鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路空間耦合模型研究

曲 村，高 亮，蔡小培，車(chē)宏軍

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.沈陽(yáng)中鐵交通設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110013)

鋼桁梁橋由桁架桿件組成，桁架桿件主要承受軸向力。與實(shí)腹梁相比，鋼桁梁橋用腹桿代替整體的腹板，從而節(jié)省了鋼材并減輕了結(jié)構(gòu)自重。鋼桁梁橋可做成較大高度，具有較大的剛度及跨度，在我國(guó)很多跨越大江大河的鐵路線(xiàn)上使用［1］。

由于鋼桁梁橋的橋梁結(jié)構(gòu)和橋上軌道結(jié)構(gòu)具有特殊性，簡(jiǎn)單的橋上無(wú)縫線(xiàn)路計(jì)算模型并不適用。參與鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路傳力作用的主要部件有鋼軌、扣件、軌枕(包括木枕和混凝土枕)、道床、鋼桁梁(包括縱梁、橫梁、桁桿)、橋墩等。本文在已有研究的基礎(chǔ)之上［2-8］，以某單線(xiàn)鐵路上鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路為例，采用有限元方法單獨(dú)建立了鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路縱橫垂向空間耦合模型，對(duì)各部件利用ANSYS單元模型分別進(jìn)行模擬。

1 主要計(jì)算參數(shù)選取

該鋼桁梁橋橋梁形式為8×33.7 m栓焊簡(jiǎn)支桁梁。固定支座全部設(shè)于同一方向。根據(jù)設(shè)計(jì)資料整理得到一跨桁架梁的桿件編號(hào)及相應(yīng)斷面，如圖1和圖2所示。各橋墩的墩頂縱向剛度見(jiàn)表1，其中0號(hào)墩和8號(hào)墩分別為兩側(cè)橋臺(tái)。

圖1 桁桿編號(hào)

鋼軌為60 kg/m鋼軌，兩端橋頭路基為碎石道床，鋪設(shè)Ⅲ型軌枕和彈條Ⅱ型扣件，縱向阻力取91 N/cm。鋼桁梁橋上鋪設(shè)木枕，采用K型分開(kāi)式扣件，按1緊+n 松 +1 緊布置，按 n分別取值為0，1，2，3，4 進(jìn)行計(jì)算，扣件縱向阻力取值參照表2。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］規(guī)定，計(jì)算伸縮力時(shí)，鋼橋的溫差取25℃;計(jì)算撓曲力時(shí)，采用設(shè)計(jì)荷載“中—活載”。

2 空間耦合模型的建立

2.1 鋼軌及扣件模型

鋼軌選用梁?jiǎn)卧狟EAM188進(jìn)行模擬，按照實(shí)際截面屬性建模，考慮截面積、慣性矩、扭轉(zhuǎn)彎矩等參數(shù)。鋼軌按照支承節(jié)點(diǎn)劃分單元，可全面考慮縱向、橫向、垂向線(xiàn)位移及轉(zhuǎn)角。扣件采用彈簧單元進(jìn)行模擬，可全面考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度。扣件的阻力和剛度值均根據(jù)實(shí)測(cè)值選取。

圖2 各桁桿截面(單位:mm)

表1 鋼桁梁橋各橋墩墩頂縱向剛度

表2 不同布置方式扣件縱向阻力 N/cm

2.2 軌枕模型

軌枕選用梁?jiǎn)卧狟EAM188進(jìn)行模擬，考慮截面積、高度、慣性矩等實(shí)際參數(shù)，按照較小間距的支承節(jié)點(diǎn)劃分單元，可全面考慮縱向、橫向和垂向線(xiàn)位移及轉(zhuǎn)角。兩端橋頭路基上道床的縱、橫向阻力和垂向支撐剛度采用彈簧單元進(jìn)行模擬，阻力和剛度值根據(jù)實(shí)測(cè)值取值。路基上與鋼桁梁橋上采用的不同類(lèi)型軌枕結(jié)構(gòu)，間距也有所不同。

2.3 鋼桁梁橋模型

鋼桁梁橋各桁桿采用梁?jiǎn)卧狟EAM188進(jìn)行模擬，可以全面考慮鋼桁梁橋的結(jié)構(gòu)組成以及各根桁桿、縱梁、橫梁等的幾何尺寸、截面形狀和物理屬性。鋼軌與木枕之間相互連接的扣件，以及木枕與桁梁之間相互固定的螺栓均采用彈簧單元進(jìn)行模擬。

2.4 整體空間耦合模型

由以上各部分組成的鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路整體空間耦合模型如圖3所示。

3 鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路附加力計(jì)算

本文中鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路縱向附加力的計(jì)算，共涉及8跨33.7 m簡(jiǎn)支鋼桁梁橋，計(jì)算結(jié)果均考慮了相鄰橋跨產(chǎn)生的影響。當(dāng)K型分開(kāi)式扣件布置方式為1緊+0松+1緊時(shí)，鋼軌的伸縮力和位移計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

采用不同的K型分開(kāi)式扣件布置方式時(shí)，橋梁的伸縮力計(jì)算結(jié)果比較如圖6所示。由圖6可知，隨著鋼桁梁橋上扣件布置方式的變化，即扣件阻力的減小，鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌伸縮附加力也隨之變小。

采用不同扣件布置方式的鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路的鋼軌和橋墩受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 鋼軌伸縮附加力隨扣件布置方式變化

表3 鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌和橋墩受力計(jì)算結(jié)果 kN

由表3可知，隨著鋼桁梁橋上扣件布置方式的變化，即扣件阻力的減小，鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌最大伸縮附加力和撓曲附加力、鋼軌在溫度荷載、車(chē)輛荷載作用下及斷軌條件下傳遞給橋墩的力都隨之變小。

4 鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路變形計(jì)算

4.1 溫度荷載作用下梁縫縱向變化量

在溫度荷載作用下，鋼桁梁橋產(chǎn)生伸縮變形，梁端處變形量較大時(shí)會(huì)造成梁縫縱向變化量過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響到梁端處的扣件間距及軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼桁梁橋梁縫縱向變化量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

在本文所采用的溫度荷載作用下，簡(jiǎn)支梁梁縫處的最大變化量為10.635mm。較大的梁縫變化量可能對(duì)梁端處木枕與縱梁間相互固定的螺栓造成不利影響，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注，以防止螺栓失效造成梁端處軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4.2 溫度荷載作用下鋼軌橫向變形量

在溫度荷載作用下，不同扣件布置方式下的鋼軌橫向變形量見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，當(dāng)K型分開(kāi)式扣件布置方式為1緊+0松+1緊時(shí)，鋼軌軌距變化量最大值為0.212mm，軌距變化率最大值為0.222‰，軌向變化量最大值為0.260mm，軌向變化率最大值為0.206‰。

表4 鋼桁梁橋的梁縫縱向變化量 mm

表5 鋼桁梁橋的鋼軌橫向變形量

根據(jù)文獻(xiàn)［10］規(guī)定，時(shí)速不超過(guò)120 km/h時(shí)，無(wú)砟軌道線(xiàn)路的靜態(tài)平順度限值為:軌距變化量+3/-2 mm，軌向變化量4 mm，軌向變化率即4 mm軌向變化量與10m測(cè)量弦長(zhǎng)之比為0.4‰。所計(jì)算的各項(xiàng)軌道橫向幾何形位變化值皆滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定。

但在長(zhǎng)期使用和車(chē)輛荷載的作用下，鋼軌橫向變形量有可能進(jìn)一步加大，因此也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)兩端橋頭路基與鋼桁梁橋過(guò)渡處及鋼桁梁橋之間的軌道橫向幾何形位的關(guān)注，防止其變形超限，影響行車(chē)安全與旅客舒適度。

4.3 車(chē)輛荷載作用下橋梁豎向撓度

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，簡(jiǎn)支鋼桁梁的橋跨結(jié)構(gòu)由于列車(chē)豎向靜活載所引起的豎向撓度不應(yīng)超過(guò)容許值L/900，其中L為簡(jiǎn)支鋼桁梁檢算跨的跨度。即33.7 m簡(jiǎn)支鋼桁梁橋的撓度最大不應(yīng)超過(guò)37.4 mm。不同扣件布置方式下的橋梁撓度見(jiàn)表6。

表6 鋼桁梁橋的橋梁豎向撓度 mm

由計(jì)算可得，當(dāng)“中—活載”布設(shè)在不同的橋跨位置時(shí)，橋梁的最大撓度為28.163 mm，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定。由于計(jì)算時(shí)采用的“中—活載”較實(shí)際車(chē)輛荷載大得多，因此本文所建立的鋼桁梁橋在機(jī)車(chē)車(chē)輛荷載作用下的撓度有一定的安全儲(chǔ)備。

5 結(jié)論及建議

1)本文所建立的鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路縱橫垂向空間耦合模型，充分考慮了鋼軌、扣件、軌枕(包括木枕和混凝土枕)、道床、鋼桁梁橋(包括縱梁、橫梁、桁桿)，以及橋墩臺(tái)等對(duì)整體力學(xué)特性的影響，可以更詳細(xì)地進(jìn)行計(jì)算和檢算。采用該模型可以計(jì)算鋼軌及橋墩在溫度荷載和車(chē)輛荷載作用下所產(chǎn)生的附加力，也可以對(duì)梁縫縱向變化量、鋼軌橫向變形、橋梁豎向撓度等進(jìn)行計(jì)算，便于設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用。

2)在本文所建模型和采用的參數(shù)條件下，隨著鋼桁梁橋上K型分開(kāi)式扣件布置方式的變化，即扣件阻力的減小，鋼桁梁橋上無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌最大伸縮附加力和撓曲附加力、鋼軌在溫度荷載、車(chē)輛荷載作用下及斷軌條件下傳遞給橋墩的力都隨之變小，鋼軌橫向變形量也隨之減小，而梁縫縱向變化量和橋梁豎向撓度的最大值則隨之增大。

3)在溫度荷載作用下，鋼桁梁橋之間較大的梁縫變化量可能對(duì)梁端處木枕與縱梁間相互固定的螺栓造成不利影響，或使扣件抗拔力超限，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注，以防止螺栓或扣件失效造成梁端處軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4)在溫度荷載作用下，鋼桁梁橋上的鋼軌會(huì)產(chǎn)生一定的橫向變形，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)兩端橋頭路基與鋼桁梁橋過(guò)渡處及鋼桁梁橋之間的軌道橫向幾何形位的關(guān)注，防止其變形超限，影響行車(chē)安全與旅客舒適度。

［1］裘伯永，盛興旺.橋梁工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

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