高速鐵路32 m簡(jiǎn)支梁墩頂縱向剛度限值研究

徐 凌 雁

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

目前我國(guó)已建成和在建的鐵路項(xiàng)目中，橋梁長(zhǎng)度通常占線路長(zhǎng)度的70%～80%，且橋梁地段廣泛采用跨區(qū)間無縫線路。為保證無縫線路運(yùn)行的安全穩(wěn)定，需進(jìn)行必要的軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。與此同時(shí)，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的受力合理，應(yīng)對(duì)相應(yīng)地墩臺(tái)附加力進(jìn)行檢算。墩臺(tái)制動(dòng)附加力受墩頂及相鄰墩頂剛度影響明顯，墩頂剛度越小，橋梁所受制動(dòng)力越小，鋼軌制動(dòng)附加力增大；而墩頂剛度增大，鋼軌所受制動(dòng)附加力減小，但墩頂制動(dòng)力增大。因此，需確定合理的橋梁墩頂縱向剛度，以同時(shí)達(dá)到合理的鋼軌和橋墩的受力[1-3]。

通常橋梁墩頂縱向剛度主要受無縫線路鋼軌強(qiáng)度和梁軌快速位移影響。橋上無縫線路鋼軌除受溫度應(yīng)力和動(dòng)彎應(yīng)力外，還受列車制動(dòng)、梁體撓曲和伸縮附加應(yīng)力。為保證鋼軌強(qiáng)度，計(jì)算鋼軌附加力的荷載組合為：鋼軌制動(dòng)力+鋼軌伸縮力，鋼軌制動(dòng)力+鋼軌撓曲力，采用兩者較大值檢算鋼軌強(qiáng)度。該附加應(yīng)力的最大拉應(yīng)力不得超過81 MPa，最大壓應(yīng)力不得超過61 MPa[4]。另外，制動(dòng)力作用下梁軌之間產(chǎn)生快速位移，引起有砟軌道道砟松散，為保證有砟軌道穩(wěn)定性，梁軌之間快速位移應(yīng)在4 mm以內(nèi)[5]。因此，必須對(duì)墩頂縱向剛度加以限制。文章對(duì)高速鐵路32 m簡(jiǎn)支梁墩頂縱向剛度限值的合理取值進(jìn)行研究。

1 計(jì)算模型

軌道、橋梁、橋墩是一相互作用系統(tǒng)，文章建立了軌道—橋梁—橋墩一體化模型。模型中，鋼軌、橋梁采用梁?jiǎn)卧獊砟M；扣件及道床縱向阻力采用非線性彈簧單元模擬。模型中考慮橋梁兩端一定范圍的路基，以此來消除邊界效應(yīng)。模型建立了30孔32 m簡(jiǎn)支梁?jiǎn)尉€橋均布等跨布置(見圖1)。

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 道床縱向阻力[5]

選用有砟軌道采用Ⅲ型混凝土軌枕時(shí)單位長(zhǎng)度道床縱向阻力，如表1所示。

表1 有砟軌道道床縱向阻力

kN/m/軌

2.2 橋梁日溫差

橋梁日溫差按照混凝土梁有砟軌道梁日溫差取15 ℃[5]。

2.3 制動(dòng)力長(zhǎng)度

牽引(制動(dòng))力通過輪軌摩擦直接作用于軌面，當(dāng)橋梁位于無縫線路固定區(qū)時(shí)，牽引(制動(dòng))力加載長(zhǎng)度一般取400 m，鋼軌黏著系數(shù)0.164[5]。

2.4 鋼軌、橋梁截面參數(shù)

計(jì)算模型中所采用的鋼軌斷面參數(shù)[5]見表2。

表2 鋼軌截面參數(shù)

橋梁跨度為32 m簡(jiǎn)支梁(取30跨計(jì)算)，其橋梁主要截面參數(shù)見表3。

表3 橋梁截面參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 鋼軌附加力計(jì)算

通過以上計(jì)算模型，得到了高速鐵路32 m簡(jiǎn)支梁有砟軌道無縫線路鋼軌最大伸縮附加力、鋼軌最大制動(dòng)附加力、鋼軌最大伸縮附加力+最大制動(dòng)附加力、鋼軌最大伸縮附加力+最大撓曲附加力，見表4。

從表4中可以看出，隨著墩頂剛度的增大，鋼軌最大伸縮附加力增大，鋼軌最大制動(dòng)附加力減小，鋼軌撓曲附加力增大，鋼軌最大伸縮附加力+最大制動(dòng)附加力減小，鋼軌最大伸縮附加力+

最大撓曲附加力增大。

由計(jì)算結(jié)果可知，鋼軌撓曲附加力小于鋼軌制動(dòng)附加力，鋼軌最大附加力主要受組合伸縮附加力+制動(dòng)附加力控制，鋼軌附加力基本拉壓力基本相當(dāng)，最大鋼軌附加力按61 MPa控制，橋墩頂縱向水平剛度的限值為100 kN/cm。

表4 32 m簡(jiǎn)支梁橋上鋼軌附加力 MPa

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

軌道—橋梁—橋墩一體化模型在制動(dòng)荷載作用下，得到不同剛度下的梁軌快速位移，見表5。從表5可以看出，有砟軌道梁軌快速位移隨墩頂縱向剛度的增大而減小。按梁軌快速位移在4 mm以內(nèi)得到墩頂縱向剛度限值為210 kN/cm。

表5 有砟軌道梁軌快速位移

4 結(jié)語

基于梁軌相互作用原理，建立軌道—橋梁—橋墩一體化計(jì)算模型，對(duì)高速鐵路32 m簡(jiǎn)支梁有砟軌道無縫線路的鋼軌強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，鋼軌強(qiáng)度得到的墩頂限值受鋼軌伸縮附加力+鋼軌制動(dòng)附加力控制，穩(wěn)定性計(jì)算墩頂?shù)目v向剛度限值受梁軌快速位移控制；通過計(jì)算可知，有砟軌道梁墩頂?shù)目v向水平剛度的限值主要受梁軌快速位移控制。高速鐵路32 m簡(jiǎn)支梁有砟軌道橋墩頂縱向剛度限值為210 kN/cm時(shí)，能夠同時(shí)滿足鋼軌強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算條件。