速度鎖定器對橋上無縫線路的作用分析

方利，王志強(qiáng)

（1中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶400023；2重慶市設(shè)計(jì)院，重慶400015）

速度鎖定器對橋上無縫線路的作用分析

方利1，王志強(qiáng)2

（1中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶400023；2重慶市設(shè)計(jì)院，重慶400015）

橋上無縫線路與路基上的不同，其鋼軌除受溫度力作用之外，還受到橋上附加縱向力作用[1]。特別在溫度跨度較大的橋梁上，附加縱向力更復(fù)雜、力值更大。基于梁軌相互作用的分析原理，計(jì)算得出采用速度鎖定器可以降低鋼軌縱向力。該文給出的應(yīng)用實(shí)例，能說明速度鎖定器的有效性和可行性。

橋上無縫線路；速度鎖定器；縱向力；動彎應(yīng)力；鋼軌制動應(yīng)力；鋼軌容許應(yīng)力

0　前言

從1963年開始，橋上無縫線路(CWR track on bridge)先后在一些中小跨度的多種類型橋梁（簡支梁、連續(xù)梁、桁梁、有碴無碴橋）上鋪設(shè)，并對橋上無縫線路梁軌相互作用的原理進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，涉及了多種類型橋梁上無縫線路縱向力作用規(guī)律，以及橋梁墩頂位移（高墩）等多種因素的影響，并建立了橋上無縫線路伸縮附加力、撓曲附加力的計(jì)算原理和計(jì)算方法，為中國在橋上鋪設(shè)無縫線路奠定了基礎(chǔ)。

然而當(dāng)在橋梁上鋪設(shè)無縫線路時(shí)，橋上無縫線路除受到列車動載、溫度力、制動力等作用外，還受到由于橋梁的伸縮或撓曲變形產(chǎn)生的梁軌相互作用力——縱向附加力。附加縱向力增加了鋼軌應(yīng)力，并反作用于橋梁，并通過橋梁作用于墩臺。此外，橋上無縫線路鋼軌一旦斷裂，不僅危及行車安全，還將產(chǎn)生斷軌附加力，并通過橋跨結(jié)構(gòu)而作用于墩臺上。因此，設(shè)計(jì)橋上無縫線路時(shí)，使得橋梁軌道結(jié)構(gòu)受力變的相當(dāng)復(fù)雜。所以當(dāng)溫度跨度較大時(shí)，為了保證行車安全，要求軌道專業(yè)務(wù)必要進(jìn)行鋼軌強(qiáng)度檢算。

1　工程概況

某鐵路項(xiàng)目其中一橋梁結(jié)構(gòu)為：4×32m簡支梁+（60+5× 110+60）m連續(xù)梁+4×32m簡支梁，連續(xù)梁小里程端位于直線上，大里程端位于R-7000半徑曲線上，見圖1。（60+5×110+60）m連續(xù)梁上只有#8橋墩為固定支座，其余#4、#5、#6、#7、#9、#10、#11都是活動支座；在連續(xù)梁兩端的32m簡支梁支座形式都是小里程端為活動支座，大里程端為固定支座。主跨溫度跨度達(dá)390m。

圖1　橋梁及支座布置圖

2　計(jì)算分析

軌道初步設(shè)計(jì)方案為：該橋采用無縫線路、無砟軌道、常阻力扣件、鋼軌采用U71MnG，按照有關(guān)規(guī)范要求，我們要進(jìn)行鋼軌強(qiáng)度檢算，計(jì)算公式如下：

式中σ底d－軌底邊緣動彎應(yīng)力（MPa）,σ底d=

Md-輪底邊緣最大可能動彎應(yīng)力，W底-軌底的截面面積，f-軌道橫向水平力系數(shù)；

σt－鋼軌最大溫度應(yīng)力（MPa）,σt=E·α·△Tdmax，E-鋼軌鋼彈性模量，α-鋼軌鋼線膨脹系數(shù)取1.18×10-5，△Tdmax-無縫線路最大降溫幅度（OC）；

σf－鋼軌最大附加應(yīng)力（MPa）橋上無縫線路鋼軌附加縱向力（N）取橋上無縫線路撓曲力、伸縮力的最大值，F(xiàn)-鋼軌斷面面積（mm2）；

σz－鋼軌牽引（制動）應(yīng)力（MPa）,參照規(guī)范[2]附錄F計(jì)算；

σs－鋼軌鋼屈服強(qiáng)度，按照規(guī)范規(guī)定U71MnG鋼軌σs的取值為457MPa；

K－安全系數(shù)，取1.3。

表1　鋼軌強(qiáng)度檢算表

如果按照常規(guī)設(shè)計(jì)方案，該橋的鋼軌強(qiáng)度不能滿足規(guī)范要求，在運(yùn)行中必然會出現(xiàn)鋼軌斷裂的危險(xiǎn)，因此需要采取一定的措施來降低∑σ。

通常采用的措施有：把常阻力扣件換成小阻力扣件、鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)鎖定軌溫等。

3　工程措施

3.1采用小阻力扣件

在全橋范圍內(nèi)，共計(jì)長度為926m鋪設(shè)小阻力扣件。計(jì)算結(jié)果如表2。

表2　鋼軌強(qiáng)度檢算表

在全橋范圍內(nèi)采用小阻力扣件也無法滿足規(guī)范要求。

3.2采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

由于該橋大里程端位于曲線地段，因此不能在連續(xù)梁的大里程端設(shè)置調(diào)節(jié)器。能設(shè)置調(diào)節(jié)器的位置，只能是連續(xù)梁的小里程端和中部。我們選擇在中部設(shè)置一個(gè)雙向伸縮調(diào)節(jié)器；并且在全橋范圍內(nèi)，共計(jì)長度為926m鋪設(shè)小阻力扣件。計(jì)算結(jié)果如表3。

表3　鋼軌強(qiáng)度檢算表

采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器后，∑σ值確實(shí)降低了很多，完全滿足了規(guī)范要求。然而在實(shí)際運(yùn)行中，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器是軌道的薄弱環(huán)節(jié)，因鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器尖軌與基本軌間的結(jié)構(gòu)不平順，列車在該處產(chǎn)生較大的沖擊力，直接影響線路質(zhì)量和列車運(yùn)行平順性和舒適性，且增加了設(shè)備費(fèi)用和維修費(fèi)用。在調(diào)節(jié)器兩端，存在較長的伸縮區(qū)，伸縮區(qū)橋梁將承受較大的伸縮力。從行車的平順性、舒適性及線路少維修的角度考慮，軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免或者減少設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

3.3采用速度鎖定器

速度鎖定器（也稱為“速度鎖定裝置”：英文名稱Lock-Up-Device，簡稱LUD；在美國公立橋梁建筑規(guī)范中成為Shock Transmission U-nit，簡稱STU）是一種主體為活塞式圓柱形腔體結(jié)構(gòu)的抗震限位保護(hù)裝置，通過腔體內(nèi)填充的高粘度流體在活塞中的特殊性能“速度敏感性”，使缸體與活塞之間的低速工作狀態(tài)下產(chǎn)生的抗力很小，而隨著速度增加抗力迅速升高到設(shè)計(jì)值，速度鎖定器由柔性變?yōu)閯傂远版i定”，實(shí)現(xiàn)兩端連接構(gòu)件之間低速下的相對位移和高速下的限位功能。當(dāng)外力消鋼軌的強(qiáng)度檢算結(jié)果如表1。失后，速度鎖定器的粘滯性流體在活塞兩次腔室內(nèi)的壓力逐漸平衡，使速度鎖定器不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力累積[3]。

在工程實(shí)踐中，LUD主要用于抗震作用。但是我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)在橋梁上運(yùn)用LUD時(shí)，在正常情況下LUD幾乎不發(fā)揮作用，允許梁體轉(zhuǎn)角及溫差變形引起的水平位移；在制動力、風(fēng)載或地震荷載作用下，LUD便會自動鎖定，使得結(jié)構(gòu)由正常狀況下的一個(gè)固定墩變成兩個(gè)或更多的固定墩，將上部結(jié)構(gòu)的荷載有效地分布到多個(gè)墩子上去，使得結(jié)構(gòu)的受力更均勻[4]。那么就能降低鋼軌制動應(yīng)力，從而降低∑σ。

我們選擇在#7號橋墩處設(shè)置LUD，并且在全橋范圍內(nèi)，共計(jì)長度為926m鋪設(shè)小阻力扣件。計(jì)算結(jié)果如表4。

表4　鋼軌強(qiáng)度檢算表

表2與表4相對比，設(shè)置速度鎖定器后，鋼軌制動應(yīng)力降低了。從而使得∑σ減小，達(dá)到了規(guī)范要求。因此采用速度鎖定器來降低鋼軌受力的這一工程措施是有效的。

3.4橋梁墩臺受力對比

由于設(shè)置LUD后，只有在制動力工況下才能發(fā)揮作用。我們需要對比的就是在制動力工況下，鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器和速度鎖定器這兩種設(shè)備，橋梁墩臺的受力變化。計(jì)算結(jié)果如表5。

表5　分別鋪設(shè)兩種設(shè)備情況下的墩臺受力（單位：kN）

鋪設(shè)速度鎖定器情況下，#7號墩臺變?yōu)楣潭ǘ粘惺芸v向力，從而分擔(dān)了#8號墩臺的縱向力，使得結(jié)構(gòu)的受力更均勻。這種情況對橋梁設(shè)計(jì)更有利。

4　結(jié)論

（1）通過工程實(shí)例應(yīng)用表明，速度鎖定器在制動力工況下，能降低鋼軌制動應(yīng)力。

（2）速度鎖定器能使橋梁活動墩在制動力工況下變成固定墩，從而分散墩臺受力，使得結(jié)構(gòu)的受力更均勻。

（3）當(dāng)無縫線路計(jì)算不能滿足規(guī)范要求，我們可以采用速度鎖定器（當(dāng)通過計(jì)算可以滿足規(guī)范要求時(shí)）而不用伸縮調(diào)節(jié)器，這樣可以免除鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器，而為工程施工減少了成本和施工難度，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)維修帶來便利。

[1]廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].北京：中國鐵道出版社，2010：193.

[2]鐵道部.TB10015-2012鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2013：35-36.

[3]許明杰，唐璐，韓鵬飛，等.一種速度鎖定器在抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2011（03）：307.

[4]余小華，竇勝譚.速度鎖定器在橋梁抗震中的有限元模擬[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015（2）：57.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Analysis on Impact of Lock-Up-Device on Bridge CWR Track

The bridges CWR tracks are different from that of roadbeds,besides temperature stress,the additional longitudinal forces are also exerting influences on the steel rails,especially for the bridges with remarkable temperature span,the additional longitudinal forces are even more complex and larger.Based on the analysis theory of interaction between the beam and the steel rails,it is concluded that the application of lock-up-device can reduce the longitudinal force of steel rails.The feasibility and efficiency of lock-up-device are proved through practical cases.

bridge CWR tracks;LUD;longitudinal forces;dynamic bending stress;steel rail stress;steel rail allowable bearing stress

U213.2

A

1671-9107（2015）07-0038-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.07.038

2015-06-10

方利（1985-），女，四川成都人，碩士研究生，工程師，從事軌道工程研究。