制動力作用下漂浮體系中承式拱橋的梁軌相互作用研究

高衛衛

摘 要：以某漂浮體系中承式拱橋為工程背景，采用橋上無縫線路分析理論，建立制動力作用下的梁軌相互作用模型，研究了拱肋橫梁與橋面的縱向相對位移、梁軌快速相對位移及鋼軌制動附加力。結果表明：當偏安全考慮、不計硬木的彈性約束作用時，拱肋橫梁與橋面的縱向相對位移最大值為1.8 mm，梁軌快速相對位移不超過0.8 mm，該縱向限位方案能夠滿足安全運營要求。

關鍵詞：漂浮體系 拱橋 制動力 梁軌相互作用

中圖分類號：U448 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0060-02

Abstract：The engineering background of this paper is a half-through arch bridge of floating type. Base on the theory of CWR on bridge， a model of interaction between beam and rail under braking force was built to analyze relative displacement between arch ribs cross-beam and deck， rapid relative displacement between beam and rail， as well as additional force in rail. For safety reason， the elastic constraint effect of hardwood was not considered. The calculation results show that the relative displacement between arch ribs cross-beam and deck is 1.8 mm， the rapid relative displacement between beam and rail is 0.8 mm， and thus the longitudinal stop design meets safety operation requirements.

Key Words：Floating Type；Arch Bridge；Braking Force；Interaction Force Between Beam and Rail

橋上鋪設無縫線路后，在列車制動情況下，列車在軌面施加縱向水平力，這被稱為制動力。制動力在長鋼軌中產生變形和附加力，由于受到橋梁約束，將使橋梁產生變形。在常規橋梁設計中，制動力一般是通過固定支座，經墩臺傳遞到橋梁基礎[1-3]。但在實踐中，經綜合考慮經濟性、行車條件等因素后，部分橋梁被設計成不設置縱向固定支座，此時制動力作用下的梁軌相互作用問題比較復雜。

圖1為某客運專線中承式拱橋，與公路斜交角為43.5°。主梁全長138.1 m，主縱梁、小縱梁、橫梁組成縱橫梁體系，并與橋面板連接、整體受力。左、右幅拱肋跨度均為90 m，且非對稱布置，吊索傾斜布置。左、右幅拱肋分別由4個群樁基礎支承，相鄰承臺之間由橫向的承臺系梁連接。全橋共設置4個中墩、4個邊墩，4個中墩坐落在拱腳承臺上。

全橋共設置4個縱向活動支座、4個雙向活動支座，即采用縱向漂浮體系。為實現主梁縱向限位，設置如圖1（b）所示的左、右側拱肋橫梁，橫梁兩側各有一塊硬木，厚度50 mm，高175 mm，長590 mm，與主縱梁外伸牛腿頂緊。針對這種構造處理，本文采用橋上無縫線路分析理論，考察制動力作用下的梁軌相互作用，旨在為同類工程提供參考。

1 計算模型及參數選取

1.1 計算模型

采用橋上無縫線路分析理論，建立如圖2所示的計算模型，該模型采用連接彈簧來模擬扣件縱向阻力；采用剛臂連接主梁上翼緣、主梁中性軸和支座，通過釋放約束模擬活動支座。扣件縱向阻力按照文獻[4]取值：有載時，r=20u（u≤0.5 mm），r=10（u>0.5 mm）；無載時，r=13u（u≤0.5 mm），r=6.5（u>0.5 mm）。橋梁兩端路基固定區長度取為100 m，采用與橋上相同的扣件縱向阻力。采用有限元軟件ANSYS建立仿真模型，其中：鋼軌、主梁、拱肋采用Beam188梁單元，單元長度為0.5 m；吊桿采用link10索單元；彈簧單元采用Combin14彈簧單元，扣件彈簧采用非線性彈簧剛度系數。

1.2 計算工程

最后計算得到的每個車輪下的制動力Pz=21.165 kN，按集中力的形式加載到鋼軌上。考慮單線制動，加載范圍內的扣件縱向阻力采用有載阻力模型，其余地段采用無載阻力模型。

2 計算結果

2.1 CRH2動車組制動

考慮CRH2動車組在橋上不同位置制動，車速為200 km/h。列車從左側上橋，運行至第8節車第4個軸離開右側橋梁為止。偏安全考慮，不計慮硬木的彈性約束作用，即計算模型中拱肋橫梁與橋面無連接關系。

圖3給出了左、右側拱肋橫梁處，橫梁與橋面的縱向位移。可以看出：左、右側橫梁與橋面的最大縱向相對位移為1.8 mm；左、右橫梁處的最大縱向相對位移發生在同一時刻；拱肋橫梁的縱向位移幾乎為0，即梁軌縱向力均通過吊桿傳遞到拱肋中。

圖4給出了動車組在主橋右端制動時的梁軌快速相對位移。文獻[4]規定：在制動附加力計算工況下，無伸縮調節器時，梁軌快速相對位移最大不得超過4 mm。計算得到最大梁軌快速相對位移為0.8 mm，滿足規范要求。

圖5給出了左、右拱肋橫梁處及主橋右端的鋼軌制動附加力。可以看出：左、右橫梁處的最大鋼軌制動附加力分別為30 kN、35 kN；主橋右端處的最大鋼軌制動附加力為140 kN。

2.2 參數分析

我國使用的高速列車車型較多，但其它高速列車的編組形式、車輛軸距、定距等參數與CRH2動車組基本相近，故這里僅考慮軸重（軌面制動力率）的變化，以此進行參數分析。

根據1.2節的計算，將軸重提高20%，再次進行分析，表1給出了計算結果。可以看出：橫梁與橋面的最大縱向相對位移為2.4 mm，增大33.3%；最大梁軌快速相對位移為1.1 mm，增大37.5 %，但仍滿足規范要求；左、右橫梁處的最大鋼軌制動附加力分別為35 kN、40 kN，分別增大16.7%、14.3%；主橋右端處的最大鋼軌制動附加力為170 kN，增大21.4%。

3 結論

列車在橋上制動時，拱肋橫梁與橋面的縱向相對位移非常小，最大值在1.8 mm左右（偏安全考慮，不計橫木的彈性約束作用）。梁軌快速相對位移不超過0.8 mm，滿足規范要求，該縱向限位方案能夠滿足運營安全要求。

參考文獻

[1] 廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1-2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京： 中國鐵道出版社，2005.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB 10015-2012鐵路無縫線路設計規范[S].北京： 中國鐵道出版社，2012.