鐵路路橋過渡段合理長度研究

崔春霞 段樹金 孫建剛

(1.天津鐵道職業(yè)技術學院 建筑工程系，天津 300240;2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043;3.天津鐵道職業(yè)技術學院 鐵道工程系，天津 300240)

由于橋上和路基上軌道的軌下支承條件不同，其軌下基礎乃至軌道整體剛度及其變形就不會相同，致使路橋連接部分產(chǎn)生不均勻沉降等現(xiàn)象。在路基與橋梁之間設置一定長度的過渡段，可使軌道的剛度逐漸變化，并最大限度地減少路基與橋梁之間的沉降差，達到降低列車與線路的振動，減緩線路結構的變形，保證列車安全，達到平穩(wěn)、舒適運行的目的。盡管國外鐵路軌道過渡段早有設置，但是過渡段有多長才合理，國內外都沒有一個統(tǒng)一的、通用的理論依據(jù)［1］。

本文中利用離散化模型模擬軌道系統(tǒng)，建立了有砟軌道結構路橋過渡段的有限元計算模型，利用通用有限元程序ANSYS進行軌道結構過渡段的動力分析，重點研究了基礎剛度變化、列車運行速度以及過渡段長度對過渡段鋼軌的動位移、由沉降差引起的鋼軌轉角以及路基基床表面應力的影響，由此，可得出確定路橋過渡段長度的部分理論依據(jù)。

1 計算模型的建立

1.1 基本假設

本文中將軌道系統(tǒng)模型模擬為離散化模型，在采用有限元建立軌道系統(tǒng)豎向振動模型時假設如下:

1)僅考慮軌道豎向動力效應;

2)軌道和上部結構沿線路方向左右對稱，可取其一半結構進行研究;

3)鋼軌被視為支承在彈性支座上的 Euler梁，軌下墊層和枕下道床的支承彈性及阻尼分別用等效彈性系數(shù) kp，kb和阻尼系數(shù) cp，cb表示;

4)軌枕的質量作為集中質量處理，施加于各支座節(jié)點上;

5)道砟的質量簡化為集中質量并僅考慮豎向振動效應;

6)道砟下路基的支承彈性剛度和阻尼系數(shù)分別用ks和cs表示。橋臺剛度為10 ks，并假設路基與橋臺間的剛度在過渡段范圍內是線性變化的［2］，如圖1所示。

圖1 過渡段軌道路基剛度變化示意

1.2 有限元模型

鋼軌采用有限元程序ANSYS中BEAM4梁單元，軌枕和道床采用MASS21質點單元，墊板及扣件采用彈簧—阻尼 COMBIN14單元，模型中考慮了道床、基床的彈性和阻尼對軌道系統(tǒng)動力特性的影響，用彈簧—阻尼COMBIN14單元來模擬。軌道沿線路方向取100跨計算，其中40跨作用于剛性路基上，60跨作用于普通路基上。鋼軌兩端簡化為固定約束。列車行駛方向是從路基駛向橋臺。荷載采用德國ICE高速列車荷載，簡化為移動荷載作用于軌道上。軌道系統(tǒng)計算模型［3-4］如圖 2 所示。

圖2 有限元計算模型

1.3 計算方案

為了分析路橋過渡段的動力學特性，主要考慮了軌道基礎剛度變化、行車速度等因素的影響，并制訂了如表1所列的計算方案。計算參數(shù)選取了60 kg/m軌道結構豎向振動分析模型的基本計算參數(shù)和德國ICE高速列車荷載。計算參數(shù)見參考文獻［3］和文獻［5］。

表1 路橋過渡段動力學計算條件

2 路橋過渡段的動力學計算結果及分析

2.1 基床剛度變化及過渡段長度不同對過渡段動力學特性的影響(見表2)

路基剛度與橋臺剛度比為 1∶5、1∶10 和 1∶100，行車速度v為160 km/h的條件下，過渡段長度分別為0、10 m、15 m、20 m和30 m對鋼軌豎向最大位移、最大轉角以及基床表面應力的影響。圖3、圖4分別為相應的鋼軌最大豎向位移、鋼軌最大轉角的時程曲線。

2.2 行車速度及過渡段長度不同對過渡段動力學特性的影響(見表3)

行車速度v分別為80 km/h和250 km/h，路基剛度與橋臺剛度比為1∶10的條件下，過渡段長度分別為0、10 m、15 m、20 m和30 m對鋼軌豎向位移、鋼軌轉角和基床表面應力的影響。圖5～圖7分別為相應的鋼軌最大豎向位移，鋼軌最大轉角和基床表面應力時程曲線。

圖3 過渡段長度對鋼軌豎向位移的影響

圖4 過渡段長度對鋼軌轉角的影響

表2 基床剛度比及過渡段長度不同時動力分析結果

表3 速度及過渡段長度不同時動力分析結果

圖5 過渡段長度對鋼軌豎向位移的影響

圖6 過渡段長度對鋼軌轉角的影響

圖7 基床表面應力時程曲線

3 結論

1)過渡段長度對過渡段鋼軌的豎向位移和轉角是有影響的。過渡段長度越長，最大位移和最大轉角曲線越平緩。鋼軌豎向最大位移和轉角并不出現(xiàn)在過渡段內，而是出現(xiàn)在未進入過渡段的1～2 m內。

2)設置過渡段后，鋼軌豎向位移和轉角明顯減小。過渡段＞15 m時，鋼軌最大豎向位移和轉角有所減小，但幅度不大。

3)設置過渡段后，基床表面應力明顯減小。速度為80 km/h和160 km/h時，過渡段＞15 m時，基床表面應力減小幅值均 ＜3%。速度為250 km/h時，過渡段長度＞20 m時，基床表面應力減小幅值均＜3%。

4)當路基與橋臺剛度比，過渡段長度一定時，速度對過渡段內鋼軌豎向位移和轉角影響不大，但對基床表面應力影響很大。

［1］王于，翟婉明，王其昌，等.一種確定軌道過渡段長度的新方法［J］.鐵道工程學報，1999(4):25-28.

［2］雷曉燕.軌道過渡段剛度突變對軌道振動的影響［J］.中國鐵道科學，2006，27(5):42-45.

［3］雷曉燕.軌道力學與工程新方法［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［4］羅強，蔡英.高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究［J］.鐵道標準設計，2000(20):2-4.

［5］雷曉燕，劉朝陽，劉林芽.提速線路軌道結構豎向振動分析［J］.交通運輸工程與信息學報，2003，1(1):57-63.