高速鐵路64m 簡支梁橋上長鋼軌縱向力分析

婁徐瑞利

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作454000）

在溫度、豎向活載、列車制動等荷載作用下，橋梁與長鋼軌無縫線路之間存在著相對位移，由于鋼軌和橋梁之間的非線性約束，導致橋梁和鋼軌承受著非線性縱向力，即所謂橋上無縫線路縱向力問題。國內外學者已針對該問題進行了廣泛的探討，并取得了豐碩的研究成果[1-3]。本文在前人研究基礎上，采用非線性彈簧模擬線路縱向阻力，采用魚骨刺模型模擬橋梁，建立了(4-32+64+3-32)m 多跨長聯簡支梁橋與雙線軌道相互作用的有限元模型，分析了長鋼軌伸縮力、撓曲力、制動力的分布規律；采用考慮加載歷史的分析方法[4]，探討了溫度和豎向活載、溫度和制撓力的耦合作用。

1 多跨長聯簡支梁- 雙線軌道有限元模型

橋上采用雙線無砟軌道，基于規范[2]建議的線路縱向阻力理想彈塑性模型：

式中，線路縱向阻力r 單位為kN/m/軌，梁軌相對位移x 單位為mm。橋梁范圍外各建立100m 路基上的鋼軌[5]。

采用魚骨刺模型模擬橋梁，橋梁形式為64m 雙箱雙室預應力混凝土簡支箱梁。

64m 簡支梁橋左側建立4 跨32m 簡支梁橋，右側建立3 跨32m 簡支梁橋，支座布置及墩臺編號如圖1 所示。

圖1 橋梁布置形式

下部結構縱向剛度取值參考規范[2]取為800kN/cm、橋臺取為3000kN/cm。

在計算伸縮力時，按梁體升溫15℃計[2]。

在計算撓曲力時，取ZK 荷載，加載范圍取為300m，加載步長取為5m。在計算制動力時，參照文獻[3]將制動力率偏安全地取為0.25，加載步長取為5m，并考慮一側路基。

2 伸縮力

假設梁體升溫15℃，橋上長鋼軌縱向力及墩頂水平力分布見圖2。

圖2 伸縮力計算結果

從圖2 可以看出，鋼軌伸縮力在橋梁墩臺處存在應力極值。由于64m 簡支梁溫度跨度較大，其附近梁端處鋼軌應力也較大，數值可增大至30.3MPa。其中，鋼軌拉應力增幅超過2 倍。除設置固定支座的橋臺處外，其他墩臺受力相對較為均衡，但64m簡支梁制動墩墩頂水平力有近2 倍的增幅，達到250.1kN。鋼軌應力各跨簡支梁相接處存在較大壓應力，在各跨簡支梁跨中附近存在較大壓應力。

3 撓曲力

豎向活載按均布荷載計，加載長度300m，加載步長取為5m，從左向右加載，其鋼軌軸向應力包絡及墩頂水平力如圖3所示。

圖3 撓曲力計算結果

由圖3 可知，64m 簡支梁的存在導致鋼軌撓曲力有較大增幅，達到11.2MPa（拉）和8.3MPa（壓），但撓曲力整體水平較低，對鋼軌應力影響較小。

64m 簡支梁制動墩（5 號墩）墩頂水平力也有較大幅度的增加，超過固定支座橋臺，達到82.3kN。

4 制動力

設列車制動力率為0.25，列車從橋梁左側進入橋梁并開始制動，加載范圍取為300m，加載步長取為5m，計算鋼軌應力包絡、墩頂水平力最值及梁軌相對位移，見圖4。

圖4 制動力計算結果

從圖4 可以看出在橋梁墩臺處均存在較大的鋼軌制動力峰值，最大壓應力出現在64m 簡支梁制動墩處及固定支座橋臺附近，達24.1MPa。由于64m 簡支梁的存在，導致5 號和6 號墩受力相對較大，其數值與制動橋臺相近，超過550kN。

5 溫度與撓曲耦合效應

采用考慮加載歷史的無縫線路縱向力迭代公式[2]，計算梁體在分別升溫和降溫15℃后，列車從橋上經過的情況，見圖5。

圖5 溫度與撓曲耦合效應計算結果

與圖2 對比，可以看出，溫度與撓曲耦合作用條件下，其鋼軌最大應力為30.1MPa（拉）和30.2MPa（壓），與僅考慮伸縮力的28.2MPa（拉）和30.1MPa（壓）相比，并未出現較大的增幅。這表明溫度與撓曲作用并非簡單的線性疊加關系，且鋼軌伸縮力為主要控制性荷載。升降溫對64m 簡支梁制動墩所受水平力有一定影響，影響幅度約為30%，對其他墩影響較小。

6 溫度與制撓力耦合作用

考慮梁體在分別發生升溫和降溫15℃后，列車從橋梁左端進入橋梁范圍并進行制動的情況，計算結果見圖6。

圖6 溫度與制撓力耦合效應計算結果

與圖4 對比，可以看出，溫度與制撓力耦合作用條件下，鋼軌應力峰值出現在活動支座橋臺附近。初始溫度升高與降低與否對鋼軌應力的分布影響顯著。降溫條件下，鋼軌軸向拉應力超過45.2MPa。初始溫度升高或降低顯著影響橋臺和64m 簡支梁制動墩的墩頂水平力。5 號制動墩墩頂水平力峰值超過850kN。

7 結論

為探討高速鐵路64m 簡支梁橋與軌道相互作用規律，以(4-32+64+3-32)m 多跨長聯簡支梁橋為例，分析了多跨長聯簡支梁橋上長鋼軌縱向力的分布規律，探討了初始溫度與撓曲力和制撓力的耦合效應，主要結論包括：

7.1 鋼軌伸縮力、撓曲力和制動力峰值均出現在橋梁相接處和橋臺處。其中，伸縮力和制動力是主要控制性荷載。

7.2 由于64m 簡支梁橋溫度跨度較大，其附近的鋼軌應力和制動墩頂水平力均有較大的增加。

7.3 初始溫度荷載對鋼軌應力最大值影響顯著，其中溫度與撓曲力組合下，以溫度影響為主。

7.4 考慮初始溫度后，鋼軌制撓力、64m 簡支梁制動墩頂水平力出現較大的增幅，在設計時應予以注意。