多聯(lián)大跨度鋼桁橋上無縫線路設計方案可行性研究

郝曉成 米洋

中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308

無縫線路軌道結構由于沒有鋼軌普通接頭，平順性大幅提高，軌道結構強度和整體性增強，成為現(xiàn)代軌道結構的關鍵技術之一［1-3］。隨著我國軌道設備質量不斷提升，既有線軌道無縫化改造成為線路提質增效的重要手段。既有線不可避免地存在多聯(lián)大跨度鋼桁橋，相比普通橋上無縫線路，其梁軌相互作用更為復雜。鋼桁橋橋上無縫線路設計方案成為制約既有線軌道無縫化改造的主要因素。

梁軌相互作用是橋上無縫線路設計的關鍵問題，國內外學者對此進行了大量研究。文獻［4-5］通過鋼軌軸向平衡微分方程研究了橋上無縫線路的附加力。文獻［6-8］針對斜拉橋、懸索橋等不同橋型的橋上無縫線路設計方案進行了研究。既有研究大多針對新建線路橋上無縫線路，而鮮有既有線鋼桁橋明橋面橋上無縫線路設計方案的研究。

本文基于一多聯(lián)大跨度鋼桁橋上無縫線路，建立線-橋-墩一體化模型，提出全橋鋪設常阻力扣件、連續(xù)梁邊跨及相鄰簡支梁鋪設小阻力、連續(xù)梁邊跨鋪設零阻力扣件、連續(xù)梁邊跨鋪設單向伸縮調節(jié)器、連續(xù)梁跨中鋪設單向伸縮調節(jié)器五種設計方案。通過進行強度和穩(wěn)定性檢算，對比得出橋上無縫線路最優(yōu)設計方案，以期為鐵路鋼桁橋上無縫線路設計檢算、結構優(yōu)化提供參考。

1 模型及方案設計

1.1 計算模型

橋上無縫線路計算模型如圖1 所示。將鋼軌、橋梁離散成有限個梁單元；扣件及道床縱向阻力特征采用非線性彈簧單元來模擬；橋梁下部結構縱向剛度采用線性彈簧單元來模擬。模型中，考慮連續(xù)梁兩側各5 跨簡支梁范圍內的鋼軌及扣件單元，以消除邊界條件對橋上無縫線路縱向力和位移計算的影響。

圖1 線-橋-墩一體化計算模型

模型中，橋梁的縱向位移及制（啟）動力是主動作用，通過梁軌間的縱向約束帶動長軌條發(fā)生縱向位移，在長軌條中產(chǎn)生縱向附加力；同時梁軌間的縱向約束力以相反方向作用在橋梁上，并傳遞至固定支座上，帶動墩臺產(chǎn)生縱向位移，使橋梁翼緣的縱向位移發(fā)生改變。可見，線、橋、墩是相互作用的耦合系統(tǒng)。通過求解該系統(tǒng)的平衡位置，即可得到鋼軌中的縱向力、位移，橋梁縱向位移，墩臺縱向力及位移。

1.2 設計參數(shù)

1）軌道參數(shù)：60 kg/m鋼軌；Ⅲ型混凝土軌枕；彈條Ⅴ型扣件及小阻力扣件；鋼橋明橋面采用木枕，K型扣件；最高軌溫60.9 ℃，最低軌溫-22.2 ℃，設計鎖定軌溫（29 ± 5）℃。

2）溫度荷載：有砟軌道鋼梁溫差取25 ℃；混凝土梁溫差取15 ℃；無砟軌道混凝土梁溫差取30 ℃。

3）列車設計荷載：既有鋼桁橋采用圖2 所示的中—活載；輪軌黏著系數(shù)取0.164，荷載加載長度不超過400 m；設計軸重為25 t。

圖2 中—活載（尺寸單位：m）

4）道床及扣件縱向阻力：對于有砟橋，約束阻力為道床阻力；對于明橋面，約束阻力為扣件阻力。扣件及道床阻力參考TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規(guī)范》。

1.3 設計方案

該橋梁全長2.883 km，孔跨布置為55 × 32 m簡支T 梁+（48+3 × 64+48）m 連續(xù)鋼桁梁+24 × 32 m 簡支T梁，橋梁位于直線及半徑1 000 m 的曲線上。為消除邊界效應影響，按5 × 32 m+（48+3 × 64+48）m+5 × 32 m進行計算。

為得出多聯(lián)大跨度鋼桁梁橋上無縫線路最優(yōu)設計方案，對五種方案（圖3）的鋼軌強度、軌道穩(wěn)定性和斷縫值進行檢算。

圖3 多聯(lián)大跨度鋼桁梁橋上無縫線路方案設計（單位：m）

方案一：全橋鋪設常阻力扣件。

方案二：連續(xù)梁邊跨及相鄰簡支梁鋪設小阻力扣件，其余地段鋪設常阻力扣件方案。

方案三：連續(xù)梁邊跨鋪設零阻力扣件，其余地段鋪設常阻力扣件方案。

方案四：連續(xù)梁邊跨鋪設單向伸縮調節(jié)器，其余地段鋪設常阻力扣件方案。

方案五：連續(xù)梁跨中鋪設單向伸縮調節(jié)器，其余地段鋪設常阻力扣件。

2 檢算及對比

2.1 全橋鋪設常阻力扣件及局部鋪設小阻力扣件方案

TB 10015—2012 規(guī)定，應減少鋼軌伸縮調節(jié)器的設置。因此首先對全橋鋪設常阻力扣件方案（方案一）及局部鋪設小阻力扣件方案（方案二）進行檢算。

2.1.1 鋼軌伸縮附加力

方案一與方案二的鋼軌伸縮附加力計算結果見圖4。可知，方案一、方案二的鋼軌伸縮附加力最大值分別為691.81、538.01 kN，鋪設小阻力扣件后鋼軌伸縮附加力明顯減小，均出現(xiàn)在連續(xù)梁右端的連續(xù)鋼桁橋與簡支梁梁縫處，距左橋臺448 m。

圖4 方案一與方案二鋼軌伸縮附加力

2.1.2 制（啟）動力

由鋼軌伸縮附加力計算結果可知，最不利荷載位置為連續(xù)梁右端。計算制（啟）動力時按最不利工況加載，列車從左側入橋，列車車頭在距左端橋臺448 m處，荷載作用在288 m 橋跨上。方案一與方案二的制（啟）動力計算結果見圖5。可知，方案一、方案二的制（啟）動力最大值分別為480.16、453.67 kN，采用小阻力扣件后制（啟）動力略有減小。

圖5 方案一與方案二制（啟）動力

2.1.3 斷縫值

斷縫值的檢算關系到行車安全及是否需要采用伸縮調節(jié)器，是橋上無縫線路設計的核心內容之一。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，橋上無縫線路兩股或多股鋼軌同時折斷的概率極小，因此只考慮單根鋼軌折斷情況。

考慮最不利工況：鋼軌降溫56.9 ℃；斷縫設置在伸縮力較大的288 m 鋼桁梁右端（距左橋臺448 m）。方案一與方案二的斷縫值計算結果見圖6。可知，方案一、方案二的斷縫值分別為50.26、69.60 mm。采用小阻力扣件后，由于阻力值變小，斷縫值增大，但均小于TB 10015—2012規(guī)定的70 mm。

圖6 方案一與方案二斷縫值

2.1.4 強度和穩(wěn)定性檢算

根據(jù)TB 10015—2012，鋼軌容許應力為363 MPa。方案一與方案二鋼軌強度及無縫線路穩(wěn)定性檢算結果分別見表1、表2。可知，鋼軌強度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性滿足要求。這說明鋪設常阻力或小阻力扣件鋼軌應力較大，方案不可行。

表1 方案一與方案二鋼軌強度檢算結果

表2 方案一與方案二穩(wěn)定性檢算結果

2.2 連續(xù)鋼桁梁邊跨布設零阻力扣件方案

零阻力扣件，顧名思義就是縱向阻力為0，只有垂向約束作用的扣件［9-10］。基于減少鋼軌伸縮調節(jié)器設置數(shù)量的原則，對連續(xù)鋼桁梁邊跨布設零阻力扣件方案（方案三）進行檢算。

2.2.1 鋼軌伸縮附加力

方案三的鋼軌伸縮附加力計算結果見圖7。可知，鋼軌伸縮附加力為383.32 kN，出現(xiàn)在連續(xù)梁右邊跨，明顯比方案一、方案二有所減小。

初始階段。對數(shù)據(jù)集進行預處理操作，由Job－Client把數(shù)據(jù)集切片為 的形式并發(fā)送到JobTracker，Job1啟動時從InputSplit中加載切片信息作為Map函數(shù)的輸入。

圖7 方案三鋼軌伸縮附加力

2.2.2 制（啟）動力

按照最不利工況加載，列車從左側入橋，整列車加載到連續(xù)梁上。方案三的制（啟）動力計算結果見圖8。可知，方案三制（啟）動力最大值為341.39 kN，明顯比方案一、方案二有所減小。

圖8 方案三制（啟）動力

2.2.3 斷縫值

按照最不利工況加載計算方案三斷縫值，結果見圖9。可知，方案三斷縫值為102.27 mm，與方案一、方案二相比明顯增大，且大于TB 10015—2012 規(guī)定的一般值70 mm、困難值90 mm。

圖9 方案三斷縫值

2.2.4 強度和穩(wěn)定性檢算

對方案三鋼軌強度及無縫線路穩(wěn)定性進行檢算，結果表明：鋼軌動彎應力、溫度應力、伸縮附加應力、制動應力分別為124.9、141.1、49.5、44.1 MPa，應力合計359.6 MPa，小于容許應力（363 MPa），滿足要求；允許溫升59.5 ℃，實際溫升36.5 ℃，滿足要求。

綜上，方案三的鋼軌強度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，但鋼軌斷縫值不滿足要求。方案三不可行。

2.3 鋪設伸縮調節(jié)器方案

鋪設常阻力、小阻力及零阻力扣件方案均不可行，因此需進行連續(xù)鋼桁梁鋪設伸縮調節(jié)器方案研究。連續(xù)梁鋪設伸縮調節(jié)器包括邊跨鋪設（方案四）及跨中鋪設（方案五）兩種方案。

2.3.1 鋼軌伸縮附加力+基本溫度力

圖10 方案四與方案五鋼軌伸縮附加力+基本溫度力

2.3.2 制（啟）動力

鋪設伸縮調節(jié)器后，按最不利工況加載時制（啟）動力計算結果見圖11。可知，方案四、方案五的制（啟）動力最大值分別為240.43、480.16 kN。

圖11 方案四與方案五制（啟）動力

2.3.3 斷縫值

鋪設伸縮調節(jié)器后，考慮斷縫出現(xiàn)在最不利工況下，斷縫值計算結果見圖12。可知，方案四、方案五斷縫值分別為48.55、48.56 mm，滿足TB 10015—2012限值70 mm的要求。

圖12 方案四與方案五斷縫值

2.3.4 強度和穩(wěn)定性檢算

方案四與方案五的鋼軌強度及無縫線路穩(wěn)定性檢算結果分別見表3、表4。可知，連續(xù)梁邊跨設置伸縮調節(jié)器時，鋼軌強度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，鋼軌斷縫值也滿足要求；連續(xù)梁跨中設置伸縮調節(jié)器時，鋼軌強度不滿足要求。因此，連續(xù)梁邊跨鋪設伸縮調節(jié)器方案可行。

表3 方案四與方案五鋼軌強度檢算

表4 方案四與方案五穩(wěn)定性檢算

3 結論

1）全橋鋪設常阻力扣件，鋼軌強度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性滿足要求，斷縫值滿足要求，故方案一不可行。

2）鋼桁梁邊跨及相鄰簡支梁鋪設小阻力扣件，其余地段鋪設常阻力扣件，鋼軌強度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性、斷縫值均滿足要求，故方案二不可行。

3）鋼桁梁邊跨鋪設零阻力扣件，其余地段鋪設小阻力扣件，鋼軌強度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，但斷縫值不滿足要求，故方案三不可行。

4）連續(xù)梁兩端鋪設伸縮調節(jié)器，鋼軌強度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求，斷縫值滿足要求，故推薦連續(xù)梁兩端鋪設伸縮調節(jié)器方案。

5）連續(xù)梁跨中設置伸縮調節(jié)器，鋼軌強度不滿足要求，無縫線路穩(wěn)定性滿足要求，斷縫值滿足要求，故方案五不可行。

本研究成果可為鐵路鋼桁橋上無縫線路設計檢算、結構優(yōu)化提供參考。