鐵路斜拉橋上無縫線路縱向附加力三維有限元分析

蘇 尚 旭

(北京城建設計發展集團股份有限公司武漢分院，湖北 武漢　430000)

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鐵路斜拉橋上無縫線路縱向附加力三維有限元分析

蘇 尚 旭

(北京城建設計發展集團股份有限公司武漢分院，湖北 武漢430000)

以某一鐵路斜拉橋為例，建立了斜索、橋塔、軌道、橋梁、墩臺、基礎為一體的三維有限元模型，并采用該模型分析了斜拉橋鋪設無縫線路后鋼軌縱向附加力分布規律，對無縫線路在斜拉橋上的鋪設研究有重要的意義。

斜拉橋，無縫線路，縱向附加力，有限元模型

橋上無縫線路與路基上的不同，其鋼軌除了承受溫度力作用以外，還承受橋上縱向附加力作用，包括伸縮力、撓曲力與斷軌力等。計算這些附加力是檢算軌道結構與橋梁墩臺強度、穩定性的前提[1]。另外，不同于其他形式的橋梁，斜拉橋上無縫線路有著和其本身結構密切相關的一些特點：1)斜拉橋上無縫線路設計中進行梁軌相互作用分析時，需要考慮斜拉橋結構體系的特點。斜拉橋上部結構由梁、索、塔三類構件組成。斜拉橋是自錨體系，拉索承受巨大拉力，拉索的水平分力使主梁受壓，塔、梁均為壓彎構件。2)斜拉橋是柔性結構，斜索的垂度問題在斜拉橋的非線性分析中是必須要考慮的。由于斜索有一定的垂度，故其彈性模量有所損失。在實際計算中可以用等效彈性模量來模擬斜索，這樣可以直接將非線性問題轉化為線性問題考慮。

國內鐵路斜拉橋上無縫線路縱向附加力計算目前較多借助通用有限元軟件進行分析，計算模型亦多采用平面有限元模型。將多股鋼軌疊合為一股，但依據《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定》規定，低溫時鋼軌假定只折斷一股，平面有限元模型就難以模擬這一工況，因此有必要將鋼軌分開模擬，更加貼合實際工程。

在相關文獻[2]的基礎上，本文采用有限元軟件，結合實際工程，建立考慮兩股鋼軌的空間模型，并對該模型下的橋梁附加力進行計算，通過與平面模型的對比，分析斜拉橋附加力受力特點，給從事相關研究工作的人員提供一定的參考。

1　斜拉橋上無縫線路縱向附加力計算模型

本模型中，對斜拉橋進行簡化處理，在遵循梁軌相互作用原理的條件下，將橋梁、斜索、橋塔、軌道、支座、墩臺、基礎視為整體結構。

圖1　某鐵路斜拉橋上無縫線路縱向附加力計算三維有限元模型

兩股鋼軌在其實際空間位置分別用梁單位按實際軌枕間距離散；橋梁結構在截面中性軸位置，按照軌枕間距進行離散；用梁單位模擬橋塔；用桿單元模擬斜索；支座處伸出一豎向剛臂用于模擬橋梁下翼緣；在橋梁單元各節點處各伸出一橫向剛臂，在剛臂末端向上各伸出一豎向剛臂用于模擬上翼緣；線路縱向阻力采用彈簧單位模擬；對于橋梁固定支座考慮固接，不考慮其變形；對于板式、盆式橡膠支座根據其力學性能用彈簧單元模擬；橋墩用梁單元進行離散，橋頭路基各需考慮一段充分長的鎖定長度。將鋼軌模型、軌下基礎模型、橋梁模型、拉索模型、橋塔模型、支座模型與墩臺模型組裝起來，就可以得到斜拉橋上無縫線路縱向附加力計算模型。圖1為鐵路斜拉橋上無縫線路縱向附加力計算三維有限元模型。

2　斜拉橋上無縫線路縱向附加力計算分析

以某鐵路斜拉橋為例，主橋為預應力混凝土斜拉橋，跨度為48 m+96 m+48 m，結構形式為塔梁固結，塔墩分離，在6號墩設有固定支座。左邊引橋為2×24 m+3×32 m預應力混凝土簡支梁，支座布置為左固右活；右邊引橋為32 m+24 m預應力混凝土簡支梁，支座布置為左活右固。為適應鐵路提速要求，將原普通線路鋪設為溫度應力式無縫線路。

2.1伸縮力

本文模型伸縮力計算結果見圖2，伸縮力工況下的梁軌位移見圖3。

圖2　單股鋼軌伸縮力(梁體降溫15 ℃)

圖3　計算伸縮力時梁軌位移(梁體降溫15 ℃)

根據計算結果顯示，伸縮力計算結果為352 kN,與平面模型(352 kN)相比，相對誤差為0.3%，可見，相同工況條件下，空間位置對其伸縮力幾乎無影響，與伸縮力計算原理相符。

2.2撓曲力

撓曲力計算工況較多，選擇有代表性工況作說明。采取主橋連續梁全橋加載。撓曲力結果見圖4，撓曲力工況下梁軌位移圖見圖5。

根據計算結果顯示，撓曲力計算結果為143.1 kN,與平面模型(139.8 kN)相比，相對誤差為2.3%。可見，相同工況下，平面與空間模型對撓曲力影響較小，與撓曲力計算原理相符。

圖4　單股鋼軌撓曲力(全橋加載)

圖5　計算撓曲力時梁軌位移(全橋加載)

2.3斷軌力

為更貼合實際工程，考慮單股鋼軌發生斷軌的情況，本文模型斷軌力計算結果見圖6，伸縮力工況下的梁軌位移見圖7。

圖6　鋼軌斷軌力(本文模型)

根據計算結果顯示，空間模型下斷軌時鋼軌最大軸力計算結果為1 002 kN,與平面模型(983 kN)相比，相對誤差為2%,兩者相差不大。但空間模型斷縫為4.4 cm，平面有限元模型結果為5.0 cm，相差12%，誤差較大。本文模型在斷軌工況中，僅考慮單股鋼軌發生斷軌情況，另外一根鋼軌保持工作狀態，并受聯接制約，因此斷軌工況下，空間模型軌縫較小，但兩者相比，并未超限。

3　結語

本文采用有限元軟件，用梁單元、桿單元、彈簧單元、質量單元模擬斜索、橋塔、軌枕、橋梁、支座、墩臺、基礎，結合實際斜拉橋梁工程，建立縱向附加力計算三維有限元模型，通過與平面模型對比得出以下結論：

1)由于紅水河橋的自身跨度比較小，且斜纜垂度的非線性影響不超過1%，在建立模型時忽略考慮。斜拉橋作為加強型連續梁橋，其縱向力分布仍滿足一般連續梁橋上縱向附加力規律。

2)兩種模型對計算伸縮力與撓曲力不存在較大差異。

3)計算斷軌力時，鋼軌軸力變化較小，但軌縫相差12%，主要原因是兩者在發生斷軌時，考慮因素不同，平面模型受空間限制，考慮兩股鋼軌同時斷軌，而三維模型中，僅考慮單股斷軌，另一股鋼軌處于工作狀態，該工況更貼合實際工程，故空間模型下計算斷縫要小。故由此可知，平面模型計算偏于安全。

4) 斜拉橋鋼軌中的伸縮力很大，對軌道強度和穩定性會產生較大威脅，在無縫線路設計中，應把伸縮力計算作為一個控制因素。

[1]廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].第4版.北京:中國鐵道出版社，2005.

[2]徐慶元.高速鐵路橋上無縫線路縱向附加力三維有限元靜力與動力分析研究[D].長沙:中南大學，2005.

[3]鐵建函[2003]205，新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定[S].

[4]江萬紅,唐進鋒,張建,等.剛構橋上無縫線路縱向附加力三維有限元分析[J].四川建筑，2008(6)：146.

[5]陰存欣.鐵路橋梁縱向附加力的靜動力非線性分析與仿真研究[J].中國鐵道科學，2001(5)：95-97.

[6]徐慶元，陳秀方.連續梁橋上無縫線路附加力研究[J].中國鐵道科學，2003,24(3)：19-20.

3D finite element analysis of additional longitudinal force of jointless track on the railway cable-stayed bridge

Su Shangxu

(WuhanBranchInstitute,BeijingCityConstructionDesignandDevelopmentGroupCo.,Ltd,Wuhan430000,China)

Taking the railway cable-stayed bridge as an example, the paper establishes 3D finite element model by integrating with the cable, bridge tower, rail, bridge, pier and foundation, and analyzes additional longitudinal force distribution law of the steel rail track after paving jointless track on the cable-stayed bridge, which has significant meaning for studying the jointless track paving on the cable-stayed bridge.

cable-stayed bridge, jointless track, additional longitudinal force, finite element model.

1009-6825(2016)21-0177-02

2016-05-13

蘇尚旭(1988- )，男，碩士，助理工程師

U448.27

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