２０１３年９月 第１４卷第３期 长沙铁道学院学报（社会科学版） Ｓｅｐ．２０１３ Ｖ０１．１４ Ｎｏ．３ －＿＿同 铁长联简支梁桥梁轨相互作用分析 口 】 韩云福 （铁道部工程质量安全监督总站成都监督站，四川成都６１００８２） 摘要：梁轨相互作用问题是高速铁路桥梁设计的重要课题之一，由于桥上无缝线路的存在，温度和活载的分布不同于以 往的普通铁路桥梁，其纵向分布受下部结构刚度和桥梁竖向刚度影响显著。本文基于既有研究，以４—３２ｍ＋４０ｍ＋５—３２ｍ简 支梁为例，分析了温度、竖向活栽、列车制动作用下，不等跨长联简支梁桥上无缝线路纵向力的分布规律，与传统的铁路桥梁分 析方法相比，证明在铁路桥梁的设计当中，必须考虑无缝线路的影响，建立梁轨相互作用的一体化模型。本文得到的结论对今 后高速铁路简支梁桥的建设有借鉴意义。 关键词：简支梁；梁轨相互作用；无缝线路；纵向力；竖向刚度 近年来，我国高速铁路推广标准化设计，既有利于保证施 工质量，又可大幅度提高高速铁路建设速度和规模。另一方 面，由于无缝线路的便于维护、平顺性高等优点，在我国客运 专线上得到了广泛应用…。不同于以往普通轨道结构，无缝 线路轨道采用长焊接钢轨，在温度变形和列车竖向荷载及制 伸缩力时，按照梁体升温２０℃计 。 二、伸缩力 假设各简支梁梁体升温２０℃，计算钢轨伸缩力和墩台伸 缩力，见图ｌ和图２。 动力作用下，梁轨之间将产生相对位移，导致轨道和桥梁之间 产生非线性阻力，从而在无缝线路当中产生较大的应力，同时 也影响各墩台水平力的分布 ］。 本文将在既有研究基础上，分析长联不等跨简支梁桥上 无缝线路纵向力分布规律。探讨简支梁跨度变化对无缝线路 纵向力和墩台水平力的影响。本文得到的部分结论对今后高 速铁路简支梁桥的建设有借鉴价值。 一图１本文所采用的有限元模型 《 、工程背景 姆 壁 本文采用的算例为４—３２ｍ＋４０ｍ＋５—３２ｍ简支梁桥，桥 上铺设双线ＣＲＴＳ Ｉ双块式无砟轨道，墩台纵向刚度为 ３０００ｋＮ／ｅｍ，各桥墩纵向刚度取为１０００ｋＮ／ｅｍ。各墩台纵向刚 度采用线性弹簧模拟，用刚臂模拟梁体高度。 藤 一轨道和梁体中性轴采用梁单元模拟，梁轨之间采用非线 性弹簧连接，弹簧纵向阻力【３ Ｊ： ｒ４８ｕ ｎ≤２竖向有载 ｌｏｏ Ｏ ｌ００ ２ｏｏ ３ｏｏ ４（）ｏ 轨道坐标，加 图２钢轨伸缩应力 ｆ ｌ ９６ ｒ＝ ｕ＞２竖向有载 由图２可知，钢轨应力在两端刚度较大的桥台处出现最 Ｉ ２４ｕ Ｈ≤２竖向无载 １ 大拉压应力，为２０．３ＭＰａ（拉）和２９．３ＭＰａ（压）。在简支梁跨 度较大处（４０ｍ处），钢轨伸缩应力也较大，为１９．１ＭＰａ（拉） 和２０．２ＭＰａ（压）。 ４８ ｕ＞２竖向无载 其中，线路阻力ｒ（ｋＮ／ｍ），梁轨相对位移 （ｍｍ）。建立 的有限元模型见图１ 。 由图３可知，桥台水平力最大，其他各墩受力均较小。在 跨度较大处，墩台水平力也略有提高，这主要是由于该处温度 在计算挠曲力时，按照ＺＫ活载计，加载长度为３００ｍ，加 载步长取为１０ｍ；计算制动力时，制动力率取为０．２５；在计算 跨度较大。 收稿日期：２０１３—０５—１３ 作者简介：韩云福（１９６４一），男，四川丹陵人，工程师。 三、挠曲力 假设列车从桥梁左端入桥右端出桥，计算通过全桥时的 桥上逐步行进的过程，并求包络，见图６～８。 钢轨应力和墩台水平力，见图４和图５。 一～＼Ｚ ．． ． 莲 ／ 、 臻 喾 啦 登 Ｚ１ Ｚ２ Ｚ３ Ｚ４ Ｚ５ Ｚ６ Ｚ７ Ｚ８ Ｚ９ ＺＩＯＺｌ１ 墩台编号 图３墩台伸缩力 罨 覆 罹 一ｉ００ ０ １ｏｏ ２０ｏ ３０ｏ ４Ｏ０ 轨道坐标／ｍ 图４钢轨挠曲应力包络 分析表明，４０ｍ简支梁处，钢轨挠曲力也较大，与相邻桥 跨相比，其钢轨应力增大了４２％ ３１％。这主要是由于其跨 度较大，竖向挠度相对较大，导致梁轨相对位移增大，从而增 大了梁轨之间的相互作用。 Ｚ 螽 斗＜ 蟛 鲁 嚣 Ｅ 努 Ｚｌ Ｚ２ Ｚ３ Ｚ４ Ｚ５ Ｚ６ Ｚ７ Ｚ８ Ｚ９ Ｚｌ０Ｚ１ｌ 墩台编号 图５墩台挠曲力包络 由图５可知，简支梁跨度发生改变的地方，其墩台水平力 也大幅度增加，增幅约为３５％。 四、制动力 假设列车从左侧入桥，并在桥上制动，制动力率参照ＵＩＣ 规范偏安全地取为０．２５ 。加载步长设为ｌＯｒｅ，计算列车在 ２２６ 喝 譬 需 磊 察 器 一ｌ（）０ ０ ｌＯ０ ２００ ３００ ４００ 轨道坐标，ｍ 图６钢轨制动应力包络 钢轨制动应力在两端桥台处取得最大值，分别为２２． ７ＭＰａ（拉）和２３．６ＭＰａ（压）。简支梁中部跨度增大对钢轨应 力影响不大。 Ｚ 囊 翼 霪 ， Ｑ Ｑ Ｏ 、’。、 、。一 。一 。一’ 。 Ｚｌ Ｚ２ Ｚ３ Ｚ４ Ｚ５ Ｚ６ Ｚ７ Ｚ８ Ｚ９ ＺｌＯＺｌｌ 墩台编号 图７墩台制动力包络 由图７可知，刚度较大的墩台承担了相对较大的制动水 平力，简支梁中部各墩承担的墩台水平力也较大。４０ｍ简支 梁对相邻墩台水平力的影响并不明显。 ０ ５０ ｌ０Ｉ） １５０ ２１）（） ２５０ ３００ ３５０ 轨道坐标，ｍ 图８梁轨相对位移包络 梁轨相对位移的分析表明，由于简支梁跨度均较小，梁轨 相对位移也较小，其最大为１．３ｍｍ，位于左端靠近桥台处。中 部简支梁跨度的增加对梁轨相对位移的影响较弱。 五、钢轨应力检算 参照我国“无缝线路暂行轨道”，将钢轨应力的检算标 准为 ： 在长联简支梁中部某孔简支梁跨度的增大将加大钢轨和 墩台所受纵向力，对于本桥而言，中部钢轨伸缩应力增大２０％ ～ｒＯｄ＋ ｌ＋ ＋ ≤［ ］ 为钢轨最大动弯应力，压应力为１８２ＭＰａ，拉应力为 １５６ＭＰａ； 为钢轨温度应力； 为桥上钢轨附加应力（伸缩 力和挠曲力较大值），对本桥而言最大温度应力为９１．６ＭＰａ （拉）、８１．３ＭＰａ（压）。 为钢轨制动力；［ ］钢轨允许应力， 其值约为３５１．５ＭＰａ。 即要求钢轨伸缩力和制动力的组合应小于８８．２ＭＰａ ５０％，墩台水平力增大４３％一５６％，墩台水平力增大４３％ 一７５％，但简支梁跨度变化对制动力影响较小。鉴于简支梁 挠曲力数值较小，因此在简支梁跨度发生变化时，应着重检算 钢轨伸缩力是否超限。 参考文献： （压），１０３．９ＭＰａ（拉）。 将钢轨伸缩应力、挠曲应力和制动应力组合求最大值，为 ５６ＭＰａ（拉）和５６．９ＭＰａ，满足规范要求。 制动力作用下，梁轨相对位移最大值为１．３ｒａｍ，小于规范 限值４ｒａｍ。 因此本桥无缝线路设计是合理的，各项指标可满足规范 要求。 六、结语 本文通过分析４—３２ｍ＋４０ｍ＋５—３２ｍ不等跨简支梁桥 上无缝线路的纵向力分布及墩台水平力分布，探讨了长联简 支梁在中部跨度发生改变对梁轨相互作用的影响，得到以下 结论： 当简支梁跨数超过一定数量之后，简支梁桥上钢轨纵向 力和墩台水平力最大值不随简支梁跨数增加而增大，长联简 支梁桥上无砟轨道线路可以满足规范要求。 ［１］闫斌，戴公连，董林育．客运专线斜拉桥梁轨相互作用设计参数 ［Ｊ］．交通运输工程学报，２０１２，１２（００１）：３１—３７． ［２］徐庆元．高速铁路桥上无缝线路纵向附加力三维有限元静力与 动力分析研究［Ｄ］．长沙：中南大学，２００５． ［３］中铁第四勘察设计院集团有限公司．铁路元缝线路设计规范（送 审稿）［Ｓ］．２００８． ［４］闰斌，戴公连．高速铁路斜拉桥上无缝线路纵向力研究［Ｊ］．铁 道学报，２０１２，３４（３）：８３—８７． ［５］卜一之．高速铁路桥梁纵向力传递机理研究［Ｄ］．成都：西南交通 大学桥粱隧道及结构工程，１９９８． ［６］ＵＩＣ ７７４—３ Ｔｒａｃｋ／ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ［Ｓ］．Ｐａｒｉｓ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙｓ，２００１． ［７］铁建设函［２００３］２０５号新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定 ［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００３．