三跨簡支梁橋上無縫線路縱向力計算分析

張震

摘要：為研究32m跨徑簡支梁橋軌道以及橋梁縱向受力特性，通過有限元法、梁軌相互作用相關(guān)理論，采用線-橋-墩一體化空間有限元模型，以某三跨32m跨徑簡支梁為例，利用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，對簡支梁橋上無縫線路縱向力，包括伸縮力、撓曲力、制動力及梁軌位移進(jìn)行計算，分析梁軌之間相互影響的作用及縱向力變化的規(guī)律。

Abstract： In order to study the longitudinal force characteristics of the 32m span simply supported beam bridge and the bridge， the finite element method and the theory of beam-rail interaction are used to adopt the line-bridge-dock integrated space finite element model to simplify the three-span 32m span. Taking the beam as an example， the finite element model is established by the finite element software ANSYS. The longitudinal force of the seamless line on the simply supported beam bridge， including the telescopic force， the flexing force， the braking force and the beam-rail displacement， is calculated.Analyze the interaction between the beam and the track and the law of the longitudinal force change.

關(guān)鍵詞：簡支梁橋;橋上無縫線路;梁軌相互作用;ANSYS

Key words： simply supported bridge;CWR on bridge;girder rail interaction;ANSYS

中圖分類號：U213.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）29-0197-03

0? 引言

橋上無縫線路主要研究線路與橋梁的縱向相互作用機(jī)理及軌道、橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證軌道及橋梁結(jié)構(gòu)在溫度、列車荷載作用下滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求[1]。本文以某高速鐵路三跨簡支梁為例，利用有限元軟件對其進(jìn)行計算分析，分析了列車荷載、制動力、伸縮力對梁軌系統(tǒng)的影響，為高速鐵路橋梁鋪設(shè)無縫線路的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1? 計算原理及方法

1.1 梁軌相互作用原理? 由于溫度的變化或列車荷載的作用，橋梁與鋼軌之間產(chǎn)生相對位移[2]。梁軌相互作用原理，是求得鋼軌縱向力與位移分布、墩臺受力和墩頂位移的關(guān)鍵，從而進(jìn)行橋上無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)[3]。

1.2 計算方法? 橋上無縫線路縱向力包括伸縮力、撓曲力、制動力和斷軌力[4]。本文利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元建模，對橋上無縫線路進(jìn)行計算分析。利用ANSYS軟件中Beam188單元模擬橋梁，用非線性彈簧單元模擬道床縱向阻力和扣件，全橋共3跨，每跨32m，按實際鋼軌間距0.5m劃分單元。

1.3 計算模型? 橋上無縫線路縱向力分析可以采用圖1所示的線-橋-墩一體化的有限元模型進(jìn)行計算。該模型將扣件及道床阻力特征采用非線性彈簧單元，橋梁下部縱向剛度采用線形彈簧單元[5]。在建立三跨32m跨徑簡支箱梁計算模型時，為了消除邊界條件對于簡支梁橋上無縫線路縱向力和位移計算的影響，考慮該簡支梁橋兩端路基100m范圍以內(nèi)的鋼軌及扣件。

1.4 模型計算基本假設(shè)? ①伸縮力、撓曲力、制動力分開計算，不考慮相互疊加時的影響。②計算伸縮附加力時，根據(jù)規(guī)范，本文取混凝土橋梁升溫為15攝氏度。③橋梁墩臺縱向水平剛度假定為線形，計算時不考慮固定支座縱向剛度的影響[6]。

2? 模型計算分析

2.1 計算參數(shù)? 本文以3跨32m簡支梁為例，支座采用“固定-活動-固定-活動”形式布置，固定支座全部設(shè)置在梁的左端，活動支座全部設(shè)置在梁的右端，建立空間結(jié)構(gòu)模型對其進(jìn)行縱向力計算分析。

我國無縫線路普遍采用的鋼軌類型為CHN60型，其基本參數(shù)見表1。

我國鐵路橋梁常用32m跨徑簡支箱梁橋，本文以3跨32m簡支梁箱梁作為研究對象，梁體參數(shù)見表2。

根據(jù)《暫規(guī)》，跨度32m和40m梁的墩臺縱向水平線剛度最小限值為400kN/cm和700kN/cm。考慮上述因素，本文墩臺剛度取值見表3。

2.2 伸縮力計算結(jié)果? 鋼軌伸縮力計算時，混凝土有砟橋梁溫度變化為15℃。鋼軌縱向位移如圖2所示，梁軌相對位移如圖4所示，伸縮力結(jié)果如圖5所示。

由計算結(jié)果可知，鋼軌伸縮位移在橋梁中部最大，最大值為2.12mm，最大梁軌相對位移為3.9mm，鋼軌伸縮附加力在橋梁兩端橋臺處較大，在橋梁中部較小，最大值為108kN。

2.3 撓曲力計算結(jié)果? 列車通過橋梁時，梁體發(fā)生撓曲變形。通過本文的計算可以得到，鋼軌最大撓曲力為202kN，鋼軌最大縱向位移為2.68mm，梁軌相對位移最大為4.5mm。

2.4 制動力計算結(jié)果? ?列車在橋上制動時，鋼軌頂面將產(chǎn)生制動作用力，從而使梁和鋼軌軌產(chǎn)生相對位移，形成梁軌縱向作用力相互影響系統(tǒng)。本文計算制動力時，分為右入橋和左入橋兩種形式，結(jié)果如圖9、圖10，鋼軌最大位移為5.38mm，發(fā)生在橋梁中部位置，右入橋形式下鋼軌最大制動力為163.5kN，最大制動力出現(xiàn)在二號橋墩，左入橋形式下最大制動力為162.6kN，發(fā)生在一號橋墩。

3? 結(jié)論

以某高速鐵路3跨32m簡支梁為例，使用ANSYS建立模型計算橋上無縫線路縱向力，包括伸縮力、制動力、撓曲力，得到了高速鐵路3跨32m簡支梁橋上無縫線路縱向力，以及梁軌相對位移的變化規(guī)律。①鋼軌的伸縮附加力最大值發(fā)生在0號橋臺處，溫度荷載作用下，橋跨體系兩端的伸縮力較大，越往中間跨，伸縮力越小。②三跨簡支梁橋中，橋臺剛度對第一跨支座力、以及設(shè)固定支座一端橋臺的鋼軌受到的縱向力影響較大，對其它各跨支座、以及設(shè)活動支座的另一側(cè)橋臺附近的縱向力影響較小。③制動力的最大值較大，所以，制動荷載是影響縱向力大小的一個重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]王平.高速鐵路橋上無縫線路技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

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

[3]黎國清.高速鐵路橋上無縫線路附加力研究[J].中國鐵道科學(xué)，1997，18（3）：15-23.

[4]TB10015-2012，鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范[S].

[5]高應(yīng)安.連續(xù)梁橋無縫線路計算分析[J].鐵道建筑，2005（11）：18-20.

[6]余江.高速鐵路橋上無縫線路縱向附加力分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[7]馬駿.56m大跨度簡支梁結(jié)構(gòu)分析[J].價值工程，2018，37（24）：120-122.