鋼軌伸縮調節器對斜拉橋縱向附加力的影響分析

朱金波　周遠智　鄧曉紅

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

鋼軌伸縮調節器對斜拉橋縱向附加力的影響分析

朱金波周遠智鄧曉紅

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要國內外學者對簡支梁和連續梁橋上無縫線路的梁軌相互作用進行了大量的研究，而對城市軌道交通斜拉橋橋上無縫線路的梁軌相互作用的研究非常少。文中以上海軌道交通16號線上某斜拉橋(80 m+160 m+80 m)為背景，研究了4種不同鋼軌伸縮調節器設置方案對鋼軌縱向附加力的影響。研究表明，在斜拉橋兩端設置鋼軌伸縮力能有效地降低鋼軌縱向附加力。在斜拉橋跨中設置伸縮調節器時，因斜拉橋跨度大，不能有效地降低鋼軌縱向附加力，工程實際中建議在斜拉橋梁兩端設置鋼軌調節器。

關鍵詞斜拉橋縱向附加力鋼軌伸縮調節器

在城市軌道交通中鋪設了無縫線路可以盡可能地消滅鋼軌有縫接頭，減輕列車對橋梁的沖擊，改善橋梁的運營狀況，增強列車的防爬能力，降低橋梁結構的振動與噪聲，減少養護維修工作量，提高列車運行的平穩性和安全性等。基于以上原因，無縫線路成為了我國高架軌道交通必須采用的軌道結構形式。

國內外專家對干線鐵路橋上無縫線路的梁軌相互作用做了大量的研究[1-4]，研究理論已經較為成熟。但是已有的研究大多是針對簡支梁或連續梁進行的，對特殊形式橋梁的梁軌相互作用的研究很少，而實際上，隨著我國城市軌道交通的迅速發展，已經有越來越多特殊形式的橋梁應用于城市軌道交通中,大跨度橋梁的鋼軌縱向附加力也更大,設置鋼軌伸縮調節器是減小鋼軌縱向附加力的有效途徑。目前，在計算城市軌道交通無縫線路鋼軌縱向附加力時，大多直接采用傳統的干線鐵路橋無縫線路設計理論和梁軌相互作用計算模型，其計算模型均類似于干線鐵路橋(即計算橋梁+兩端一定長度的路基)，該傳統模型不能很好地模擬城市軌道交通高架橋的實際結構形式。本文采用與高架橋結構形式更為相近的考慮鄰跨簡支梁影響的有限元計算模型。

1城市軌道交通斜拉橋梁軌相互作用計算模型

1.1扣件阻力模型

根據《鐵路無縫線路設計規范》[5]選取線路縱向阻力模型。該規范認為采用小阻力扣件，在梁軌發生相對位移的初始階段，位移阻力增長很快，之后逐漸變慢，當相對位移達到0.5 mm左右時，縱向位移阻力趨于常量。

1.2梁軌相互作用模型

根據目前梁軌相互作用模型研究成果，采用7跨簡支梁(L=30 m)+斜拉橋+7跨簡支梁有限元模型計算軌道交通矮塔斜拉橋縱向附加力，模型見圖1。使用大型有限元軟件Ansys建立全橋有限元模型，模擬鋼軌扣件的彈塑性彈簧間距取為1 m。主梁、橋墩、主塔、鋼軌采用梁單元模擬，鋼軌和主梁之間的扣件連接用非線性彈簧單元模擬，用剛臂單元模擬主梁的高度。模型的節點總數為2 346個，梁單元2 299個，非線性彈簧單元720個，線性彈簧單元19個。

圖1　梁軌相互作用計算模型

1.3工程背景

2013年建成的上海軌道交通16號線的某矮塔斜拉橋為2塔3跨單索面矮塔斜拉橋，見圖2，跨徑布置為：80 m+140 m+80 m=300 m，采用預應力混凝土單箱雙室斜腹板箱梁，屬于塔梁固結體系。主梁支點處梁高5.6 m，跨中梁高3.0 m，主墩兩側各37.75 m范圍內梁底為圓弧曲線變化，跨中58.1 m和兩邊跨各39.05 m為等高度梁。箱梁頂、底板平行，頂板寬13.641 m，厚25 cm；底板寬7.600～5.71 m，厚30～80 cm；中腹板厚50 cm，兩側斜腹板厚35～50 cm。兩側斜腹板外側與頂板挑臂設R=1.5m圓弧過渡，內側設100 cm×50 cm倒角梗腋，中腹板與頂板設80 cm×25 cm倒角梗腋。腹板與底板設30 cm×30 cm倒角梗腋。箱梁采用C60高強混凝土。全橋共有2×20對斜拉索，梁上縱向間距5.0 m，橫向間距1.3 m。每個拉索錨固位置設半橫隔板，板高1.35 m，板厚30 cm。塔身上設有鞍座，以供斜拉索通過，每對斜拉索為2根，橫向間距1.3 m。主橋中墩頂中央布置一個橋塔，塔高20.5 m，橫向寬2.5 m、縱向頂寬6.5 m、底寬5.4 m，順橋向側面為弧形造型。索塔采用C50混凝土。

圖2　斜拉橋立面圖(單位：cm)

2計算結果分析

針對該橋的特點，設計了4種鋼軌伸縮調節器的設置方案。方案1：不設置鋼軌伸縮調節器；方案2：斜拉橋左端設置鋼軌伸縮調節器；方案3：斜拉橋兩端設置鋼軌伸縮調節器；方案4：跨中設置鋼軌伸縮調節器。不同鋼軌伸縮調節器布置方案時，單根鋼軌所受的溫度附加力、撓曲附加力和制動附加力見圖3～5(坐標0點為斜拉橋0號墩位置)。

圖3　單根鋼軌的伸縮力

圖4　單根鋼軌的撓曲力

圖5　單根鋼軌的制動力

由圖3～圖5可見：

(1) 伸縮力。方案1的最大伸縮附加力發生在梁右端，為537.5 kN；方案2的最大伸縮附加力發生在梁右端，為527.5 kN；方案3的最大伸縮附加力發生在跨中，為-376.2 kN；方案4的最大伸縮附加力發生在梁右端，為537.5 kN。在斜拉橋的兩端設置鋼軌伸縮調節器，伸縮力有明顯的降低；在斜拉橋的跨中設置鋼軌伸縮調節器，鋼軌最大伸縮力沒有變化，伸縮力分布規律也沒有變化，除了設置鋼軌伸縮調節器處的伸縮力突然降低為0，由此形成的一個“峰值”。

(2) 撓曲力。方案1的最大撓曲附加力發生在梁端，為355.9 kN；方案2的最大撓曲附加力發生在梁右端，為-369.2 N；方案3的最大撓曲附加力發生在跨中，為46.1 kN；方案4的最大撓曲附加力發生在梁端，為353.3 kN。在斜拉橋的兩端設置鋼軌伸縮調節器，撓曲力有明顯的降低。僅在斜拉橋一端設置鋼軌伸縮調節器時，撓曲附加力最大值會在梁的另一端；在斜拉橋兩端同時設置鋼軌伸縮調節器時，撓曲力急劇變小，最大值發生在跨中。當在跨中間設置鋼軌伸縮調節器，鋼軌最大撓曲力沒有變化，撓曲力分布規律也沒有變化。

(3) 制動力。方案1的最大制動附加力發生在梁端，為-68.5 kN；方案2的最大制動附加力發生在梁右端，為-52.2 N；方案3的最大制動附加力發生在跨中，為18.0 kN；方案4的最大制動附加力發生在梁端，為-112.9 kN。當在斜拉橋的梁端設置鋼軌伸縮調節器時，制動力有明顯的降低。僅在斜拉橋一端設置鋼軌伸縮調節器時，制動附加力最大值會在梁的另一端；在斜拉橋兩端同時設置鋼軌伸縮調節器時，制動附加力急劇變小，最大值發生在跨中。當在斜拉橋的跨中設置鋼軌伸縮調節器時，鋼軌最大撓曲力增大很明顯，并在跨中出現零點。

3結論

(1) 在斜拉橋兩端設置鋼軌伸縮調節器時，能有效地降低伸縮力、撓曲力和制動力。在工程實際中，建議在斜拉橋梁兩端設置鋼軌伸縮調節器。

(2) 在斜拉橋跨中設置伸縮調節器時，因斜拉橋跨度大，不能有效地降低伸縮力、撓曲力和制動力。因此需要在斜拉橋兩端設置鋼軌伸縮調節器。

參考文獻

[1]卜一之.高速鐵路橋梁縱向力傳遞機理研究[D].成都：西南交通大學，1998.

[2]陰存欣.鐵路橋梁縱向附加力靜動力非線性分析與仿真研究[D].北京：鐵道部科學研究院，2000.

[3]陰存欣，莊軍生，潘家英.梁桁組合結構材料非線性的一種簡捷算法與高速鐵路橋線縱向相互作用非線性分析[J].中國鐵道科學，1998(2):35-43.

[4]徐慶元，周小林，楊曉宇.橋上無縫線路附加力計算模型[J].交通運輸工程學報，2004(1)：25-28.

[5]TB10015-2012鐵路無縫線路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

收稿日期：2014-10-28

Influence Study of Rail Expansion on Additional
Longitudinal Forces of Cable-stayed Bridge

ZhuJinbo,ZhouYuanzhi,DengXiaohong

(Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：Up to now, the existing researches on girder-rail interaction have been mainly focused on simply-supported bridge and continuous bridge, while relative works on special form bridges are still rarely. Based on a cable-stayed bridge (80 m+140 m+80 m) on Metro line16 in Shanghai, the influences of different 4 rail expansion regulator setting programs on additional longitudinal forces are analyzed. The result of this research shows that longitudinal additional forces reduce significantly when rail expansion is set on both of the cable-stayed bridge, while longitudinal additional forces almost do not change when rail expansion is set in the middle of the cable-stayed bridge. So, the program that rail expansion is set on both of the cable-stayed bridge is suggested in practical engineering.

Key words:cable-stayed bridge; additional longitudinal forces; rail expansion regulator

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.007