔令凱(1979—)，男，工程師，2003年畢業(yè)于河南焦作工學院土木工程專業(yè)，工學學士，E-mail:445614093@qq.com。

1004-2954(2016)12-0013-04

U213.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.004