橋墩剛度、跨度及小阻力扣件對(duì)鋼軌強(qiáng)度的影響

蘇乾坤 鄧 希 盧 野 江萬(wàn)紅

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

為消除鐵路線路鋼軌接頭帶來(lái)的不良影響，可將多根長(zhǎng)鋼軌焊接起來(lái)，將軌條盡量延長(zhǎng)，形成跨區(qū)間無(wú)縫線路。跨區(qū)間無(wú)縫線路具有行車平穩(wěn)性好，軌道幾何狀態(tài)易保持，鋼軌使用壽命長(zhǎng)，車輛和軌道維修費(fèi)用低，建設(shè)投資附加費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，是鐵路現(xiàn)代化的一項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步，也是當(dāng)今高速鐵路設(shè)計(jì)采取的必要技術(shù)措施。

路基上鋪設(shè)無(wú)縫線路時(shí)，主要檢算溫度變化引起的鋼軌溫度應(yīng)力、列車通過(guò)時(shí)沖擊鋼軌形成的鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力和列車制動(dòng)時(shí)鋼軌內(nèi)的制動(dòng)應(yīng)力。橋上鋪設(shè)無(wú)縫線路時(shí)，除進(jìn)行上述應(yīng)力檢算外，還需考慮橋梁在升降溫荷載作用下梁體的伸縮變形和列車荷載通過(guò)時(shí)梁體的撓曲變形。橋上無(wú)砟軌道通常通過(guò)橋面預(yù)埋連接件與梁體緊密結(jié)合在一起，無(wú)砟軌道跟隨梁體變形發(fā)生隨動(dòng)變形，因其上部受無(wú)縫線路長(zhǎng)軌條的約束，不能完全釋放梁體變形帶來(lái)的鋼軌附加力，從而在鋼軌內(nèi)部形成沿橋梁走向變化的應(yīng)力。

迄今為止，關(guān)于無(wú)縫線路設(shè)計(jì)和檢算的研究成果較為豐富[1-4]。但考慮橋墩剛度及支座設(shè)置對(duì)無(wú)縫線路檢算結(jié)果綜合性影響的研究較少。本文基于有限元法和梁軌相互作用理論[5-6]，以山區(qū)某高速鐵路長(zhǎng)大橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)為例，分析連續(xù)梁橋及相鄰簡(jiǎn)支梁橋墩剛度、支座設(shè)置對(duì)無(wú)縫線路檢算結(jié)果的影響。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

基于有限元軟件，建立簡(jiǎn)化的線-橋-墩一體化計(jì)算模型[5]，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

檢算橋梁為(5×32) m簡(jiǎn)支梁+(90+180+90) m連續(xù)梁+(5×32) m簡(jiǎn)支梁，主橋位于曲線上，曲線半徑8 000 m，橋跨布置如圖2所示，0～13號(hào)橋墩剛度如表1所示。取全部橋跨進(jìn)行計(jì)算。

圖2 橋跨布置簡(jiǎn)圖(m)

表1 墩剛度表

本橋鋪設(shè)無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)速度350 km/h，未被平衡的超高值取40 mm，扣件采用WJ-8型扣件，軌枕鋪設(shè)密度為 1 600對(duì)/km，鋼軌支點(diǎn)剛度為25 kN/mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9-10]計(jì)算得到軌底邊緣最大動(dòng)彎應(yīng)力σ底d為123.19 MPa，最大溫度拉應(yīng)力σt為94.5 MPa。鋼軌破壞主要是受拉斷裂，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，故本文只針對(duì)鋼軌的受拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算。橋上無(wú)縫線路作用在鋼軌下的應(yīng)力滿足：

σ=σ底d+σt+σf+σz≤[σ]

(1)

式中：σf——橋梁伸縮引起的鋼軌附加力(因橋梁撓曲帶來(lái)的鋼軌附加力較小，此處忽略不計(jì))；

σz——列車制動(dòng)時(shí)引起的鋼軌附加力。

2 連續(xù)梁橋墩剛度的影響

6號(hào)與7號(hào)橋墩為連續(xù)梁主跨橋墩，5號(hào)橋墩為連續(xù)梁邊跨橋墩且位于連續(xù)梁溫跨較大的一側(cè)。6號(hào)橋墩上設(shè)置有活動(dòng)支座，連續(xù)梁伸縮時(shí)形成的抗力較小，對(duì)鋼軌的附加力影響較小，7號(hào)橋墩上設(shè)置有固定支座，故僅考慮5號(hào)、7號(hào)橋墩剛度變化對(duì)鋼軌應(yīng)力的影響。5號(hào)橋墩剛度變化工況和引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示，制動(dòng)力變化趨勢(shì)如圖3所示。

表2 5號(hào)橋墩剛度變化引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

注：1.橋墩剛度變化是相對(duì)于原橋墩剛度2 744 kN/cm(工況5號(hào)-5)所發(fā)生的加減變化；

2.最大制動(dòng)力分別考慮了列車從左入橋和右入橋時(shí)，在最大伸縮力處緊急制動(dòng)所產(chǎn)生的制動(dòng)力，且僅將左入橋和右入橋中較大的制動(dòng)力納入應(yīng)力合計(jì)中。

圖3 5號(hào)墩剛度變化引起的最大制動(dòng)力變化趨勢(shì)圖

由表2和圖3中鋼軌應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果可知，連續(xù)梁大溫跨一側(cè)邊跨墩剛度(5號(hào)墩)增加，引起鋼軌最大附加伸縮應(yīng)力增加，左入橋的鋼軌制動(dòng)力應(yīng)力先減小后增加(存在一個(gè)最小值)，右入橋的鋼軌制動(dòng)應(yīng)力增加。隨著邊跨墩剛度的增加，各項(xiàng)應(yīng)力值變化幅度均逐漸減小，當(dāng)墩剛度增加至 1 500 kN/cm(工況5號(hào)-8)時(shí)，總應(yīng)力增加值小于1 MPa，變化幅度不再明顯，鋼軌總應(yīng)力也逐漸趨于收斂。因此，當(dāng)連續(xù)梁大溫跨一側(cè)邊跨橋墩上為固定支座時(shí)，減小橋墩剛度，可降低鋼軌總應(yīng)力。

7號(hào)橋墩剛度變化工況和引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示，制動(dòng)力變化趨勢(shì)如圖4所示。

表3 7號(hào)墩剛度變化表引起的鋼軌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

圖4 7號(hào)墩剛度變化引起的最大制動(dòng)力變化趨勢(shì)圖

由表3和圖4可知，連續(xù)梁主跨固定支座橋墩剛度(7號(hào)橋墩)增加，引起鋼軌最大附加伸縮應(yīng)力增加，左入橋的鋼軌制動(dòng)力應(yīng)力增加，右入橋的鋼軌制動(dòng)應(yīng)力顯著減小。隨著主跨墩剛度的增加，各項(xiàng)應(yīng)力值變化幅度逐漸減小，鋼軌總應(yīng)力也逐漸趨于收斂。因此，增加連續(xù)梁固定支座墩剛度，可降低鋼軌總應(yīng)力，但效果并不顯著。

3 橋跨的影響

本文所述連續(xù)梁為3跨，為使連續(xù)梁承載分布均勻，連續(xù)梁的兩邊跨(5～6號(hào)橋墩、7～8號(hào)墩)通常相同。本文通過(guò)改變連續(xù)梁主跨(6～7號(hào)橋墩)和邊跨的長(zhǎng)度來(lái)改變溫跨，并分析其對(duì)無(wú)縫線路鋼軌檢算結(jié)果的影響，連續(xù)梁橋跨工況和計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 連續(xù)梁橋跨工況和計(jì)算結(jié)果表

由表4可知，從工況1至工況6，連續(xù)梁主跨逐漸減小，溫跨隨之減小，引起鋼軌最大伸縮附加應(yīng)力顯著減小，右入橋的鋼軌制動(dòng)力減小，鋼軌總應(yīng)力顯著減小。因?yàn)榱熊噺淖笕霕驎r(shí)，橋跨變化對(duì)在伸縮附加力處(5號(hào)墩)進(jìn)行緊急制動(dòng)并無(wú)影響，故左入橋的最大制動(dòng)力不發(fā)生變化，為17.85 MPa。溫跨減少20 m，鋼軌總應(yīng)力降低約10 MPa，即隨著溫跨的減小，鋼軌總應(yīng)力以約0.5 MPa/m的速率降低。對(duì)比工況3和工況7、工況4和工況8可知，溫跨相同時(shí)，溫跨中部活動(dòng)支座(6號(hào)墩支座)的設(shè)置位置對(duì)最大伸縮附加應(yīng)力和最大制動(dòng)應(yīng)力影響較小。

4 小阻力扣件設(shè)置的影響

最大伸縮附加應(yīng)力位于5號(hào)墩處，故將小阻力扣件布設(shè)在5號(hào)墩兩側(cè)，以減小鋼軌最大伸縮附加應(yīng)力。簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)32 m，為便于小阻力扣件布置，以16 m的整數(shù)倍設(shè)置不同工況，工況設(shè)置和計(jì)算結(jié)果如表5所示。

對(duì)比工況X-0～X-4，隨著小阻力扣件鋪設(shè)范圍的增加，鋼軌總應(yīng)力減小，但當(dāng)小阻力扣件在5號(hào)墩兩側(cè)的鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到64 m時(shí)(工況X-4)，鋼軌總應(yīng)力的減小幅度已趨于平緩。對(duì)比工況X-5～X-8和X-9～X-11，隨著連續(xù)梁側(cè)小阻力扣件鋪設(shè)范圍的增加，鋼軌總應(yīng)力減小，但當(dāng)鋪設(shè)長(zhǎng)度超過(guò)96 m時(shí)，鋼軌總應(yīng)力的減小幅度已不明顯。本橋連續(xù)梁邊跨長(zhǎng)90 m，相鄰簡(jiǎn)支梁橋跨長(zhǎng)32 m，將小阻力扣件布設(shè)在5號(hào)橋墩(伸縮附加力最大處)左側(cè)兩跨簡(jiǎn)支梁和右側(cè)連續(xù)梁邊跨時(shí)，鋼軌總應(yīng)力可顯著減小，有利于無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌的受力。

表5 連續(xù)梁小阻力扣件設(shè)置工況和計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)論及建議

本文以(90+180+90)m長(zhǎng)大連續(xù)梁為例，研究長(zhǎng)大連續(xù)梁橋橋墩剛度、橋跨布置和小阻力扣件設(shè)置對(duì)無(wú)縫線路鋼軌強(qiáng)度的影響， 得出主要結(jié)論如下：

(1)連續(xù)梁大溫跨一側(cè)邊跨橋墩剛度或主跨固定支座橋墩剛度增加，引起鋼軌最大附加伸縮應(yīng)力增加。當(dāng)橋墩剛度增加至一定水平時(shí)(不同橋梁橋墩剛度和跨度增加的幅度不同)，各項(xiàng)應(yīng)力值變化不再明顯，鋼軌總應(yīng)力也逐漸趨于收斂。當(dāng)大溫跨一側(cè)邊跨墩上為固定支座時(shí)，降低其墩剛度可適當(dāng)降低鋼軌總應(yīng)力，降低主跨固定支座墩剛度對(duì)鋼軌總應(yīng)力影響較小。

(2)減小溫跨長(zhǎng)度可有效降低鋼軌總應(yīng)力。溫跨相同時(shí)，溫跨中部活動(dòng)支座的設(shè)置位置對(duì)最大伸縮附加應(yīng)力和最大制動(dòng)應(yīng)力影響較小。

(3)將小阻力扣件布設(shè)在連續(xù)梁鋼軌伸縮力附加力最大處(通常位于連續(xù)梁與簡(jiǎn)支梁相接處)的相鄰兩跨簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁邊跨(大于96 m)時(shí)，鋼軌總應(yīng)力可顯著減小。

本文的研究成果可用于指導(dǎo)長(zhǎng)大連續(xù)橋梁設(shè)計(jì)，合理設(shè)置橋墩剛度、橋跨長(zhǎng)度和小阻力扣件鋪設(shè)范圍，可減小無(wú)縫線路鋼軌總應(yīng)力，降低斷軌風(fēng)險(xiǎn)。