連續梁橋上無縫線路縱向附加力的計算分析

吉林鐵道勘察設計院有限公司""吉林""132001

摘要：基于梁軌相互作用原理，應用有限元軟件ANSYS建立了連續梁橋上無縫線路縱向附加力計算模型。計算出鋼軌縱向伸縮附加力和撓曲附加力，其最大伸縮附加力和撓曲附加力分別為330.21"kN和161.84"kN，為橋上無縫線路相關內容設計提供了參考。

關鍵詞：鐵道工程;連續梁;無縫線路;縱向附加力

Abstract：Based"on"principle"that"interaction"between"beam"and"rail"of"CWR.The"finite"element"model"of"the"CWR"on"Bridge"with"Continuous"Beam"has"been"established"via"ANSYS.The"maximum"expansion"and"contraction"force"is"330.21"kN"and"the"maximum"flexibility"force"is"161.84"kN.The"results"provide"the"reference"for"the"design"of"CWR"on"Bridge.

Key"words：railway"engineering;continuous"beam;CWR;additional"longitudinal"force

0"引言

近幾年我國鐵路發展迅速，列車運行速度不斷提高、時間間隔日益變短，為了提高列車運行的安全性，橋梁被廣泛使用。在橋梁上鋪設無縫線路可以減輕列車對橋梁的沖擊，改善列車和橋梁的運營條件，延長設備使用壽命。橋上無縫線路受力情況比照路基上受力有很大不同，除受到列車荷載、溫度力的作用外，還受到由于橋梁的伸縮或撓曲變形而產生的縱向附加力作用[1]。

因此在設計橋上無縫線路時，為了保證軌道及橋梁的安全，必須充分考慮無縫線路與橋梁的相互作用，計算出橋上無縫線路的縱向附加力，特別是對長大跨度的橋梁而言，這一項工作更加重要。本文以某新建鐵路一長大跨度連續梁橋為例，基于梁軌相互作用原理，應用通用有限元軟件ANSYS建立該橋的有限元模型，求解橋上無縫線路縱向附加力，為該橋無縫線路后續設計提供數據。

1"工程概況

該橋為雙線鐵路橋，線路等級為Ⅰ級，設計時速為160"km/h。橋體為鋼筋混凝土結構，全橋長224"m，橋跨布置為2×24"m簡支梁+（32"m+64"m+32"m）連續梁+2×24"m簡支梁，梁縫為0.3"m，其布置圖如圖1所示。軌道采用60"kg/m"U75V鋼軌，采用碎石道床，III混凝土枕，每公里鋪設1667根，軌枕間距為600"mm，采用彈條Ⅱ型扣件。

圖1"梁跨布置圖

2"縱向附加力有限元模型

2.1"計算模型

橋上無縫線路是一個復雜的結構體系，為簡便計算，基于梁軌相互作用原理將軌道結構、橋梁梁體和墩臺基礎作為一個整體來考慮，建立橋上無縫線路線—橋—墩一體化計算模型。鋼軌采用Euler梁模型，用BEAM3單元模擬，理論上鋼軌視為無限長梁，計算時兩端固結。扣件和道床整體考慮，其縱向阻力采用非線性彈簧單元，用COMBIN39單元模擬，彈簧單元上下分別與鋼軌和梁體對應位置相連。橋梁梁體用平面應力二維梁單元BEAM54來模擬。橋梁下部結構縱向剛度用線性彈簧單元COMBIN14來模擬。

為了消除邊界條件對計算結果的影響，考慮橋梁兩端路基上一定長度范圍內的鋼軌及扣件（道床）單元，文中橋梁兩端各取路基長度100"m，模型總長度為424"m。為了便于控制節點編號，采用直接法建立有限元模型，即先建立節點，再由節點生成單元，模型示意圖如圖2所示。

圖2"計算模型縱斷面示意圖

計算參數

鋼軌。

60"kg/m"U75V鋼軌，橫截面面積A=77.45×10-4"m2，彈性模量E=2.06×1011"Pa，泊松比

μ=0.3，線膨脹系數α=11.8×10-6"/℃。

線路縱向阻力[2]。

伸縮力計算時，縱向阻力值為70"N/cm;撓曲力計算時，無列車荷載段為70"N/cm，機車作用段為110"N/cm，車輛作用段為70"N/cm。

梁體。

預應力鋼筋混凝土梁，彈性模量E=3.6×1010"Pa，泊松比μ=0.3，線膨脹系數α=1.0×10-5"/℃;

24"m梁梁高h=3.08"m，上翼緣到中性軸的距離h1=1.08"m，下翼緣到中性軸的距離h2=2"m，截面慣性矩I=2.75"m4;32"m梁梁高h=3.05"m，上翼緣到中性軸的距離h1=1.46"m，下翼緣到中性軸的距離h2=1.59"m，截面慣性矩I=5.29"m4。

（4）墩臺縱向剛度。

k=3.0×103"N/m。

（5）梁體溫度差[2]。

有砟軌道混凝土梁為15℃。

（6）列車荷載。

采用中活荷載，不考慮列車速度的沖擊作用。

3"縱向附加力計算

根據梁軌相互作用原理，計算時作如下假設：

（1）橋上無縫線路位于整個無縫線路的固定區。

（2）計算伸縮力時，假設梁跨伸縮不受橋面軌道的約束和活動支座的阻礙，固定支座不發生變形，溫度變化時，橋跨結構相對固定支座自由伸縮。

（3）梁體的溫度變化僅為單純的升溫或降溫，不考慮梁溫升降的交替變化。

（4）單獨計算鋼軌的伸縮力和撓曲力，不考慮相互疊加的影響。

3.1"伸縮附加力計算

基于上述計算模型，對梁體施加15℃的溫度力，得到鋼軌縱向伸縮附加力和鋼軌縱向位移如圖3～4所示，鋼軌最大伸縮附加拉力為330.21"kN，出現在連續梁右側梁端;鋼軌最大伸縮附加壓力為230.84"kN，出現在鄰近固定端墩臺梁跨。鋼軌最大縱向位移為7.84"mm，出現在連續梁右側。

圖3"鋼軌伸縮附加力""""""""""""""""圖4"鋼軌縱向位移

3.2"撓曲附加力計算

列車荷載采用中活荷載，不考慮列車速度的沖擊作用，以最不利情況下列車荷載從活動端進入梁體計算，鋼軌縱向撓曲附加力和縱向變形如圖5～6所示，鋼軌最大撓曲力為161.81"kN，