多聯(lián)大跨無砟軌道連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計方案研究

張 艷

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

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多聯(lián)大跨無砟軌道連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計方案研究

張 艷

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

根據(jù)“線—橋—墩”縱向相互作用的原理，利用ANSYS有限元方法，建立了“鋼軌—道床板—橋梁—橋墩”縱向一體化計算模型，研究了某多聯(lián)大跨無砟軌道連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計方案，指出通過合理調(diào)整橋梁固定支座設(shè)置位置及小阻力扣件的設(shè)置范圍，可以降低鋼軌附加力及軌道結(jié)構(gòu)的受力，滿足橋上無縫線路檢算要求。

多聯(lián)大跨，無縫線路，有限元分析，溫度跨度

0 引言

隨著鋼軌鋪設(shè)長度的不斷增加，無縫線路研究理論和技術(shù)也在不斷發(fā)展，從普通無縫線路發(fā)展至區(qū)間無縫線路，再發(fā)展到跨區(qū)間無縫線路。無縫線路設(shè)計難點包含岔區(qū)無縫線路、橋上無縫線路等。橋上無縫線路能有效改善橋梁和軌道的運營狀態(tài)，減少養(yǎng)護維修，延長橋梁使用壽命。近年來，隨著客運專線上大量高架橋的修建，我國橋上無縫線路設(shè)計技術(shù)不斷發(fā)展。

由于橋梁的伸縮和鋼軌的相互作用產(chǎn)生附加力作用，橋上無縫線路設(shè)計相較于普通路基無縫線路復(fù)雜。橋上無縫線路設(shè)計主要建立在梁軌相互作用原理的基礎(chǔ)上，計算在溫度、列車荷載作用下的伸縮力、撓曲力、制動力等，進行橋上無縫線路鎖定軌溫的確定、鋼軌強度檢算、穩(wěn)定性檢算、斷縫檢算等，并根據(jù)受力與環(huán)境溫度合理確定小阻力扣件的設(shè)置范圍。

文中結(jié)合某工程橋上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的實際情況，根據(jù)“線—橋—墩”縱向相互作用的原理，運用ANSYS有限元方法，建立了“鋼軌—道床板—橋梁—橋墩”縱向一體化計算模型(見圖1)，對其中曲線地段多聯(lián)大跨連續(xù)梁進行了計算分析。該橋跨布置為：3×32 m簡支梁+(60+100+60)m連續(xù)梁+(45+70+45)m連續(xù)梁+(60+110+110+81)m連續(xù)梁+2×48 m簡支梁+(60+100+100+60)m連續(xù)梁+3×32 m簡支梁。

1 橋上無縫線路計算方法

目前，橋上無縫線路縱向力計算主要采用基于梁軌相互作用原理的有限單元方法編制的通用計算軟件“BCWR”進行計算。

2 計算模型及計算參數(shù)

2.1 計算模型

該工程算例，多聯(lián)大跨混凝土橋上采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，且位于R=1 200 m曲線地段。選取無縫線路模型組成為：100 m路基+3×32 m簡支梁+(60+100+60)m連續(xù)梁+(45+70+45)m連續(xù)梁+(60+110+110+81)m連續(xù)梁+2×48 m簡支梁+(60+100+100+60)m連續(xù)梁+3×32 m簡支梁+100 m路基。

2.2 計算參數(shù)

1)列車荷載：橋梁列車荷載采用ZK標(biāo)準(zhǔn)荷載(見圖2)。檢算鋼軌強度時，設(shè)計軸重為17 t。

2)根據(jù)TB 10015—2012鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范，無砟軌道混凝土梁年溫差取30 ℃。

3)鋼軌參數(shù)：鋼軌彈性模量、截面面積、截面慣性矩、容許應(yīng)力等按照60 kg/m，U75V的鋼軌參數(shù)取值。鋼軌線膨脹系數(shù)1.18×10-5/℃。

4)軌溫變化幅度：根據(jù)鎖定軌溫與最高、最低軌溫確定軌溫變化幅度(見表1，表2)。

表1 軌溫資料

℃

表2 無縫線路鎖定軌溫設(shè)計表

5)線路常阻力見圖3，小阻力扣件按4 kN/組扣件取值。

3 設(shè)計方案

多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋因聯(lián)數(shù)較多、跨度較大，故橋上無縫線路的設(shè)計方案主要從兩方面著手：

1)合理布置小阻力扣件設(shè)置范圍；

2)對橋梁固定支座位置進行優(yōu)化，盡量減小橋梁溫度跨度，并通過合理設(shè)置小阻力扣件布設(shè)范圍，以減小鋼軌伸縮附加力。

方案一：小阻力扣件布設(shè)范圍為連續(xù)梁邊跨及相鄰一孔簡支梁，最大溫度跨度為275 m，各溫度跨度分別為92 m，275 m，215 m，239 m，260 m，92 m，詳見圖4。

方案二：小阻力扣件布設(shè)范圍為連續(xù)梁全橋及兩端相鄰各一孔簡支梁，最大溫度跨度為275 m，各溫度跨度92 m,275 m，215 m，239 m，260 m，92 m，詳見圖4。

方案三：調(diào)整連續(xù)梁橋固定支座設(shè)置位置，以減小橋梁的最大溫度跨度，并使各溫度跨度分布較為均勻。調(diào)整固定支座后，最大溫度跨度為215 m，各溫度跨度分別為160 m，175 m，215 m，191 m，96 m，160 m，同時小阻力扣件布設(shè)范圍為連續(xù)梁全橋及兩端相鄰各一孔簡支梁，詳見圖4。

4 計算結(jié)果

4.1 鋼軌伸縮附加力

通過計算結(jié)果可以看到，連續(xù)梁溫度跨度越大，鋼軌伸縮附加力越大，且鋼軌附加伸縮力受溫度跨度的影響明顯。三種設(shè)計方案的鋼軌伸縮附加力如圖5所示。

4.2 鋼軌強度檢算結(jié)果

鋼軌強度檢算結(jié)果見表3。

表3 鋼軌強度檢算 MPa

計算結(jié)果表明，方案一，即未調(diào)整橋梁支座，溫度跨度最大275 m，小阻力扣件布設(shè)范圍為連續(xù)梁邊跨及兩側(cè)各相鄰一孔簡支梁時，鋼軌強度檢算不通過。方案二，即未調(diào)整橋梁支座，溫度跨度最大275 m，小阻力扣件布設(shè)范圍為連續(xù)梁全橋及兩側(cè)各相鄰一孔簡支梁時，鋼軌強度檢算接近限值。方案三，通過調(diào)整固定支座位置，減小溫度跨度，最大溫度跨度為215 m，鋼軌強度檢算滿足要求。

4.3 鋼軌斷縫檢算

鋼軌斷縫根據(jù)下式計算：

其中，λ為鋼軌斷縫，mm；F為鋼軌橫斷面面積，mm2；α為鋼軌線膨脹系數(shù)，1.18×10-5/℃；ΔTdmax為無縫線路最大降溫幅度，℃；r為線路縱向阻力，kN/m/軌，有砟軌道參照相應(yīng)線路開通驗收時道床縱向阻力取值，無砟軌道根據(jù)扣件技術(shù)條件取最不利值；[λ]為鋼軌斷縫容許值，一般情況取值70mm，困難條件下取值90mm。

方案一鋼軌斷縫值計算為86mm，方案二鋼軌斷縫計算為89mm，方案三鋼軌斷縫計算為89mm，滿足要求。

5 結(jié)語

根據(jù)多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋上無縫線路的特點，以某工程項目混凝土橋CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為工程案例，開展了多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計方案的研究，得出以下結(jié)論：

1)伸縮力方面，橋梁溫度跨度越大，鋼軌伸縮附加力越大，而且增加是明顯的。

2)合理布置橋梁固定支座位置，以通過減小溫度跨度的方式來減小鋼軌附加力，使橋上無縫線路檢算滿足要求。

3)在滿足橋梁墩臺受力的前提下，可以通過合理設(shè)置小阻力扣件布設(shè)范圍來減小鋼軌附加力。

[1] 廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].第4版.北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 黎國清，莊軍生，張士臣.高速鐵路橋上無縫線路附加力的研究[J].中國鐵道科學(xué)，1997，18(3)：15-23．

[3] 徐慶元，陳秀芳.連續(xù)梁橋上無縫線路附加力研究[J].中國鐵道科學(xué)，2003，24(3)：58-63．

[4] 戴金松.高速鐵路多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋上無砟無縫線路設(shè)計方案研究[J].鐵道建筑，2012(4)：14-17．

[5] 馮青松，宗德明，雷曉燕.無縫線路穩(wěn)定性分析有限元模型[J].中國鐵道科學(xué)，2005，26(1)：7-14．

[6] 崔麗紅，郭福安，江忠貴，等．長大混凝土橋梁無砟軌道溫度跨度的研究[J].鐵道工程學(xué)報，2012(7)：11-14．

[7] 孫 立．大跨度混凝土連續(xù)梁橋上無縫線路設(shè)計方案研究[J]．中國鐵路，2004(9)：50-52．

Research on seamless line design scheme in multi-connected big span ballast-less track continuous beam bridge

Zhang Yan

(ChinaRailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Tianjin300142,China)

According to the principle of “l(fā)ine-bridge-pier” longitudinal interaction, using ANSYS finite element method, this paper established the “rail-track slab-bridge-pier” vertical integration calculation model, researched the seamless line design scheme of a multi-connected big span ballast-less track continuous beam bridge, pointed out that through reasonable adjustment bridge fixed bearing setting location and the setting range of small resistance fastener, could reduce the rail additional force and track structure force, to meet the inspection requirements of seamless line on bridge.

multi-connected big span, seamless line, finite element analysis, temperature span

1009-6825(2016)32-0196-03

2016-09-07

張 艷(1982- )，女，工程師

U213.9

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