40 t軸重列車作用下鐵路簡支梁橋的梁軌縱向相互作用

陳浩瑞 劉吉元 杜振華 石龍

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

我國以大秦鐵路和晉中南鐵路為代表的重載鐵路主要開行軸重為25～30 t的貨運列車，隨著貨運需求的增加，研究建設40 t軸重重載鐵路具有重要意義［1］。列車荷載的提高會影響橋梁、軌道、路基等結構的安全性與平順性，對橋上無縫線路縱向力產生重要影響。因此，有必要針對40 t 軸重列車作用下的鐵路簡支梁橋梁軌縱向相互作用規律開展研究。

殷明旻等［2］基于國外重載鐵路的設計參數，利用簡化的均布荷載計算了40 t軸重重載鐵路橋上無縫線路縱向力，并給出了橋墩線剛度建議值。戴公連等［3］研究了30 t軸重重載鐵路簡支梁橋上無縫線路縱向力和墩臺水平力分布規律，分析了跨數、布置方式和工況組合方式對梁軌相互作用的影響，提出了30 t 軸重重載鐵路線剛度建議值。頡明軍等［4］對內蒙古巴準鐵路哈拉溝特大橋進行有限元分析，研究了重載列車作用下無縫線路縱向力的分布規律，得到了萬噸大軸重列車牽引制動工況下橋墩臺承受的最大縱向力。閆斌等［5］建立了考慮樁土作用、橋墩塑性變形、滑動支座阻力的梁軌相互作用模型，提出了30 t 軸重重載鐵路梁軌系統的地震響應規律，分析了溫度、列車制動和地震耦合作用下該系統的受力特征。于哲［6］建立非等跨簡支T 梁與軌道一體化模型，通過加載30 t 軸重移動荷載列研究了無縫線路縱向力的分布規律以及溫度作用、制動作用、地震作用對該梁軌系統的影響。根據研究現狀可知，國內學者主要側重外部作用變化和橋梁參數變化對無縫線路縱向力的影響，但關于縱向位移阻力曲線變化對重載鐵路無縫線路縱向力的影響研究較少。基于此，本文結合幾內亞Simandou 重載鐵路建立有限元模型，分析40 t 軸重重載鐵路無縫線路縱向力對縱向位移阻力曲線的適應性。

1 計算模型

圖1 線橋一體化桿系模型

采用有限元軟件建立線橋一體化桿系模型（圖1）。梁體線單元與代表2股鋼軌的鋼軌線單元在豎向使用間隔0.65 m 的剛臂彈簧單元連接，在縱向采用間隔0.65 m 的非線性彈簧單元連接。線路縱向位移-阻力曲線通過參數形式賦值于縱向非線性彈簧單元內。梁端下緣剛臂線單元連接固定支座與活動支座，支座節點豎向自由度、橫向自由度全部固定。固定支座與墩頂節點采用剛臂彈簧單元連接，活動支座與墩頂節點采用極柔的線性彈簧單元連接。墩臺采用“墩頂節點+縱向線性彈簧+全約束的墩底節點”模式進行模擬，墩臺頂線剛度值賦予在相應的縱向線性彈簧單元中。圖1中h=0表示2個節點在同一水平面上，位置重合，但相對獨立。

2 計算參數

2.1 橋梁參數

橋梁參數參考幾內亞Simandou 鐵路Kaba 河橋跨區段的相關設計參數，建立單線10 跨24 m 的雙工字鋼主梁鋼-混結合梁橋。該線路是為開發世界級鐵礦——幾內亞西芒杜鐵礦而設計的配套貨物運輸鐵路。為了確定墩頂線剛度，在同一跨度下，采用60，80，100，150，175，200，250，300，400，500，600，800，1 000，1 500，3 000 kN/cm 共15種剛度進行計算，橋臺剛度采用1 500 kN/cm。梁體伸縮作用下的溫差為±20 ℃。

2.2 荷載參數

采用澳大利亞BHP 礦石車進行加載，相應單節構造簡圖如圖2所示。

圖2 澳大利亞BHP礦石車單節構造簡圖（單位：m）

2.3 軌道參數

鋼軌采用CHN60軌。對于有砟軌道，線路縱向位移-阻力曲線主要采用TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》［7］中規定的有砟軌道Ⅲ型混凝土軌枕縱向位移-阻力曲線，見圖3。

圖3 有砟軌道線路縱向位移-阻力曲線

為了研究線路縱向阻力變化對重載鐵路無縫線路縱向力的影響，結合圖3 構建不同的縱向位移阻力曲線，變化數值分別見表1 和表2。其中，軌面有載縱向阻力為軌面有載（機車）對應的縱向阻力。

2.4 檢算限值

有砟軌道鋼軌附加拉、壓應力限值分別為81，61 MPa，梁軌快速位移差限值為4 mm。

表1 隨縱向阻力變化的線路阻力取值

表2 隨屈服位移變化的線路阻力取值

3 計算結果

采用TB 10015—2012中的縱向位移-阻力曲線計算得到40 t軸重重載列車作用下鋼軌制動附加應力最大值及制動+溫度的組合附加應力最大值隨墩頂線剛度變化的曲線，見圖4。可知，在制動工況和組合工況下，鋼軌附加拉、壓應力隨墩頂線剛度的變化規律大致相同，附加壓應力略大于附加拉應力。附加壓應力限值比附加拉應力限值小，而實際情況相反，說明鋼軌附加壓應力起控制作用，因此本文只對制動工況和組合工況下的鋼軌附加壓應力進行分析，下文的壓應力統一取絕對值。

圖4 40 t軸重重載鐵路鋼軌附加應力最大值曲線

3.1 鋼軌附加應力

有砟軌道單線簡支梁40 t軸重重載列車鋼軌制動附加壓應力最大值曲線見圖5。由圖5（a）可知，當墩頂線剛度不超過400 kN/cm 時，鋼軌制動附加壓應力最大值隨縱向阻力的增大而增大；當墩頂線剛度超過400 kN/cm 時，鋼軌制動附加壓應力最大值先迅速減小，隨后緩慢增加。由圖5（b）可知，當墩頂線剛度不超過1 000 kN/cm時，鋼軌制動附加壓應力最大值隨屈服位移的增大而減小；當墩頂線剛度超過1 000 kN/cm時，鋼軌制動附加壓應力最大值先減小后增大。

圖5 鋼軌制動附加壓應力最大值曲線

3.2 梁軌快速位移差

根據表1 和表2 計算40 t 軸重重載列車在有砟軌道單線簡支梁上產生的梁軌快速位移差最大值，見圖6。可知，同一剛度下，梁軌快速位移差最大值隨縱向阻力的增大而減小；梁軌快速位移差最大值隨屈服位移的增大而增大，呈現明顯的線性關系。

圖6 梁軌快速位移差最大值曲線

3.3 墩頂線剛度限值討論

采用不同縱向阻力和屈服位移計算得到了24 m跨度40 t軸重重載鐵路有砟軌道單線鋼混簡支梁的墩頂線剛度限值，分別見表3 和表4。可知：①40 t 軸重重載鐵路簡支梁墩頂線剛度為537 kN/cm，與文獻［2］的研究結果（540 kN/cm）大致相同。②40 t 軸重重載鐵路對墩頂線剛度要求較高，僅單一改變線路縱向阻力或屈服位移均不能很好地解決重載鐵路墩頂線剛度限值偏大的問題，可以采用在跨中專門設置制動墩或變多跨簡支梁為連續梁等方法，從整體上優化橋梁-軌道縱向受力。

表3 不同縱向阻力下的墩頂線剛度限值

表4 不同屈服位移下的墩頂線剛度限值

4 結論

1）當墩頂線剛度較小時，同一剛度下鋼軌制動附加壓應力最大值隨縱向阻力的增大而增大，隨屈服位移的增大而減小。

2）同一剛度下，梁軌快速位移差最大值隨縱向阻力的增大而減小，隨屈服位移的增大而增大。

3）同一剛度下，縱向阻力變化對橋上無縫線路縱向力的影響大于屈服位移變化對縱向力的影響。