橋梁參數對橋上無縫線路伸縮力的影響分析

蔡敦錦，顏 樂，李 悅，宋彥辰，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

橋梁參數對橋上無縫線路伸縮力的影響分析

蔡敦錦，顏 樂，李 悅，宋彥辰，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

基于有限單元法和梁軌相互作用理論，以鐵路常見橋型連續梁橋和簡支梁橋為例，建立了線-橋-墩一體化橋上無縫線路計算模型，分析了伸縮力的作用規律及橋梁跨數、支座、墩臺縱向水平剛度、橋梁跨度對伸縮力的影響。結果表明：宜增大連續梁相鄰簡支梁橋墩的縱向水平剛度，以提高其承載能力；對于多達數十跨、數百跨的簡支梁，可只取10跨計算；對于多聯連續梁橋，可只取相鄰5跨簡支梁進行計算；我國橋上無縫線路計算中一般未考慮活動支座摩擦系數的影響及將支座視為剛性體，都是偏于安全的；橋梁墩臺縱向水平剛度不宜過大。

橋上無縫線路；伸縮力；橋梁跨數；墩臺剛度；橋梁跨度

橋上無縫線路不同于路基上的無縫線路,因涉及到橋梁與軌道的相互作用,其研究難度較路基上無縫線路更大,隨著高速鐵路大規模的建設,特別是既有繁忙干線大范圍換鋪跨區間無縫線路及新建鐵路全面一次鋪設跨區間無縫線路,推動橋上無縫線路技術在近些年得到了突飛猛進的發展,極大地豐富了橋上無縫線路的技術內涵［14]。影響有作軌道橋上無縫線路梁軌縱向相互作用規律的因素很多,國內外的學者對橋上無縫線路此方面的研究已相當成熟［58],但是尚未從橋梁的角度出發,全面總結橋梁的各種參數對橋上無縫線路的影響,因此有必要對其進行研究和總結。

連續梁橋和簡支梁橋作為最普遍、應用最為廣泛的橋梁類型,也是鐵路橋的主要橋型,本文以簡支梁、連續梁為例,基于有限單元法和梁軌相互作用理論［910],研究了橋上無縫線路伸縮力的作用規律［11],以及橋梁的幾種重要參數對伸縮力的影響,為完善橋上無縫線路設計方法提供參考。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

采用ANSYS有限元軟件,在滿足工程的前提下,通過一定的簡化處理,建立的線-橋-墩一體化橋上無縫線路計算模型［12]如圖1所示。

圖1 線橋墩一體化計算模型

1.2 計算參數

簡支梁以圖2(a)中的5×32 m梁為例,固定支座位于簡支梁左邊,梁高3.09 m,自重9 000 kN,橋臺縱向水平剛度取為3 000 kN/cm·雙線,橋墩縱向剛度按《鐵路無縫線路設計規范》規定的最小限值,取值為400 kN/cm·雙線,線路阻力按Ⅲ型混凝土枕取值。

連續梁以2×32 m簡支梁+(32+48+32)m連續梁+2×32 m簡支梁為例,支座布置如圖2(b)所示,連續梁墩臺縱向水平剛度為1 000 kN/cm·雙線,線路阻力參數及橋梁日溫差取值與圖2(a)中的簡支梁相同。

圖2 簡支梁與連續梁布置

2 伸縮力分布規律

當混凝土橋梁日溫差取為15℃時,簡支梁橋和連續梁橋上的鋼軌伸縮力及墩臺縱向力分布如圖3所示。

圖3 簡支梁與連續梁鋼軌及墩臺縱向力

由圖3(a)可知,由于固定墩在左端,橋梁向右伸縮,因此在右橋臺活動支座附近鋼軌承受最大附加溫度壓力108.2kN,左橋臺附近鋼軌承受最大溫度拉力83.5 kN；從左至右每跨橋上,鋼軌承受的附加壓力逐漸增大,附加拉力逐漸減小,說明橋梁伸縮引起的梁軌相互作用向右端逐漸累積疊加。左橋臺承受向左方向最大縱向力87.3 kN,而其他橋跨固定支座承受的水平力均較小,約為10 kN左右,這主要是由于其他橋跨上的梁軌位移相等點近似位于跨中,橋梁承受著軌道傳遞的左右方向近似相等的縱向約束力所致。

由圖3(b)可知,由于連續梁左右溫度跨度較大,因而在連續梁左右端活動支座附近鋼軌承受的附加溫度壓力分別為176.7、209.2 kN,連續梁右側溫度跨度為80 m,大于左側溫度跨度64 m,導致右側附加溫度壓力也大于左側,更大于全橋為簡支梁的情況。左橋臺承受向左方向最大縱向力126.4 kN,而其他橋跨固定支座承受的水平力均較小,連續梁固定支座承受向左方向的縱向水平力約為32.6 kN,連續梁左側相鄰的簡支梁承受向左方向的縱向水平力約為30.0 kN,遠大于全橋為簡支梁時中間梁跨的橋墩受力,因此宜增大連續梁相鄰簡支梁橋墩的縱向水平剛度,以提高其承載能力。連續梁右側相鄰簡支梁承受向右方向的縱向水平力約為19.5 kN,是受到了連續梁向右伸縮作用的影響所致。

3 橋梁跨數的影響

3.1 簡支梁橋梁跨數的影響

設簡支梁固定支座布置與圖2(a)中相同,只改變簡支梁跨數,鋼軌最大伸縮壓力及墩臺最大縱向力分布如圖4所示。

圖4 簡支梁伸縮力隨跨數的變化

由圖4可知,簡支梁上鋼軌最大伸縮壓力隨跨數增加而逐漸增大,左橋臺承受的縱向力則隨跨數的增大而逐漸降低,但當跨數增加至一定程度后,鋼軌伸縮力及墩臺縱向力基本上不再變化。這主要是由于各跨簡支梁均向右伸縮,帶動橋上鋼軌也向右伸縮,隨著跨數的增加,伸縮力不斷累積,致使右橋臺處鋼軌的伸縮壓力增大,左橋臺處鋼軌的伸縮拉力減小,因而左橋臺承受的縱向力也同時減小,考慮到線路阻力的作用,伸縮力累積傳遞范圍有限,從圖4中可以看出,當簡支梁跨度達到10跨及以上時,伸縮力的累積作用幾乎可以忽略,鋼軌及墩臺承受的縱向力幾乎不變。

3.2 連續梁相鄰簡支梁跨數的影響

以圖2(b)中連續梁為例,當連續梁左、右側簡支梁跨數增加,其他參數不變時,鋼軌最大伸縮壓力及墩臺承受的最大縱向力分布如圖5所示。

圖5 連續梁伸縮力隨跨數的變化

由圖5可知,隨著連續梁兩側簡支梁跨數的增加,鋼軌伸縮力及墩臺縱向力均逐漸減小,當兩側簡支梁達到5跨及以上時,連續梁兩端的鋼軌伸縮力及橋墩所受縱向力幾乎不再改變,左橋臺的縱向力受連續梁伸縮的影響越來越小。這主要是因為簡支梁在連續梁與路基間起到了緩沖作用。

4 支座的影響

4.1 支座布置的影響

通常鋪設無縫線路的橋梁支座布置遵循著以下幾點原則:使橋梁的溫度跨度盡可能??；使橋墩受力盡可能??；固定支座宜設置在具有較大支座反力的地方；下坡方向橋臺或平坡行車前方橋臺支座宜設置為固定支座；固定支座設置方向宜一致；不宜將兩跨梁的固定支座設置在同一橋墩上等等。遵循以上原則,改變連續梁橋第一、二跨簡支梁的支座布置如圖6所示,鋼軌伸縮力及墩臺縱向力分布如圖7所示。

圖6 改變后的連續梁支座布置

圖7 連續梁支座改變后伸縮力分布

由圖7可知,連續梁橋左側兩跨簡支梁支座布置改變后,因連續梁左側溫度跨度減小,連續梁左端鋼軌伸縮壓力由176.7 kN降低至138.4 kN,同時連續梁右端鋼軌的伸縮壓力也由209.2 kN降低至192.7 kN,這對鋼軌受力是有利的；但由于連續梁兩側溫度跨度相差較大,兩側縱向力不平衡,連續梁橋墩受力由32.6 kN增加至54.3 kN,同時左右橋臺上均為活動支座,不承受縱向力,橋梁墩臺的受力不合理。因此需通過對鋼軌及橋梁的檢算來綜合確定支座的合理布置方式。

4.2 活動支座摩擦力的影響

測試表明:活動支座的摩擦系數在0.02～0.05,改變活動支座的摩擦系數,則簡支梁橋、連續梁橋的鋼軌伸縮力及伸縮位移、墩臺受力的變化如表1所示。

表1 活動支座摩擦系數對橋上無縫線路的影響

由表1可知,考慮了活動支座摩擦系數后,橋梁伸縮過程中將承受反向的支座摩擦力作用,相當于約束了橋梁的伸縮,這樣將使鋼軌受力減小,墩臺受力增大；而且活動支座摩擦系數越大,鋼軌伸縮力越小,墩臺縱向力越大。由于不考慮活動支座摩擦系數計算所得的鋼軌伸縮力有所增大,而該伸縮力一般又是橋上無縫線路設計中的控制因素,因此我國橋上無縫線路計算中一般未考慮活動支座摩擦系數的影響,是偏于安全的。

4.3 彈性支座的影響

鐵路橋梁一般采用鋼支座、盆式橡膠支座等,有固定支座、單向活動支座、多向活動支座之分,為簡化計算,通常認為支座本身是剛性的。假定圖2中所有的支座均為水平剛度為60 000 kN/m·雙線的彈性支座,其他計算參數不變,則鋼軌伸縮力、墩臺縱向分布如圖8所示。

從圖8中可見,如果橋梁支座全部是彈性支座,那么橋梁伸縮導致的累積作用不明顯,簡支梁每跨上鋼軌伸縮力分布近似相同,最大伸縮壓力約為72.1 kN,墩臺最大縱向力約為35.1 kN；連續梁上鋼軌伸縮力呈對稱分布,最大伸縮壓力約為179.4 kN,墩臺最大縱向力約為52.0 kN。無論是簡支梁還是連續梁,鋼軌及墩臺的受力均遠小于剛性支座的情況,可見將支座視為剛性體進行橋上無縫線路計算也是偏于安全的。

5 墩臺縱向水平剛度的影響

5.1 墩臺縱向水平剛度大小的影響

僅改變墩臺縱向水平剛度值的大小,簡支梁及連續梁上鋼軌最大伸縮壓力、墩臺最大縱向力變化如表2所示,其余計算參數同前。

表2 墩臺縱向水平剛度對伸縮力的影響

由表2可知,隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的增大,無論是簡支梁還是連續梁,鋼軌伸縮力、墩臺縱向力均隨著增大,但增加幅度在逐漸減緩。這是因為橋梁墩臺縱向水平剛度越大,在鋼軌反作用力下橋梁整體位移所受約束越強,梁軌位移相等點越靠近固定支座,相等點兩側的縱向阻力之和越大,致使鋼軌及橋梁承受的縱向力也越大。因此,從減小鋼軌伸縮力的角度考慮,橋梁墩臺縱向水平剛度不宜過大。

5.2 墩臺縱向水平剛度差的影響

由于地形的限制,橋梁各個墩臺的高度是很難建造成一致的,因而各墩臺的縱向水平剛度也不會相同,假定圖2(a)中簡支梁與連續梁中間跨的墩臺高度大于其他梁跨的墩臺高度,即中間梁跨(圖2(a)中第3跨簡支梁與圖2(b)中連續梁固定墩)的橋墩縱向水平剛度較其他梁跨小一些,則鋼軌伸縮力及墩臺受力的大小如表3所示。

表3 墩臺縱向水平剛度差對伸縮力的影響

由表3可知,中間主跨橋墩的縱向水平剛度越大,鋼軌伸縮力越大,墩臺受力越小,鋼軌位移也越大,但變化量較小。因此,各橋墩縱向水平剛度差對伸縮力的影響很小,不作為影響鋼軌伸縮力的控制因素。

6 橋梁跨度的影響

橋梁跨度對伸縮力的影響其實是溫度跨度的影響,以圖2中簡支梁、連續梁為例,簡支梁橋假設其跨度從24 m變化至64 m,連續梁橋中間跨的跨度從32 m變化至80 m,其他參數不變,鋼軌最大伸縮壓力及墩臺所受縱向力隨橋梁跨度的變化如圖9所示。

從圖9中可見,無論是簡支梁還是連續梁,鋼軌伸縮力、墩臺縱向力均隨橋梁跨度的增加而呈比例線性增加,說明橋梁跨度也即溫度跨度是影響橋上無縫線路伸縮力較為重要的因素。當橋梁溫度跨度增加至一定程度后,就需設置小阻力扣件、鋼軌伸縮調節器或傳力機構,以減緩鋼軌及橋梁的受力。

圖9 簡支梁與連續梁伸縮力隨跨度的變化

7 結論及建議

(1)連續梁相鄰的簡支梁承受的縱向水平力遠大于全橋為簡支梁時中間梁跨的橋墩受力,因此宜增大連續梁相鄰簡支梁橋墩的縱向水平剛度,以提高其承載能力。

(2)對于多達數十跨、數百跨的簡支梁,為簡化計算,可以只取10跨簡支梁進行計算；對于多聯連續梁橋,可只取相鄰5跨簡支梁進行計算。

(3)橋梁支座的合理布置形式,需通過對鋼軌及橋梁的檢算來綜合確定。

(4)我國橋上無縫線路計算中一般未考慮活動支座摩擦系數的影響,將支座視為剛性體都是偏于安全的。

(5)從減小鋼軌、橋墩受力的角度考慮,橋梁墩臺縱向水平剛度不宜過大。

(6)當橋梁溫度跨度增加至一定程度后,就需設置小阻力扣件、鋼軌伸縮調節器等,以減緩鋼軌及橋梁的受力。

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Analysis on How Bridge Parameters Affect the ExPansion and Contraction Force of Continuous Welded Rail on Bridge

CAI Dun-jin,YAN Le,LI Yue,SONG Yan-chen,WANG Ping
(Ministry of Education's Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

In this study,based on the finite element method and the theory of interaction between girder and rail,the commonly used bridge types,which include continuous girder bridges and simply-supported girder bridges,were cited as the examples.Subsequently,an integrated track-bridge-piers calculation model of continuous welded rail on bridge was established；the expansion and contraction force characteristics was analyzed；and the influences upon the expansion and contraction force caused by the number of bridge spans,by bridge bearing,by longitudinal horizontal rigidity of pier and abutment,and by bridge span length,were researched.The result shows that:(a)It is necessary to increase the longitudinal horizontal rigidity of the pier of the simply-supported girder adjacent to the continuous girder of the bridge,so as to increase this pier's bearing capacity.(b)The simply-supported girder bridge, which is made of tens to hundreds of spans,can be calculated by only taking its ten spans.(c)The multi-unit continuous girder bridge can be calculated by only taking five adjacent simply-supported girders.(d)In China,the continuous welded rail on bridge is calculated generally without considering the effect of friction coefficient of movable bearing and the bearing is regarded as a rigid body.Those practices are on the safe side.(e)The longitudinal horizontal rigidity of bridge pier and abutment should not be designed too large.

continuous welded rail on bridge；expansion and contraction force；the number of bridge spans；rigidity of pier and abutment；bridge span length

U213.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.007

1004-2954(2014)07-0030-05

2013-10-23；

2013-10-30

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(編號: 2682013CX043)

蔡敦錦(1989―),男,碩士研究生,E-mail:1198876623@ qq.com。