不同列車荷載下簡支梁橋參數對橋上無縫線路縱向力影響分析

滕明智，郝浩業，葉秋杰

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

相比于路基上的無縫線路，橋上無縫線路涉及到橋梁與軌道的相互作用，而引起縱向附加力。我國的學者對橋上無縫線路的縱向力進行了大量研究，基本形成了成熟的縱向力計算理論與方法，唐樂等對連續梁橋上無縫線路伸縮附加力進行了計算研究[1]；徐慶元等對高速鐵路橋上無縫線路縱向附加力進行了研究[2]；陳鵬等對連續梁橋上無縫線路附加縱向力的變化規律問題做了研究[3]；蔡敦錦等分析了橋梁參數對橋上無縫線路伸縮力的影響[4]；徐浩等分析了橋墩縱向水平剛度對簡支梁橋橋上無縫線路的影響[5]。以往的研究關于列車荷載大多采用中—活載，而中—活載與新發布《鐵路列車荷載圖式》存在一定的差異，列車荷載主要與橋上無縫線路撓曲力、制動力的計算直接相關，朱彬分析了列車荷載圖式對橋上無縫線路縱向力的影響，并與中—活載的計算結果進行對比[6]，但未考慮橋梁參數的影響，因此有必要進一步研究不同列車荷載作用下的縱向力分布規律以及橋梁參數對縱向力的影響。

本文利用Ansys有限元軟件建立線-橋-墩一體化橋上無縫線路計算模型，根據不同列車荷載圖式，以5×32m簡支梁橋為例，計算分析無縫線路撓曲力和制動力的變化規律，并分析橋梁跨度、橋墩縱向水平剛度對撓曲力和制動力的影響，為采用新的荷載圖式進行無縫線路縱向力計算提供支持。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

采用Ansys有限元軟件，在滿足工程的前提下，通過一定的簡化處理，建立的線-橋-墩一體化橋上無縫線路計算模型[7]如圖1所示。

1.2 基本計算參數

以直線上5×32m鋼筋混凝土簡支梁橋為例，固定支座位于簡支梁左側，如圖2所示。

圖2 簡支梁布置

鋼軌采用60kg/m鋼軌，橋上均鋪設有砟軌道，采用Ⅲ型混凝土軌枕，線路阻力按圖3取值。

圖3 Ⅲ型混凝土軌枕道床縱向阻力

橋臺的縱向水平剛度為1 500kN/cm·單線，橋墩縱向水平剛度為220kN/cm·單線。計算中為消除邊界效應，保證橋上無縫線路處于固定區，簡支梁橋兩端的路基長度取為120m[8]。

1.3 列車荷載計算參數

以往根據TB1002.1-2005《鐵路橋涵設計基本規范》鐵路列車豎向靜活載必須采用中華人民共和國鐵路標準活載，即“中—活載”(圖4)。

圖4 中—活載圖示

根據新發布的TB10002-2017《鐵路橋涵設計規范》鐵路橋涵結構設計采用的列車荷載標準應符合《鐵路列車荷載圖示》的規定。高速鐵路采用ZK標準活載(圖5)；城際鐵路采用ZC標準活載(圖6)；客貨共線鐵路采用ZKH標準活載(圖7)。

圖5 ZK活載標準活載計算圖式

圖6 ZC活載標準活載計算圖式

圖7 ZKH活載標準活載計算圖式

2 縱向力分布規律

2.1 撓曲力分布規律

中—活載入橋類型為從左至右，ZK、ZC、ZKH活載按中間4軸動車荷載及兩側對稱拖車荷載考慮，荷載作用范圍為第一、二跨簡支梁滿載。不同荷載類型下鋼軌撓曲力如圖8所示。

圖8 鋼軌撓曲力

由圖8中可以看出，在不同類型列車荷載作用下簡支梁上鋼軌撓曲力分布規律相同，在左橋臺處鋼軌承受最大撓曲拉力，在滿載的第二跨簡支梁中部鋼軌承受最大撓曲壓力。由于ZKH活載量值較大，在其作用下橋上無縫線路撓曲力計算結果大于中—活載，因此采用《鐵路列車荷載圖式》計算結果更安全。

2.2 制動力分布規律

荷載入橋類型為從左至右，作用于鋼軌上的制動力方向也是從左至右，荷載作用范圍全橋簡支梁滿載，計算得到的鋼軌制動力如圖9所示。

圖9 鋼軌制動力

由圖9可以看出，全橋鋼軌承受從左至右的列車制動荷載時，帶動各跨橋梁發生向右的縱向位移，在右橋臺附近鋼軌制動壓力最大，在左橋臺及第一跨簡支梁梁縫處鋼軌制動拉力最大。

3 橋梁跨度的影響

3.1 橋梁跨度對撓曲力的影響

假設簡支梁橋跨度從24m變化至64m，其他參數不變，不同荷載類型下鋼軌最大撓曲壓力隨橋梁跨度的變化如圖10所示。

圖10 簡支梁橋鋼軌撓曲力隨跨度的變化

從圖10中可見，不同類型荷載下，簡支梁橋上鋼軌撓曲力隨橋梁跨度的增加而近似呈線性增加，說明橋梁跨度是影響橋上無縫線路撓曲力極為重要的因素。中—活載作用下撓曲壓力較大，ZKH活載作用下撓曲拉力較大。

3.2 橋梁跨度對制動力的影響

假設簡支梁橋跨度從24m變化至64m，其他參數不變，不同荷載類型下鋼軌最大制動壓力隨橋梁跨度的變化如圖11所示。

圖11 簡支梁橋鋼軌制動力隨跨度的變化

從圖11中可見，不同類型荷載下，因為加載長度的改變，簡支梁橋上鋼軌撓曲力隨橋梁跨度的增加而近似呈線性增加。

4 橋墩縱向剛度的影響

4.1 橋墩縱向剛度對撓曲力的影響

隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的變化，簡支梁橋上鋼軌最大撓曲壓力、拉力的變化見表1。

表1 墩臺縱向水平剛度對撓曲力的影響 kN

由表1可以看出，隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的增大，簡支梁上的鋼軌撓曲力也隨之增大，采用剛性墩比彈性墩撓曲力大，因此在檢算時采用剛性墩更安全。

4.2 橋墩縱向剛度對制動力的影響

隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的變化，簡支梁橋上鋼軌最大制動壓力、拉力的變化見表2。

由表2可以看出，隨著橋墩縱向水平剛度的增大，簡支梁上的鋼軌制動力隨之減小，且橋墩縱向水平剛度對鋼軌受力影響較大。

5 結論

(1)在ZK、ZC、ZKH活載作用下簡支梁橋上鋼軌撓曲力、制動力分布規律與中—活載相同，但ZKH活載作用下計算結果大于中—活載，因此采用《鐵路列車荷載圖式》計算結果更安全。

(2)鋼軌撓曲力、制動力隨橋梁跨度的增加近似呈線性增加，ZKH活載與中—活載作用下計算結果較接近，但ZKH活載作用下拉力較大，中—活載作用下壓力較大。

表2 墩臺縱向水平剛度對制動力的影響 kN

(3)隨著橋墩縱向水平剛度的增大，鋼軌的撓曲力隨之增大，剛性墩比彈性墩撓曲力大，計算時采用剛性墩更安全；而鋼軌制動力隨橋墩縱向水平剛度的增加而減小，在計算鋼軌制動力時應按TB10015-2012《鐵路無縫線路設計規范》的最小剛度進行取值。