梁端轉角對軌道結構受力的影響規律分析

秦 艷

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

梁端轉角對軌道結構受力的影響規律分析

秦 艷

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

建立了梁端轉角引起的扣件系統附加力和鋼軌附加力的有限元分析模型，探討了梁端轉角下扣件的受力特征及影響因素，并對滿足扣件正常工作的梁端轉角大小與梁端轉角引起的鋼軌附加力進行了計算研究，得出了一些有價值的結論。

梁端轉角，軌道，受力，扣件

0 引言

支承塊承軌臺式無砟軌道是軌道交通高架線上主要的軌道結構形式，這種軌道結構道床剛度大，橋梁的微小變形都將影響軌道結構受力。城市軌道交通橋上線路普遍采用小阻力扣件，扣件彈條的初始扣壓力相對較小，有必要對梁端轉角限值進行限定以避免彈條破壞而導致扣件失效。此外，梁端轉角還將導致梁端鋼軌承受較大附加彎矩。本文將探討梁端轉角對軌道結構受力影響的基本規律。

1 梁端轉角對扣件受力的影響分析模型

采用通用有限元程序ANSYS建立橋梁—支承塊承軌臺無砟軌道結構扣件系統受力分析模型，模型如圖1所示。梁中心線距離軌面高度為Ht，距離支座高度為Hb，梁端懸臂長為Lc；自梁縫開始，左側扣件編號依次為-1，-2，-3，…，右側扣件編號依次為1，2，3，…。如無說明，有限元模型中梁端懸臂長和梁縫寬度分別取0.6 m和0.06 m，以下提及的轉角均指梁體在支座點處的轉角。

為減小無縫線路鋼軌縱向附加力，城市軌道交通橋上線路普遍采用小阻力扣件，WJ-2A型扣件就是一種專門為軌道交通橋上線路設計出來的小阻力扣件，在軌道交通建設中得到了廣泛的運用。WJ-2A型小阻力扣件主要參數見表1。

表1 WJ-2A型小阻力扣件主要參數

2 梁端轉角下扣件受力特征及影響因素

2.1 扣件受力基本特征

如圖2所示為兩側橋梁單側(左側梁體轉動)和對稱轉動不同角度時，梁縫兩側扣件受力的變化情況。

由圖2可見，各扣件受力均隨轉角增大而增大，但轉角大小的變化幾乎不改變梁縫兩側扣件受力的分布規律。梁體單側轉動時，轉動側梁體上離梁端最近的扣件(-1號扣件)承受最大下壓力，另一側梁體上離梁端最近的扣件(1號扣件)承受最大上拔力。兩側梁體對稱轉動時，扣件受力呈對稱分布，離梁縫最近的扣件(-1和1號扣件)承受最大下壓力，-3和3號扣件承受最大上拔力。梁端轉角1‰rad時，扣件最大上拔力小于初始扣壓力8 kN，當梁端轉角達到3‰rad時，最大上拔力超出初始扣壓力。

圖2計算結果還表明，梁端轉角對扣件受力的影響范圍限于梁縫兩側各5個扣件，其余扣件力很小。也就是說，相同轉角情況下，梁端扣件受力主要受梁端部約3 m長度范圍內梁體變形的影響。

2.2 扣件受力影響因素

梁端對稱轉動1‰rad時，不同扣件間距和膠墊剛度情況下，扣件所受上拔力和下壓力最大值如表2，表3所示。減小扣件間距和增大膠墊剛度均增大了梁軌連接剛度，隨扣件間距的減小和膠墊剛度的增大，扣件最大上拔和下壓力均增大。由于扣件間距的可調范圍很小，其對扣件受力的影響有限。膠墊剛度可調范圍較大，其對扣件受力的影響也相對較大，當由于老化等原因使膠墊剛度增大時，將對扣件受力產生不利影響。

表2 不同扣件間距下扣件最大上拔和下壓力

表3 不同膠墊剛度下扣件最大上拔和下壓力

橋梁單側轉動時，梁端懸臂長度將對扣件受力產生較大影響。圖3a)為不同懸臂長度情況下左側梁體轉動1‰rad時，梁縫兩側扣件受力分布情況。當懸臂上布置有扣件時(即懸臂長度大于0.3 m)，梁體轉動使懸臂端上梁體上抬，給其上扣件錨固點施加了向上支座位移，懸臂段越長，該支座位移值越大，因此-1號扣件上最大下壓力隨懸臂長度增大而增大。而轉動側懸臂段上扣件系統帶動鋼軌向上位移，鋼軌發生局部隆起，鋼軌的隆起使非轉動側梁上扣件受拉，懸臂長度越大，這種現象越明顯。從圖3a)中可以看到，隨著懸臂長度的增大，-1號扣件由承受下壓力逐漸變為承受最大上拔力，當懸臂長增至0.9 m時，1號扣件上拔力(8.433 kN)超出初始扣壓力。

扣件最大上拔和下壓力隨懸臂長度的變化情況如圖3b)所示。圖中同時給出了兩側橋梁對稱轉動相同角度下扣件最大上拔和下壓力結果(以虛線表示)。可見兩側梁體對稱轉動的情況下，扣件受力隨懸臂長度的變化很小。

對于單側轉動情況，當懸臂長度較小時，單側轉動下扣件的最大上拔和下壓力均小于對稱轉動情況；隨著懸臂長度的增大，扣件的最大上拔和下壓力均增大，當懸臂長度大于0.3 m(扣件間距之半，即懸臂上開始有扣件布置)時，單側轉動扣件最大下壓力超出對稱轉動情況，當懸臂長度大于0.5 m時，單側轉動扣件最大上拔力超出對稱轉動情況。

梁縫兩側梁體單側和對稱轉動是梁體變形的特殊情況，一般情況下兩側梁體發生非對稱轉動，顯然，該情況下扣件受力介于單側轉動和對稱轉動之間。因此，在梁端可能發生的所有轉角工況中，當懸臂長度較小時，兩側對稱轉動對扣件受力最不利；當懸臂長度達到一定值后，單側轉動對扣件受力最不利。

3 滿足扣件正常工作的梁端轉角大小

梁端扣件除受到梁端變位引起的附加力外，還承受列車荷載的直接作用力。軸重140 kN地鐵小型列車設計荷載作用下，按照彈性點支承模型計算得到的扣件最大上拔力和下壓力隨膠墊剛度的變化如圖4所示，最大上拔力和最大下壓力均隨膠墊剛度的增大基本成線性增長關系。

對于無砟軌道而言，扣件幾乎是軌道彈性和調整能力的唯一提供者，其結構的強度、耐久性和彈性直接關系到列車走行性。因此應限制端變位幅值，確保梁端扣件的正常工作。由于膠墊剛度kp遠大于彈條剛度kc，下壓力限值比上拔力限值大得多，一般不會出現扣件下壓力過大的情況，通常滿足上拔力限值即可保證扣件系統正常工作。設列車荷載引起的扣件最大上拔力為Fv，扣件初始扣壓力為2Fc。則梁端變位產生的扣件最大上拔力限值[F]=2Fc-Fv，由此確定的不同膠墊剛度下，梁端對稱轉角限值見表4。

由表4可見，對稱轉角限值均不小于1‰rad，膠墊剛度越小限值越大，通常情況下，膠墊剛度取通常值kp=40 kN/mm～60 kN/mm時，對稱轉角限值可取為2.0‰rad(單側)，嚴于相關規范3.0‰rad的規定。需要說明的是，實際橋梁軌道結構及橋梁支座均有一定變形能力，有限元計算得到的梁端變位限值將偏于保守。

表4 滿足扣件正常工作的梁端對稱轉角限值

不同懸臂長度下單側轉角限值隨膠墊剛度的變化趨勢如圖5所示，圖中虛線表示對稱轉角限值。可見當懸臂長度小于0.5 m時，對稱轉角限值比單側轉角限值要求高；當懸臂長度大于0.5 m時，單側轉角限值比對稱轉角限值要求要高。對于中小跨度簡支梁，從保證扣件受力的角度出發，建議梁端懸臂長度不超過0.5 m。

4 梁端轉角引起的鋼軌附加力

鋼軌是在扣件節點處散點支承的，令模型單側梁體轉動1‰rad，不同懸臂長度下，梁端鋼軌最大曲率Kmax隨膠墊剛度kp的變化趨勢如圖6所示。

由圖6可見，梁端鋼軌最大曲率隨膠墊剛度增大而增大；梁體單側轉動時，梁端懸臂段長度對鋼軌曲率的影響很大，梁端懸臂越長曲率越大，且最大曲率隨膠墊剛度的增長速率也越大；當懸臂長度l70 kN/mm后，所有計算工況下，梁單側轉動引起的梁端鋼軌最大曲率均超過梁對稱轉動情況。

分析結果表明，橋梁梁端發生單側轉動時，懸臂段越長，膠墊剛度越大，梁縫處鋼軌“局部隆起”現象越明顯，該處鋼軌曲率越大，鋼軌承受的附加彎矩也越大。

5 結語

本文首先建立了梁端轉角引起的扣件系統附加力和鋼軌附加力有限元分析模型，在此基礎上對兩者分布規律和影響因素進行了具體分析，最后提出了在軸重140 kN的地鐵小型車設計荷載作用下，滿足扣件正常受力要求的梁端轉角限值，得到結論如下：

1)梁端轉角對扣件受力的影響范圍限于梁縫兩側各5個扣件，其余扣件力可忽略。梁體單側轉動時，轉動側梁體上離梁端最近的扣件下壓力最大，另一側梁體上離梁端最近的扣件上拔力最大。兩側梁體對稱轉動時，扣件受力呈對稱分布，離梁縫最近的扣件下壓力最大，自梁縫開始第3個扣件上拔力最大。

2)隨扣件間距的減小和膠墊剛度的增大，扣件最大上拔和下壓力均增大。扣件間距的可調范圍很小，其對扣件受力的影響有限。膠墊剛度可調范圍較大，其對扣件受力的影響相對較大。

3)橋梁單側轉動時，梁端懸臂長度越大，扣件受力越不利，當懸臂長度超過扣件間距時，單側梁體轉動引起的上拔力最大值將超過兩側對稱轉動情況。

4)梁端發生單側轉動時，懸臂段越長，膠墊剛度越大，梁縫處鋼軌承受附加彎矩越大。

5)為滿足梁體結構和梁端伸縮縫設計的需要，大跨度橋梁端一般懸臂較長、梁縫較大。在同樣的梁端轉角下，這類橋梁對軌道結構受力較不利。

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On law analysis of influence of rotation angles of bridge beams on rail structural stress

Qin Yan

(ChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shanghai200070,China)

The paper establishes the finite element analysis models for fastener system and steel rail additional forces caused by the rotation angles of bridge beams, explores the stressed features and influential factors of the fasteners under the rotation angles of bridge beams, undertakes the calculation and research on the sizes of the rotation angles to meet the normal working of fasteners and the steel rail additional force caused by the rotation angles of bridge ends, and achieves some beneficial conclusion.

rotation angle of bridge end, rail, stress, fastener

2014-12-17

秦 艷(1983- )，女，工程師

1009-6825(2015)06-0176-03

U441

A