簡支梁橋上板式無砟軌道伸縮力影響因素分析★

肖 劍

(中國鐵路南昌局集團有限公司福州工務段，福建 福州 350013)

橋上無砟軌道無縫線路不同于一般路基上的無縫線路，橋梁結構因溫度變化會發生伸縮變形，使得橋上無縫線路除受來自車輪的輪軌力外，還將受到梁伸縮變形引起的附加伸縮力。

國內外學者對橋上無縫線路縱向力進行了一些試驗測定與理論計算[1-6]。戴公連[7]等研究了30 t軸重重載鐵路簡支梁橋上無縫線路在溫度和活載作用下縱向力和墩臺水平力分布規律；陳揚[8]計算了列車荷載作用下簡支梁橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道結構縱向力與位移；蔡敦錦、顏樂等[9]建立了線—橋—墩一體化橋上無縫線路有限元模型，并分析了鋼軌附加伸縮力的作用規律及相關參數對伸縮力的影響；劉婷林、代先星等[10]計算分析了高墩大跨橋梁橋墩受到縱、橫向溫度梯度荷載時鋼軌的縱向力；劉浩、魏賢奎等[11]以多跨簡支梁為例，分析了常阻力、雙線性和冪指數型等不同形式的線路阻力對鋼軌伸縮力的影響。橋上板式無砟軌道附加伸縮力作為梁軌相互作用原理中的重要計算荷載，也是橋上無縫線路附加力的重要組成部分。因此，隨著我國高速鐵路的快速發展，開展橋上無砟軌道在溫度荷載作用下的梁軌相互作用規律研究具有重要工程意義。

本文基于梁軌相互作用原理，運用有限元法建立了多跨簡支梁橋板式無砟軌道線—板—橋—墩一體化空間整體有限元模型，該模型充分考慮了軌道結構、梁體、墩臺的整體性，力求更好的反映出梁軌間的實際受力情況。計算在梁體溫度荷載作用下的鋼軌附加伸縮力與縱向位移，并對橋梁跨數、墩頂固定支座縱向水平線剛度以及扣件縱向阻力等因素的影響規律進行了計算分析。其研究結果可供橋上板式無砟軌道的設計及運營安全參考。

1 有限元模型與基本參數

1.1 基本假設

1)計算附加伸縮力、縱向位移時不考慮相互疊加的作用。

2)假定固定支座能完全阻止梁產生的位移，不考慮活動支座的摩阻力。

3)將固定支座墩臺頂縱向水平線剛度考慮為線性的。

1.2 模型參數

本文結合簡支梁橋上板式無砟軌道實際情況，建立了線—板—橋—墩一體化的雙線簡支梁橋空間整體有限元模型。采用梁單元模擬鋼軌、梁體和墩臺；非線性彈簧單元模擬扣件的縱向阻力；線性彈簧單元模擬扣件橫、垂向剛度和固定支座墩臺頂縱向剛度；最后在兩側路基末端對鋼軌進行約束。

1)采用CHN60標準鋼軌，橋跨32 m，按實際扣件間距0.64 m劃分單元，在鋼軌和軌道板上表面每一扣件位置均分別建立三個彈簧單元，采用彈簧—阻尼器單元模擬扣件橫、垂向剛度和非線性彈簧單元來模擬扣件的縱向阻力。本文中橋上無縫線路采用小阻力扣件縱向阻力模型，有載下扣件阻力取10 kN/(m·軌)，無載下扣件阻力取為6.5 kN/(m·軌)，橋梁兩側路基段采用常阻力扣件，取15 kN/(m·軌)。

2)本文采用的5跨簡支梁橋上板式無砟軌道無縫線路空間耦合模型如圖1所示，模型兩端分別建了64 m的路基段對無縫線路進行約束。其中，鋼軌附加伸縮力圖及縱向位移圖中的鋼軌坐標均代表鋼軌離左側橋臺的距離(下同)。

2 溫度荷載下附加伸縮力與位移計算

本節在計算時，荷載工況僅考慮梁體升溫情況，梁溫差Δt分別取10 ℃,20 ℃,30 ℃,40 ℃ 4種工況，分析梁體溫度變化對鋼軌附加伸縮力及位移的影響。

2.1 鋼軌附加伸縮力計算結果分析

鋼軌附加伸縮力如圖2所示，圖2中正值代表拉力、負值代表壓力(下同)；不同溫度荷載作用下鋼軌附加伸縮力最大值的計算結果如表1所示。

表1 不同溫度荷載下鋼軌附加伸縮力最大值

溫度/℃10203040最大伸縮力/kN208319393448

由圖2及表1可知，根據溫度荷載的對稱性，雙線4股鋼軌附加伸縮力都相同，所以取其中一股鋼軌的附加伸縮力分析可得：鋼軌伸縮力在橋梁兩端的橋臺處最大，橋梁中部最小；隨著梁溫差的增大，鋼軌的伸縮力也逐漸增大，但增加的幅度在減小。

2.2 鋼軌縱向位移計算結果分析

鋼軌縱向位移如圖3所示，其中正值代表拉伸變形、負值代表壓縮變形(下同)；不同溫度荷載作用下的鋼軌縱向位移最大值的計算結果如表2所示。

表2 不同溫度荷載下鋼軌縱向位移最大值

溫度/℃10203040最大縱向位移/mm1．192．082．813．45

由圖3及表2可知，鋼軌縱向位移呈先增后減的趨勢，并在兩側路基段逐漸減小至零；縱向位移表現為拉伸變形，且位移峰值出現在橋梁中部處；隨著梁體溫差的逐漸增大，鋼軌的縱向位移也逐漸增大。

3 影響因素分析

伸縮力的大小與許多因素有關，本文針對橋梁跨數、墩頂固定支座水平線剛度以及扣件縱向阻力三種因素，在單線全橋梁體溫度荷載作用下分析這三種因素對橋上板式無砟軌道鋼軌附加伸縮力與位移的影響，溫度荷載工況取Δt=20 ℃。

3.1 橋梁跨數的影響

為研究在溫度荷載作用下不同橋梁跨數對鋼軌附加伸縮力與位移的影響，本節采用3跨、5跨、7跨及10跨四種布跨工況，在單線溫度荷載作用下計算鋼軌的附加伸縮力及位移，并提取計算數據繪制圖形進行對比分析。

采用不同橋梁跨數時鋼軌附加伸縮力及縱向位移如圖4和圖5所示，其計算結果最大值如表3所示。

表3 不同工況下鋼軌附加伸縮力與縱向位移最大值(一)

橋跨數35710鋼軌最大附加伸縮力/kN267319335342鋼軌最大縱向位移/mm1．392．082．542．91

由圖4，圖5及表3可知，溫度荷載作用下，隨著橋梁跨數的增加，鋼軌附加伸縮力和鋼軌縱向位移也逐漸增大；其中，橋梁跨數對鋼軌縱向位移最大值影響明顯。

3.2 墩頂固定支座水平線剛度的影響

以5×32 m簡支梁橋為例，本節橋臺固定端縱向剛度均為5 000 kN/cm,橋墩固定端縱向剛度分別為1 000 kN/cm,2 000 kN/cm,3 000 kN/cm,4 000 kN/cm共四種工況；并在單線梁體溫度荷載作用下計算鋼軌的附加伸縮力及位移，并提取計算數據繪制圖形進行對比分析，橋墩頂固定支座采用不同水平線剛度時鋼軌附加伸縮力與縱向位移如圖6和圖7所示，其計算結果最大值如表4所示。

表4 不同工況下鋼軌附加伸縮力與縱向位移最大值(二)

橋墩剛度/kN·cm-11000200030004000鋼軌最大附加伸縮力/kN319339347351鋼軌最大縱向位移/mm2．082．322．422．48

由圖6，圖7及表4可知，在溫度荷載作用下，墩頂縱向水平線剛度對鋼軌的附加伸縮力影響不大，但對鋼軌縱向位移在一定范圍內有較大影響；隨著墩頂固定水平線剛度的增大，鋼軌縱向位移均隨之增大，但增幅不明顯。

3.3 扣件縱向阻力的影響

以5×32 m簡支梁橋為例，本節橋上扣件縱向阻力分別取5 kN/(m·軌)，7 kN/(m·軌)，11 kN/(m·軌)，15 kN/(m·軌)及20 kN/(m·軌)共五種工況，在單線梁體溫度荷載作用下計算鋼軌的附加伸縮力及縱向位移，并提取計算數據繪制圖形進行對比分析。

橋上采用不同縱向阻力的扣件時鋼軌附加伸縮力及縱向位移如圖8和圖9所示，其計算結果最大值如表5所示。

表5 不同工況下鋼軌附加伸縮力與縱向位移最大值(三)

扣件阻力/kN·m-157111520鋼軌最大附加伸縮力/kN236319398496576鋼軌最大縱向位移/mm1．852．082．232．372．48

由圖8，圖9及表5可知，溫度荷載作用下扣件縱向阻力對鋼軌縱向力及位移有較大的影響，隨著扣件縱向阻力的增大，鋼軌的附加伸縮力和縱向位移也隨之增大，且增幅明顯。

4 結論與建議

本文建立了多跨簡支梁橋上板式無砟軌道無縫線路整橋雙線空間耦合有限元模型，計算了梁體溫度荷載作用下的鋼軌附加伸縮力與縱向位移，并分析了橋梁跨數、墩頂固定支座縱向水平線剛度以及扣件縱向阻力等因素的影響規律，得出以下幾點結論：

1)在梁體溫度荷載作用下，鋼軌附加伸縮力在左側橋臺和右側橋臺處分別達到拉力和壓力的最大值；隨著梁溫差的增大，鋼軌的伸縮力也逐漸增大。其縱向位移先遞增后減小，并在兩側路基段逐漸減小至零；隨著梁體溫差的逐漸增大，縱向位移也逐漸增大。

2)橋梁跨數對橋上鋼軌附加伸縮力及縱向位移有較大影響。隨著橋梁跨數的增加，鋼軌附加伸縮力和鋼軌縱向位移也逐漸增大。其中，橋梁跨數對鋼軌縱向位移最大值影響明顯。

3)梁體溫度荷載作用下，墩頂縱向水平線剛度對鋼軌的附加伸縮力影響不大，對鋼軌縱向位移在一定范圍內有較大影響；隨著墩頂固定水平線剛度的增大，鋼軌縱向位移均隨之增大。

4)梁體溫度荷載作用下扣件縱向阻力對鋼軌附加伸縮力及位移有較大的影響，隨著扣件縱向阻力的增大，鋼軌的附加伸縮力和縱向位移也隨之增大，且增幅明顯。因此，采用小阻力扣件對橋上鋼軌受力與變形是有利的。

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