速度鎖定裝置對斜拉橋制動附加力的影響分析

朱金波 周遠智

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

國內外學者對簡支梁及連續(xù)梁等常規(guī)橋梁的梁軌相互作用做了大量的研究[1-2]，對斜拉橋的梁軌相互作用研究較少。而實際上，我國城市軌道交通已經修建了大量的斜拉橋，由于斜拉橋跨度較大，所以其鋼軌制動附加力也更大。目前，計算鋼軌制動附加力大多采用傳統(tǒng)的干線鐵路梁軌相互作用計算模型(即橋梁+兩端一定長度的路基)，該傳統(tǒng)模型不能較好地反映城市軌道交通高架橋的實際結構受力形式，本文采用考慮鄰跨簡支梁影響的有限元計算模型，該模型與實際軌道交通高架橋的結構形式更為相近。

1 計算模型

1.1 扣件阻力模型

選用《鐵路無縫線路設計規(guī)范》[3-4]中的非線性扣件縱向阻力模型，該計算模型見圖1。

圖1 扣件縱向阻力計算模型

1.2 速度鎖定裝置簡化模型

速度鎖定裝置(LUD)在靜力條件下不會改變橋梁結構的原有功能，而在制動力作用下，又提供鎖定功能，使得與該裝置相連的構件共同承擔制動力。設計人員要事先設定一個速度開關V0，當V>V0時，可用一個剛臂單元來模擬速度鎖定裝置。

1.3 列車制動力參數

本文模型中制動荷載是近似按照均布荷載加載于鋼軌頂面來計算的，只按靜荷載考慮，也未考慮列車制動過程中作用于軌面荷載的大小隨時間的變化，但這種近似的模擬能充分反應荷載傳遞對梁軌相互作用的影響。

列車最大制動力主要取決于列車荷載及制動力率，而且最大制動力與制動前速度關系不大。軌面制動力試驗結果證實了軌面制動力率與橋型、支座和線路條件無關，而與列車制動加速度有直接關系，在我國高速鐵路中推薦高速鐵路制動力率采用0.164，城市軌道交通橋梁由于車輛編組長度較短(6～8輛)，加上采用電氣指令式傳遞制動信息,所以制動力率取值比鐵路橋梁高,本文軌面制動力率取0.25。

采用地鐵A型車的豎向荷載，則其計算的單線軌面制動力為28.07 kN/m×0.25=7.017 5 kN/m。本文在計算制動附加力時，采用單線制動考慮。

1.4 梁軌相互作用模型

本文采用7跨簡支梁(跨徑L=30 m)+斜拉橋+7跨簡支梁(跨徑L=30 m)模型計算軌道交通斜拉橋制動附加力，模型示意見圖2。使用大型有限元軟件ANSYS建立全橋模型，鋼軌扣件縱向間距為1 m。全橋構件采用梁單元模擬，用非線彈簧單元模擬鋼軌和主梁之間的扣件連接，主梁的高度用剛臂單元模擬。全橋模型的節(jié)點共計2 346個，梁單元共計2 299個,線性彈簧單元共計19個,扣件非線性彈簧單元共計720個。ANSYS軟件建立的計算模型見圖3。

圖2 全橋有限元模型示意圖

圖3 ANSYS計算模型局部

2 工程背景

以上海軌道交通16號線上的大治河大橋為研究對象，該橋跨徑布置為80 m+140 m+80 m，共300 m，為兩塔三跨單索面斜拉橋，采用塔墩梁固結體系。主梁采用預應力混凝土結構，截面形式為單箱雙室斜腹板箱梁，主梁根部梁高5.6 m，跨中梁高3.6 m；主塔兩側各37.75 m范圍內梁底曲線按圓弧線逐漸變化，其余部分主梁為等高度梁；主梁頂板寬為13.641 m、厚度為25 cm，根部底板寬度為7.60 m、厚度為80 cm,跨中底板寬度為5.71 m、厚度為30 cm；中腹板厚度為50 cm，兩側斜腹板厚從根部至跨中，由50 cm逐漸變?yōu)?0 cm。

斜拉橋主橋箱梁采用C60混凝土。全橋共設置2×20對拉索，拉索縱向間距5.0 m，每對斜拉索為2根，橫向間距1.3 m。斜拉橋主塔采用標號為C50的混凝土，主塔高20.5 m，橫向寬2.5 m，主塔縱向寬從底部的5.4 m逐漸變化至頂部的6.5 m。

3 計算結果分析

本文設計了4種不同速度鎖定裝置LUD的布置方案。方案1：各橋墩均不設置LUD;方案2：僅在右側主塔設置LUD;方案3：僅在兩側邊墩設置LUD;方案4：在右側主塔和兩側邊墩設置LUD。不同速度鎖定裝置LUD布置方案的制動附加力見圖4(其中橫軸坐標0點為斜拉橋0號墩位置)。

圖4 鋼軌的制動附加力

綜合4個方案下制動附加力的最大(小)值，見表1。表2為傳至各橋墩的制動反力。

表1 不同方案單軌縱向制動力

表2 各橋墩制動反力

由圖4、表1和表2可見，不設置LUD的制動力最大值發(fā)生在斜拉橋的兩端，而設置LUD后制動力的最大值均發(fā)生在列車荷載加載的起終點；設置LUD可有效地降低制動附加力，方案1的制動力最大為68.5 kN，方案2的制動力最大為15.8 kN，方案3的制動力最大為16.0 kN，方案4的制動力最大為15.2 kN；制動力由制動墩與設置了LUD的各橋墩近似平均分配，且制動力隨著LUD數量的增多成比例減少。所以合理設置LUD能有效減小制動墩的制動反力。

4 結論

1) 不同LUD的布置方案對單軌制動力分布規(guī)律影響很小，不設置LUD的制動力最大值發(fā)生在斜拉橋的兩端，而設置LUD后制動力的最大值均發(fā)生在列車荷載加載的起點和終點。

2) 布置LUD可有效降低制動附加力，具體LUD設置的位置對制動附加力最大值影響不大。

3) 制動力由制動墩與設置了LUD的各橋墩近似平均分配，且制動力隨著LUD數量的增多成比例減少。所以合理設置LUD能有效減小制動墩的制動反力。