斜拉橋無縫線路鋪設(shè)

龐芳偉

（南寧局集團公司 工務(wù)檢測所，工程師，廣西 南寧 530029）

湘桂線紅水河斜拉橋位于湘桂鐵路下行線來賓～良江區(qū)間，是我國第一座預應(yīng)力鋼筋混凝土斜拉橋。為適應(yīng)運營形勢變化，改善線路狀況，提高軌道平順度，減小軌道不平順引起的列車振動、輪軌動力作用增大等因素對橋梁和軌道結(jié)構(gòu)耐久性的影響，擬在橋上鋪設(shè)無縫線路。

1 橋上無縫線路方案比選

方案一：橋梁位于無縫線路的固定區(qū)，橋上不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，采用普通扣件無縫線路。

方案二：橋梁位于無縫線路固定區(qū)，橋上不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，采用小阻力扣件無縫線路。

方案三：橋梁位于無縫線路的伸縮區(qū)，在連續(xù)梁的跨中設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

由于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器尖軌與基本軌間存在結(jié)構(gòu)不平順，根據(jù)鐵道科學研究院實測資料，列車通過鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時，其簧下豎下振動加速度（7.0g～8.0g）為通過平順的焊接接頭的簧下豎下振動加速度（2.5g～5.0g）的1.4～3.2倍，鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器會對行車舒適性產(chǎn)生不利影響。另一方面，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器是軌道的薄弱環(huán)節(jié)，在運營過程中，養(yǎng)護、維修作業(yè)量大，因此本次橋上無縫線路設(shè)計不采用方案三。

橋梁位于無縫線路的固定區(qū)，采用與橋梁兩端一致的軌道結(jié)構(gòu)。不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，減小軌道部件的種類，能夠節(jié)約軌道成本，降低造價并且利于線路的養(yǎng)護維修；但是長鋼軌伸縮力較大，不利于保證軌道結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。

橋上鋪設(shè)無縫線路除承受溫度力之外，橋梁和軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計還應(yīng)考慮橋梁與無縫線路的相互作用。為了最大限度地減小梁軌相互作用力，并保持軌道有較好的承載能力，必須合理地選擇鋼軌的布置方式和線路縱向阻力參數(shù)，它是橋上無縫線路設(shè)計中的一項至關(guān)重要的內(nèi)容。

經(jīng)計算比選，采用方案二在紅水河斜拉橋無縫線路是可行的。

2 橋上無縫線路軌道結(jié)構(gòu)方案

全橋鋪設(shè)P60無縫線路。采用標軌100m素軌，R〈800m的曲線使用大調(diào)量扣件。鎖定軌溫為36±5℃，區(qū)間單元軌節(jié)鎖定溫差小于10℃。采用小阻力扣件，扣件扭矩80～100N.m。Ⅱ型橋枕，按1760根/km布置，要求軌枕狀態(tài)良好。橋上道床道頂面寬350cm，碴肩堆高15cm，邊坡坡度1∶1.75。道床厚度最小30cm。橋梁與兩端線路軌道道床厚度在橋臺外30m范圍內(nèi)順坡。

3 橋上無縫線路設(shè)計計算

橋上無縫線路的附加縱向力基本計算模型依據(jù)的是梁軌相互作用原理。采用有限元分析的方法，劃分單元，將結(jié)點位移視為變量。在彈性范圍內(nèi)，運用疊加原理進行鋼軌和梁體的位移以及鋼軌縱向附加力的計算。采用ANSYS建立有限元模型進行鋼軌縱向附加力的計算。

3.1 模型假定

1）考慮一股道的兩根鋼軌，鋼軌視為縱向支承于彈性地基上的有限長梁，能夠承受拉、壓作用，其拉、壓剛度相等，且為常量。

2）鋼軌和兩端路基、鋼軌和橋梁之間的連接用非線性彈簧簡化模擬。

3）鋼軌和橋梁產(chǎn)生縱向相對位移，二者通過線路縱向阻力相互作用，線路縱向阻力大小與二者間的相對位移為非線性關(guān)系，一般為扣件阻力和道床阻力的較小者。

4）鋼軌結(jié)點兩端縱向力與線路縱向阻力相平衡，鋼軌兩相鄰結(jié)點位移差與該鋼軌單元釋放的縱向力成正比。

5）橋梁截面特性參數(shù)，主要截面按設(shè)計圖紙計算，其余內(nèi)插。

6）由于幾何非線性對中、小跨度橋梁的分析結(jié)果影響不大。對本橋只作線性分析。

7）所有斜拉索一端鉸接在橋塔上，另一端鉸接在橫梁端部結(jié)點。

8）索的預應(yīng)力用初應(yīng)變來考慮。

3.2 模型建立建立ANSYS模型如圖1所示。

圖1 ANSYS模型示意圖

在ANSYS有限元模型中，采用BEAM4單元來模擬全橋混凝土實體部分（縱梁、橫梁、塔柱）以及鋼軌；采用能模擬纜索承受拉力的LINK10單元模擬斜拉索；采用能模擬非線性彈簧的COMBIN39單元模擬縱向阻力。在模擬索塔、索梁錨固時，使索單元與橋梁混凝土實體（縱梁、橫梁、塔柱）單元結(jié)點共用。

模型采用空間三維模型，線路方向為柳州至黎塘。從上到下依次為主梁、斜拉索、鋼軌、道床、上剛臂，梁體，下剛臂。單個主塔從塔頂往下共設(shè)置6個張拉點，每側(cè)3個，每個張拉點張拉2條斜索，單個主塔共有12條斜索，整個塔索結(jié)構(gòu)共劃分32個結(jié)點，46個單元。路基延長長度選取滿足起點位移和鋼軌力為0為準，在此橋梁模型中，兩端各取100m路基長度，鋼軌在線路方向劃分1193個單元，1194個結(jié)點，每個單元長度0.5m。道床結(jié)點1194個，采用非線性彈簧單元模擬道路縱向阻力。梁體形心結(jié)點以中性軸所在位置選取，共792個結(jié)點，784個單元，每個單元長度0.5m用與中性軸垂直的上剛臂來模擬梁上高和橋梁上翼緣的撓曲，在支座處設(shè)置下剛臂模擬梁下高和橋墩縱向阻力的約束。在梁體溫度變化過程中，拉索的力也在變化。梁體溫度變化引起的作用和拉索力變化引起的作用可以相互疊加。

3.3 計算結(jié)果根據(jù)計算的附加力，對紅水河斜拉橋橋梁結(jié)構(gòu)墩臺、支座、鋼軌斷縫、軌道強度、穩(wěn)定性進行檢算，檢算結(jié)果都符合相關(guān)規(guī)范、規(guī)定要求?？梢圆捎梅桨付o縫線路軌道結(jié)構(gòu)在紅水河斜拉橋上鋪設(shè)無縫線路。

4 結(jié)束語

紅水河斜拉橋鋪設(shè)無縫線路以來，橋梁結(jié)構(gòu)完好，線路穩(wěn)定。實踐表明通過對單元軌結(jié)、鎖定軌溫的合理設(shè)計，并選擇合理的扣件類型和線路縱向阻力，在斜拉橋上鋪設(shè)無縫線路是可行的。