重載鐵路連續剛構橋與軌道系統受力特性研究

楊磊

(中鐵十五局集團 湖州投資開發有限公司，浙江 湖州 313000)

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重載鐵路連續剛構橋與軌道系統受力特性研究

楊磊

(中鐵十五局集團 湖州投資開發有限公司，浙江 湖州 313000)

摘要:為研究不同荷載作用下重載鐵路連續剛構橋與軌道系統相互作用規律，建立 (108+180+108)m重載鐵路連續剛構橋與軌道系統一體化仿真模型。考慮梁軌非線性接觸，研究溫度荷載、豎向活載、列車制動、不均勻沉降以及地震荷載作用下重載鐵路連續剛構橋與軌道系統受力特性，計算系統動力特性。研究結果表明：溫度荷載和豎向活載作用下，鋼軌應力包絡圖呈對稱分布，而列車制動作用下，鋼軌應力包絡圖呈反對稱分布，地震荷載作用下，鋼軌應力包絡圖呈“雙菱形”；最大鋼軌應力(除不均勻沉降)均位于橋臺附近，不均勻沉降作用時，出現在邊跨跨中；地震荷載作用下，墩頂水平力最大值達到8 683.0 kN；不均勻沉降作用會造成較大的鋼軌豎向位移，影響列車運行安全；連續剛構橋與軌道系統地震響應與地震波類型有關。

關鍵詞：重載鐵路；連續剛構橋；軌道工程；梁軌相互作用；地震響應

重載鐵路以運量大為特點，有良好的發展前景，近些年來，在我國發展迅速[1]，已相繼修建了山西晉煤-渤海灣鐵路、朔黃鐵路、瓦日線鐵路等。連續剛構橋與其他類型的橋相比，具有剛度大，變形小的優點，在重載鐵路中的應用日益廣泛，但由于梁墩剛接，所以連續剛構橋-軌道系統對下部結構變形極為敏感。國內外學者對重載鐵路梁軌相互作用課題進行了一定研究[2-8]，涉及的橋梁類型包括簡支梁橋和大跨度連續梁橋等，但是，關于大跨度重載鐵路連續剛構橋與軌道系統相互作用的研究仍極為匱乏，溫度荷載、豎向活載、列車制動以及地震荷載作用下的連續剛構橋與軌道系統相互作用仍不明確。本文采用非線性桿單元來模擬線路縱向阻力，以豎向剛臂模擬梁高，用線性彈簧模擬扣件豎向剛度，以(108+180+108) m大跨度雙線軌道連續剛構橋為例，建立了重載鐵路連續剛構橋與軌道系統一體化仿真模型，研究了溫度荷載、豎向活載，列車制動、不均勻沉降[9]以及地震荷載作用下重載鐵路連續剛構橋-軌道系統受力特性，計算了系統動力特性。

1連續剛構橋-軌道相互作用模型

本文中橋采用單箱單室箱型截面，箱梁采用C60混凝土，橋面寬度12 m，跨中梁高7.5 m，支點梁高13.5 m(截面如圖1所示)。橋墩采用矩形薄壁墩，橋墩高度為80 m。

單位：cm圖1　橋梁截面Fig.1 Section of bridge

下剛臂與墩頂添加剛性連接。橋上鋪設雙線有砟軌道，鋼軌為75 kg/m軌。在橋臺兩側各建立200 m路基上的鋼軌[10]。

有砟軌道線路縱向阻力r與梁軌相對位移u的關系可表示為[11]：

橋上不設鋼軌伸縮調節器，在計算伸縮力時，對于有砟軌道混凝土橋而言，采用梁體升溫15℃和梁墩升溫15℃[10]計算鋼軌伸縮力。

計算撓曲力時，參照我國《重載鐵路設計規范(征求意見稿)》規定[13]，豎向活載取1.2倍ZH標準荷載即102kN/m[14]，如圖2所示，加載方向從左到右，加載長度取300m[10]。

圖2　重載鐵路活載圖式Fig.2 Heavy haul railway live load

計算制動力時，制動力率取0.2[11]。

橋梁場地屬于Ⅱ類場地，抗震設防烈度8度，場地特征周期0.35s。在進行地震荷載作用分析時，地震波分別選用James_h波、Sanfer_h波和Taft_h波，峰值加速度取0.3g(設計地震)[15]。

圖3　重載鐵路下連續剛構橋-軌道相互作用模型Fig.3 Simulation model for large span continuous rigid frame bridges and track system under heary haul railuay

2梁軌系統相互作用分析

2.1溫度荷載作用

為研究溫度荷載作用下重載鐵路連續鋼構橋-軌道系統受力特性，分別在梁體上施加溫度荷載15 ℃和梁墩上同時施加溫度荷載15 ℃[12]，鋼軌伸縮力和墩頂水平力見圖4。

圖4　溫度作用下系統受力特性Fig.4 Track and pier forces due to thermal effects

由圖4可知，在溫度荷載作用下，鋼軌應力圖呈對稱分布，最大鋼軌伸縮力均出現在兩側橋臺處，為52.2MPa(壓應力)，1和2號橋墩最大墩頂水平力為863.1kN。橋墩一起升溫15 ℃后，鋼軌伸縮力變化較小，而墩頂水平力有所減小。

2.2豎向活載作用

在計算撓曲力時候，設置了5種不同工況(圖5)來研究不同豎向活載工況對受力特性的影響，其中工況3位于橋梁正中間，計算結果見圖6。

圖5　豎向活載加載工況示意圖Fig.5 Condiction sketch map under tive load

圖6　豎向活載作用下軌道和橋墩受力特性Fig.6 Track and pier forces due to tive load

由圖6可知，鋼軌撓曲力包絡圖呈對稱分布，最大鋼軌撓曲力發生在兩側橋臺處，為12.4MPa(壓)和9.5MPa(拉)。1和2號墩頂水平力分別在工況4(1505.8kN)和工況2(1 505.8kN)時候達到最大值。

2.3列車制動作用

在計算制動力時候，列車默認從左向右行駛，設置了5種不同工況(圖7)來研究不同列車制動位置對受力特性以及梁軌相對位移最大值的影響，其中工況3位于橋梁正中間，計算結果如圖8所示。

圖7　列車制動工況示意圖Fig.7 Condition sketch map under train braking

(a) 鋼軌制動力包絡； (b) 梁軌相對位移最大值圖8　列車制動作用下系統受力特性Fig.8 Track and pier forces under train braking

由圖8可知，鋼軌制動力包絡圖呈反對稱分布，最大鋼軌制動力發生在兩側橋臺處，為56.4MPa(拉)和56.3MPa(壓)。從工況1到工況5，1和2號墩墩頂水平力大小都基本一致，當荷載工況為工況3時，有最大值為1 033.4kN。當荷載工況為工況3時，梁軌相對位移最大值為6.2mm。

2.4不均勻沉降作用

為研究相鄰橋墩不均勻沉降對連續剛構橋與軌道系統相互作用的影響，在1號墩墩底分別施加5mm和15mm強制位移，計算結果如圖9所示。

(a) 鋼軌應力； (b) 鋼軌豎向位移圖9　不均勻沉降作用下系統受力和變形特性Fig.9 Track and pier forces due to uneven settlement

由圖9可知，鋼軌最大拉應力出現在右側橋臺處，為3.1MPa，鋼軌最大壓應力位于左側邊跨跨中，為2.5MPa。圖示2種情況下，鋼軌最大豎向位移均位于左側邊跨跨中，最大值為14.8mm。

3梁軌系統動力特性和地震響應分析

3.1動力特性計算

對模型進行動力特性分析，計算結果如表1所示。

由表1可知，系統自振頻率第5階較前面階次增幅34%，前5階振型特征都是橋墩帶動梁體側彎。

3.2地震荷載作用

在進行地震荷載作用分析時，地震波分別選用James_h波、Sanfer_h波和Taft_h波，峰值加速度取0.3g(設計地震)[15]，計算結果如圖10所示。

表1　自振特性

圖10　地震作用下系統受力特性Fig.10 Impact of earthquake on track and pier force

由圖10可以看出，連續剛構橋與軌道系統地震響應與地震波類型有關。地震波作用下，鋼軌應力包絡圖呈“雙菱形”，最大鋼軌應力出現在兩側橋臺處，為138.0 MPa(拉)和138.0 MPa(壓)。同時在James_h波作用下，墩頂水平力有最大值8 683.0 kN。

4結論

1)由于本重載鐵路連續剛構橋結構對稱，當荷載為溫度荷載、豎向活載時，鋼軌應力包絡圖呈對稱分布；在列車制動作用下，鋼軌應力包絡圖呈反對稱分布；地震荷載作用下，鋼軌應力包絡圖呈“雙菱形”。

2)連續剛構橋與軌道系統地震響應與地震波類型有關。地震荷載作用下，連續剛構橋墩頂水平力和鋼軌應力均較大，墩頂水平力達8 683.0 kN，鋼軌應力達138.0 MPa(拉)和138.0 MPa(壓)。

3)溫度荷載、豎向活載、列車制動以及地震荷載作用下，最大鋼軌應力均位于在橋臺處。而不均勻沉降作用時，最大鋼軌應力出現在邊跨跨中，且最大豎向鋼軌位移也出現在該位置。

4)橋墩一起升溫對鋼軌伸縮力影響較小，不均勻沉降雖對鋼軌應力影響較小，但將引起較大的鋼軌豎向位移，影響列車行駛安全。

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(編輯蔣學東)

Interaction between tracks and continuous rigid-frame bridge carrying heavy haul railway

YANG Lei

(1.Fifteen Bureau of China Railway Group, Huzhou Investment Development Co. Ltd, Huzhou 313000, China)

Abstract：For the study on interaction between continuous rigid-frame bridge and track under different load , a simulation model for (108+180+108) m large-span continuous rigid frame bridge and track interaction model under heavy haul load railway was established. The nonlinear contact of beam and rail was considered. The interaction between large-span continuous rigid-frame bridge and track was revealed under the action of thermal effects, live load, train braking, uneven settlement and an earthquake. The results show that envelope of rail stress is symmetrically distributed under the loads of thermal effects and live load, while the envelope of rail stress of braking is inverse symmetry and the envelope of rail stress of an earthquake is just like " double diamond ".The maximal rail stress caused by thermal effects, live load, train braking, and an earthquake is near the abutment, but the maximal rail stress caused by uneven settlement is near the middle of side span. The maximal pier top horizontal force of an earthquake is 8683.0kN. Uneven settlement cause large rail vertical displacement, which is unsafe for train.The seismic response of continuous rigid frame bridge and track system is related to the type of seismic wave.

Key words：heavy haul railway; continuous rigid-frame bridge; track engineering; track-bridge interaction; seismic response

中圖分類號：U213.912

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0512-05

通訊作者：楊磊(1975-)，男，江蘇沛縣人，高級工程師，從事橋梁工程方面的研究工作；E-mail：380856002@qq.com

基金項目：高速鐵路基礎研究聯合基金資助項目(U13342023)

收稿日期：2015-07-31