速度鎖定裝置對斜拉橋制動附加力的影響分析

朱金波 周遠智

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

國內外學者對簡支梁及連續梁等常規橋梁的梁軌相互作用做了大量的研究[1-2]，對斜拉橋的梁軌相互作用研究較少。而實際上，我國城市軌道交通已經修建了大量的斜拉橋，由于斜拉橋跨度較大，所以其鋼軌制動附加力也更大。目前，計算鋼軌制動附加力大多采用傳統的干線鐵路梁軌相互作用計算模型(即橋梁+兩端一定長度的路基)，該傳統模型不能較好地反映城市軌道交通高架橋的實際結構受力形式，本文采用考慮鄰跨簡支梁影響的有限元計算模型，該模型與實際軌道交通高架橋的結構形式更為相近。

1 計算模型

1.1 扣件阻力模型

選用《鐵路無縫線路設計規范》[3-4]中的非線性扣件縱向阻力模型，該計算模型見圖1。

圖1 扣件縱向阻力計算模型

1.2 速度鎖定裝置簡化模型

速度鎖定裝置(LUD)在靜力條件下不會改變橋梁結構的原有功能，而在制動力作用下，又提供鎖定功能，使得與該裝置相連的構件共同承擔制動力。設計人員要事先設定一個速度開關V0，當V>V0時，可用一個剛臂單元來模擬速度鎖定裝置。

1.3 列車制動力參數

本文模型中制動荷載是近似按照均布荷載加載于鋼軌頂面來計算的，只按靜荷載考慮，也未考慮列車制動過程中作用于軌面荷載的大小隨時間的變化，但這種近似的模擬能充分反應荷載傳遞對梁軌相互作用的影響。

列車最大制動力主要取決于列車荷載及制動力率，而且最大制動力與制動前速度關系不大。軌面制動力試驗結果證實了軌面制動力率與橋型、支座和線路條件無關，而與列車制動加速度有直接關系，在我國高速鐵路中推薦高速鐵路制動力率采用0.164，城市軌道交通橋梁由于車輛編組長度較短(6～8輛)，加上采用電氣指令式傳遞制動信息,所以制動力率取值比鐵路橋梁高,本文軌面制動力率取0.25。

采用地鐵A型車的豎向荷載，則其計算的單線軌面制動力為28.07 kN/m×0.25=7.017 5 kN/m。本文在計算制動附加力時，采用單線制動考慮。

1.4 梁軌相互作用模型

本文采用7跨簡支梁(跨徑L=30 m)+斜拉橋+7跨簡支梁(跨徑L=30 m)模型計算軌道交通斜拉橋制動附加力，模型示意見圖2。使用大型有限元軟件ANSYS建立全橋模型，鋼軌扣件縱向間距為1 m。全橋構件采用梁單元模擬，用非線彈簧單元模擬鋼軌和主梁之間的扣件連接，主梁的高度用剛臂單元模擬。全橋模型的節點共計2 346個，梁單元共計2 299個,線性彈簧單元共計19個,扣件非線性彈簧單元共計720個。ANSYS軟件建立的計算模型見圖3。

圖2 全橋有限元模型示意圖

圖3 ANSYS計算模型局部

2 工程背景

以上海軌道交通16號線上的大治河大橋為研究對象，該橋跨徑布置為80 m+140 m+80 m，共300 m，為兩塔三跨單索面斜拉橋，采用塔墩梁固結體系。主梁采用預應力混凝土結構，截面形式為單箱雙室斜腹板箱梁，主梁根部梁高5.6 m，跨中梁高3.6 m；主塔兩側各37.75 m范圍內梁底曲線按圓弧線逐漸變化，其余部分主梁為等高度梁；主梁頂板寬為13.641 m、厚度為25 cm，根部底板寬度為7.60 m、厚度為80 cm,跨中底板寬度為5.71 m、厚度為30 cm；中腹板厚度為50 cm，兩側斜腹板厚從根部至跨中，由50 cm逐漸變為30 cm。

斜拉橋主橋箱梁采用C60混凝土。全橋共設置2×20對拉索，拉索縱向間距5.0 m，每對斜拉索為2根，橫向間距1.3 m。斜拉橋主塔采用標號為C50的混凝土，主塔高20.5 m，橫向寬2.5 m，主塔縱向寬從底部的5.4 m逐漸變化至頂部的6.5 m。

3 計算結果分析

本文設計了4種不同速度鎖定裝置LUD的布置方案。方案1：各橋墩均不設置LUD;方案2：僅在右側主塔設置LUD;方案3：僅在兩側邊墩設置LUD;方案4：在右側主塔和兩側邊墩設置LUD。不同速度鎖定裝置LUD布置方案的制動附加力見圖4(其中橫軸坐標0點為斜拉橋0號墩位置)。

圖4 鋼軌的制動附加力

綜合4個方案下制動附加力的最大(小)值，見表1。表2為傳至各橋墩的制動反力。

表1 不同方案單軌縱向制動力

表2 各橋墩制動反力

由圖4、表1和表2可見，不設置LUD的制動力最大值發生在斜拉橋的兩端，而設置LUD后制動力的最大值均發生在列車荷載加載的起終點；設置LUD可有效地降低制動附加力，方案1的制動力最大為68.5 kN，方案2的制動力最大為15.8 kN，方案3的制動力最大為16.0 kN，方案4的制動力最大為15.2 kN；制動力由制動墩與設置了LUD的各橋墩近似平均分配，且制動力隨著LUD數量的增多成比例減少。所以合理設置LUD能有效減小制動墩的制動反力。

4 結論

1) 不同LUD的布置方案對單軌制動力分布規律影響很小，不設置LUD的制動力最大值發生在斜拉橋的兩端，而設置LUD后制動力的最大值均發生在列車荷載加載的起點和終點。

2) 布置LUD可有效降低制動附加力，具體LUD設置的位置對制動附加力最大值影響不大。

3) 制動力由制動墩與設置了LUD的各橋墩近似平均分配，且制動力隨著LUD數量的增多成比例減少。所以合理設置LUD能有效減小制動墩的制動反力。