坡道連續(xù)梁橋上無縫線路縱向附加力研究

蒲 建 錦

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司廣東分公司，廣東 深圳 518000)

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坡道連續(xù)梁橋上無縫線路縱向附加力研究

蒲 建 錦

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司廣東分公司，廣東 深圳 518000)

以城市軌道交通中坡道上高墩大跨連續(xù)梁橋處的無縫線路為例，建立了鋼軌—橋梁—墩臺(tái)一體化計(jì)算模型，分析了影響連續(xù)梁橋跨長(zhǎng)度、扣件縱向阻力、連續(xù)梁橋墩剛度的因素，分別在溫度變化和制動(dòng)力作用下，計(jì)算了無坡度和28.5‰坡度的連續(xù)梁橋上鋼軌縱向附加力、位移及連續(xù)梁橋的橋墩受力性能，得到了一些有意義的結(jié)論。

城市軌道，坡道，連續(xù)梁橋，無縫線路，縱向附加力

0 引言

橋梁作為城市軌道交通的一種重要敷設(shè)方式，北京、上海、重慶、貴陽等都建設(shè)有高架線路。當(dāng)城市軌道交通線路經(jīng)過地形起伏較大的山區(qū)或者受到其他條件限制時(shí)，高架橋需要采用具有較大坡度的高墩大跨連續(xù)梁橋等結(jié)構(gòu)。高墩大跨的連續(xù)梁橋，橋墩剛度小，斷面的剛度很大，撓曲力很小，溫度跨度大，縱向力往往是控制因素。

本文針對(duì)城市軌道交通坡道連續(xù)梁橋上整體道床軌道結(jié)構(gòu)，計(jì)算無坡度和28.5‰坡度兩種情況下的不同參數(shù)變化時(shí)無縫線路伸縮附加力和制動(dòng)附加力，分析梁軌相互作用下力、位移的變化規(guī)律，為城市軌道交通連續(xù)坡道上的高墩大跨連續(xù)梁橋上無砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型和參數(shù)選取

城市軌道交通橋上支承塊承軌臺(tái)無砟軌道結(jié)構(gòu)，鋼軌、道床、橋梁、墩臺(tái)和基礎(chǔ)是一個(gè)相互作用的整體，根據(jù)梁軌相互作用理論，建立鋼軌—橋梁—墩臺(tái)縱向一體化模型如圖1所示。鋼軌和橋梁采用梁?jiǎn)卧M，扣件采用非線性彈簧模擬[1]，只考慮扣件縱向約束力。在橋梁兩端設(shè)置長(zhǎng)度100 m的路基，以滿足邊界條件的處理。橋梁孔跨布置為5×30 m簡(jiǎn)支梁+(30+40+30)m連續(xù)梁+5×30 m簡(jiǎn)支梁。

采用60 kg/m鋼軌，橋梁箱梁采用C50混凝土。采用地鐵B型車荷載，6節(jié)編組，軸重為140 t，荷載長(zhǎng)度為19.5×6=117 m，折合每延米軸重為28.07 kN/m[2]。由于車輛組成以及制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，城市軌道交通車輛在橋梁上的制動(dòng)力率取值比鐵路橋梁高[3]。

本文軌面制動(dòng)率取0.25[4]，按單線制動(dòng)計(jì)算；溫度伸縮力按橋梁升溫30 ℃考慮。

2 橋跨長(zhǎng)度影響規(guī)律研究

本節(jié)計(jì)算無坡度和坡度為28.5‰時(shí)，連續(xù)梁橋跨長(zhǎng)度分別是(30+40+30)m，(32+60+32)m，(60+100+60)m，(80+128+80)m四種工況，在溫度、制動(dòng)作用下的鋼軌縱向力和位移、連續(xù)梁橋墩縱向力。簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁橋墩剛度取320 kN/cm，線路縱向阻力取115 N/cm[5]。

表1列出考慮在梁體升溫30 ℃、制動(dòng)力作用下，分別在0‰，28.5‰坡度上，不同橋跨長(zhǎng)度時(shí)鋼軌最大縱向力和縱向位移、橋墩縱向力和最大梁軌快速相對(duì)位移結(jié)果。計(jì)算中考慮車從左邊入橋，制動(dòng)力起點(diǎn)為連續(xù)梁右端點(diǎn)處。

表1 橋梁升溫30 ℃，力和位移計(jì)算結(jié)果

從表1可以得到，坡度對(duì)最大鋼軌縱向力的影響隨橋跨長(zhǎng)度增大而增大，但影響較小，當(dāng)溫度跨度小于100 m時(shí)基本沒有影響。同時(shí)28.5‰坡度對(duì)鋼軌最大位移和連續(xù)梁橋墩縱向水平力影響大于對(duì)鋼軌縱向力的影響。圖2以(30+40+30)m的連續(xù)梁為例，給出在0‰,28.5‰坡度上的伸縮附加力和鋼軌位移沿橋梁長(zhǎng)度方向的分布，其他橋跨具有類似的分布。

從圖2中可以看到，無坡度和28.5‰坡度下，鋼軌伸縮附加力大小基本相等，而鋼軌的縱向位移大小則有一定的變化但分布一致，在連續(xù)梁的活動(dòng)端出現(xiàn)鋼軌縱向位移最大值。

表2 在制動(dòng)力作用下力和位移計(jì)算結(jié)果

從表2可以得到，在制動(dòng)力作用下隨著橋跨增大，坡度對(duì)主要力和位移的影響呈增大趨勢(shì)。橋跨為(80+128+80)m時(shí)相比于跨度較小的其他3種情況出現(xiàn)力和位移的值減少，是由于與橋梁長(zhǎng)度相比，車輛制動(dòng)距離較短。

圖3以連續(xù)梁橋跨長(zhǎng)度(30+40+30)m為例，給出制動(dòng)工況下鋼軌制動(dòng)附加力和梁軌相對(duì)位移沿橋梁長(zhǎng)度方向分布情況，可以看出鋼軌伸縮附加力和鋼軌快速相對(duì)位移的大小和分布在坡度為0‰和28.5‰時(shí)基本相同。

3 扣件縱向阻力影響分析

地鐵中常用DZⅢ扣件，其扣件阻力為115 kN/組，為分析扣件縱向阻力影響，取扣件縱向阻力分別為55 kN/組，85 kN/組，115 kN/組，145 kN/組，175 kN/組。在溫度變化和制動(dòng)力分別作用下，不同扣件縱向阻力條件下鋼軌最大縱向力、鋼軌最大縱向位移和橋墩最大縱向水平力的計(jì)算結(jié)果如表3，表4所示。

表3 不同扣件縱向阻力，溫度變化，鋼軌縱向力和位移、橋墩縱向力

表4 不同扣件縱向阻力，制動(dòng)力作用下，鋼軌縱向力和位移、橋墩縱向力

從表3可看出，溫度變化時(shí)，隨著扣件縱向阻力增大，鋼軌最大縱向力、鋼軌縱向位移最大值增大，連續(xù)梁橋墩縱向水平力變化很小。單獨(dú)分析一組扣件時(shí)，坡度對(duì)橋墩縱向水平力最大，鋼軌最大縱向位移次之，對(duì)鋼軌最大縱向力的影響最小。

從表4得到，制動(dòng)力作用下，當(dāng)扣件的縱向剛度增大，鋼軌最大縱向力和鋼軌最大位移、梁軌最大快速相對(duì)位移和連續(xù)梁縱向水平力減小。從以上數(shù)據(jù)可以得出，除梁軌快速相對(duì)位移以外，28.5‰坡度相對(duì)于無坡度各主要力和位移最大值的變化比例在不同扣件縱向阻力時(shí)基本相同。

綜合表3和表4，減小扣件縱向阻力可以減小鋼軌伸縮附加力，但在制動(dòng)作用下力和位移增大。扣件縱向阻力小梁軌相對(duì)位移增大，長(zhǎng)大坡道鋼軌爬行增大，故扣件縱向阻力不能過小，與文獻(xiàn)[6]結(jié)論一致。

4 連續(xù)梁橋墩剛度的影響

本節(jié)考慮連續(xù)梁橋墩縱向水平線剛度分別是320 kN/cm，600 kN/cm，950 kN/cm，1 500 kN/cm和2 500 kN/cm五種工況，連續(xù)梁橋跨布置為(30+40+30)m。在溫度變化和制動(dòng)工況下，主要的力和位移的變化情況，其計(jì)算結(jié)果如表5，表6所示。

表5 不同連續(xù)梁橋墩剛度，溫度變化，主要力和位移計(jì)算比較

表6 不同連續(xù)梁橋墩剛度，制動(dòng)工況下，主要力和位移計(jì)算比較

從表5中可以得到不同橋墩縱向剛度時(shí)，坡度對(duì)鋼軌最大縱向力的影響小于對(duì)鋼軌位移和橋墩剛度的影響，與不同橋跨長(zhǎng)度和不同扣件縱向阻力時(shí)溫度變化作用下坡度對(duì)鋼軌最大縱向力和位移、橋墩縱向力的影響一致的。

從表6可以看出，連續(xù)梁橋墩剛度增大，鋼軌最大縱向力和鋼軌最大縱向位移減小，以及梁軌相對(duì)位移都變小。結(jié)合表6和以上數(shù)據(jù)，得到處于坡度地段時(shí)梁軌的相對(duì)位移大于無坡度地段而且隨橋墩剛度減小影響作用變大，故在坡度地段需要加強(qiáng)對(duì)鋼軌爬行的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

1)溫度力作用下，對(duì)于不同橋跨長(zhǎng)度、扣件剛度、橋墩剛度，坡度對(duì)鋼軌伸縮附加力的影響較小。

2)制動(dòng)力作用下，28.5‰坡度相對(duì)于無坡度的情況，各主要力和位移的最大值的變化不會(huì)因扣件縱向阻力變化而發(fā)生明顯變化，在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。減小扣件縱向阻力可以減小溫度變化作用鋼軌縱向力，但在制動(dòng)作用下力和位移增大?？奂v向阻力小會(huì)造成梁軌相對(duì)位移增大，長(zhǎng)大坡道鋼軌爬行增大，故扣件縱向阻力不能過小。

3)高墩大跨特殊橋由于橋墩剛度小，制動(dòng)力作用下梁軌相對(duì)位移大，且坡度對(duì)梁軌快速相對(duì)位移影響隨橋墩剛度減小而增大，故需要加強(qiáng)鋼軌爬行監(jiān)測(cè)。

[1] TB 10015—2012，鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 王冬梅,倪向陽,王惠珺.城市軌道交通雙線橋上無縫線路撓曲力研究[J].都市快軌交通,2012,25(6):96-99.

[3] 吳亮秦,吳定俊.城市軌道交通橋梁列車制動(dòng)力試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2013,34(3):88-92.

[4] 姜 鵬,馬 坤.城市軌道交通橋梁橋墩縱向水平剛度研究[J].中國(guó)市政工程,2007(9):48-51.

[5] GB 50157—2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 王偉華,劉克飛,李培剛.長(zhǎng)大坡道橋上單元板式無砟軌道縱向力學(xué)特性分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2011(2):65-70.

Analysis of longitudinal mechanics behavior of continuous welded rail on continuous bridge at steep slope

Pu Jianjin

(GuangdongBranch,RailwayNo.3SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shenzhen518000,China)

Taking the seamless rail of the high pier large-span continuous beam bridge at the steep slopes in the urban rail traffic as the example, the paper establishes the integration calculation model with the rail, bridge and abutment, analyzes the factors affecting the span length of the continuous beam bridge, fastening vertical resistance, and stiffness of the continuous beam bridge pier, and calculates the additional stress, displacement, and pier stress of the non-slope and 28.5% slope continuous beam bridges, and achieves some meaningful conclusion.

urban rail, slope, continuous beam bridge, seamless route, longitudinal additive stress

1009-6825(2017)07-0191-03

2016-12-06

蒲建錦(1987- )，男，助理工程師

U441

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