高速鐵路32 m簡支梁墩頂縱向剛度限值研究

徐 凌 雁

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

目前我國已建成和在建的鐵路項目中，橋梁長度通常占線路長度的70%～80%，且橋梁地段廣泛采用跨區間無縫線路。為保證無縫線路運行的安全穩定，需進行必要的軌道強度和穩定性計算。與此同時，為保證橋梁結構的受力合理，應對相應地墩臺附加力進行檢算。墩臺制動附加力受墩頂及相鄰墩頂剛度影響明顯，墩頂剛度越小，橋梁所受制動力越小，鋼軌制動附加力增大；而墩頂剛度增大，鋼軌所受制動附加力減小，但墩頂制動力增大。因此，需確定合理的橋梁墩頂縱向剛度，以同時達到合理的鋼軌和橋墩的受力[1-3]。

通常橋梁墩頂縱向剛度主要受無縫線路鋼軌強度和梁軌快速位移影響。橋上無縫線路鋼軌除受溫度應力和動彎應力外，還受列車制動、梁體撓曲和伸縮附加應力。為保證鋼軌強度，計算鋼軌附加力的荷載組合為：鋼軌制動力+鋼軌伸縮力，鋼軌制動力+鋼軌撓曲力，采用兩者較大值檢算鋼軌強度。該附加應力的最大拉應力不得超過81 MPa，最大壓應力不得超過61 MPa[4]。另外，制動力作用下梁軌之間產生快速位移，引起有砟軌道道砟松散，為保證有砟軌道穩定性，梁軌之間快速位移應在4 mm以內[5]。因此，必須對墩頂縱向剛度加以限制。文章對高速鐵路32 m簡支梁墩頂縱向剛度限值的合理取值進行研究。

1 計算模型

軌道、橋梁、橋墩是一相互作用系統，文章建立了軌道—橋梁—橋墩一體化模型。模型中，鋼軌、橋梁采用梁單元來模擬；扣件及道床縱向阻力采用非線性彈簧單元模擬。模型中考慮橋梁兩端一定范圍的路基，以此來消除邊界效應。模型建立了30孔32 m簡支梁單線橋均布等跨布置(見圖1)。

2 計算參數

2.1 道床縱向阻力[5]

選用有砟軌道采用Ⅲ型混凝土軌枕時單位長度道床縱向阻力，如表1所示。

表1 有砟軌道道床縱向阻力

kN/m/軌

2.2 橋梁日溫差

橋梁日溫差按照混凝土梁有砟軌道梁日溫差取15 ℃[5]。

2.3 制動力長度

牽引(制動)力通過輪軌摩擦直接作用于軌面，當橋梁位于無縫線路固定區時，牽引(制動)力加載長度一般取400 m，鋼軌黏著系數0.164[5]。

2.4 鋼軌、橋梁截面參數

計算模型中所采用的鋼軌斷面參數[5]見表2。

表2 鋼軌截面參數

橋梁跨度為32 m簡支梁(取30跨計算)，其橋梁主要截面參數見表3。

表3 橋梁截面參數

3 計算結果

3.1 鋼軌附加力計算

通過以上計算模型，得到了高速鐵路32 m簡支梁有砟軌道無縫線路鋼軌最大伸縮附加力、鋼軌最大制動附加力、鋼軌最大伸縮附加力+最大制動附加力、鋼軌最大伸縮附加力+最大撓曲附加力，見表4。

從表4中可以看出，隨著墩頂剛度的增大，鋼軌最大伸縮附加力增大，鋼軌最大制動附加力減小，鋼軌撓曲附加力增大，鋼軌最大伸縮附加力+最大制動附加力減小，鋼軌最大伸縮附加力+

最大撓曲附加力增大。

由計算結果可知，鋼軌撓曲附加力小于鋼軌制動附加力，鋼軌最大附加力主要受組合伸縮附加力+制動附加力控制，鋼軌附加力基本拉壓力基本相當，最大鋼軌附加力按61 MPa控制，橋墩頂縱向水平剛度的限值為100 kN/cm。

表4 32 m簡支梁橋上鋼軌附加力 MPa

3.2 穩定性計算

軌道—橋梁—橋墩一體化模型在制動荷載作用下，得到不同剛度下的梁軌快速位移，見表5。從表5可以看出，有砟軌道梁軌快速位移隨墩頂縱向剛度的增大而減小。按梁軌快速位移在4 mm以內得到墩頂縱向剛度限值為210 kN/cm。

表5 有砟軌道梁軌快速位移

4 結語

基于梁軌相互作用原理，建立軌道—橋梁—橋墩一體化計算模型，對高速鐵路32 m簡支梁有砟軌道無縫線路的鋼軌強度和穩定性進行計算分析，鋼軌強度得到的墩頂限值受鋼軌伸縮附加力+鋼軌制動附加力控制，穩定性計算墩頂的縱向剛度限值受梁軌快速位移控制；通過計算可知，有砟軌道梁墩頂的縱向水平剛度的限值主要受梁軌快速位移控制。高速鐵路32 m簡支梁有砟軌道橋墩頂縱向剛度限值為210 kN/cm時，能夠同時滿足鋼軌強度和穩定性計算條件。