鐵路橋梁墩臺剛度對無縫線路的影響

蔡敦錦

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300140)

1 概述

在橋上鋪設無縫線路軌道結構時，鋼軌將同時承受溫度力與橋梁附加縱向力的共同作用。力的作用是相互的，這些附加在鋼軌上的縱向力也會反作用在梁跨上。每一簡支梁的跨梁一般由固定支座與活動支座支撐，活動支座受力后會通過移動釋放力，梁跨受到的力會傳遞到固定支座上，而固定支座與橋墩固結，最終鋼軌對梁跨的反作用力傳遞至橋墩。橋墩為豎向支撐，在其彈性受力范圍內，受到橫向力時會產(chǎn)生彈性變形，從而導致橋墩頂部向著受力方向發(fā)生縱向位移，橋墩頂部發(fā)生的縱向位移又會反過來對梁體縱向位移的分布產(chǎn)生影響[1-2]。橋梁墩臺縱向水平剛度一般定義為：橋梁墩臺上的支承墊石在受力時產(chǎn)生一個單位的縱向水平位移時所需要的縱向力的大小[3]。從橋梁與鋼軌相互之間作用的機理來看，墩臺縱向水平剛度對梁體縱向位移分布的影響比較顯著，這也必然會影響到鋼軌與橋梁所受到的縱向附加力[4-6]。因此，在進行橋上無縫線路設計時，應將其對橋上無縫線路縱向附加力的影響因素考慮進來。通過建立簡支梁及連續(xù)梁組合的橋上無縫線路計算模型，重點分析墩臺縱向水平剛度對鋼軌縱向附加力的影響。

2 計算背景

2.1 計算模型

基于橋上無縫線路橋梁與鋼軌間相互作用的機理及軌道結構與橋梁結構的受力特點，建立線路、橋梁、墩臺一體化計算模型[7-11]，以連續(xù)梁為例(如圖1所示)。計算時充分考慮了墩臺受力特性，認為線路縱向阻力采用彈簧單元來模擬較為合理(鋼軌與橋梁單元均采用梁單元進行模擬)。文獻[1，7，12]等均應用此模型進行了一系列無縫線路相關分析，證明了此模型的準確性與可靠性。

圖1 線橋墩一體化計算模型

2.2 計算參數(shù)

在本模型中，經(jīng)過合理簡化并充分考慮到實際的邊界情況，選取5跨32m簡支梁進行模擬計算，墩臺上的固定支座統(tǒng)一設置于簡支梁的左邊墩臺上，選用《時速250公里客運專線鐵路有砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁》(通橋(2008)2221A)通用圖設計中的通用梁體結構，梁體高度為2.8 m，橋臺縱向水平剛度取值為3 000 kN/cm(雙線)，橋墩縱向剛度取值為350 kN/cm(雙線)[12]；橋梁日溫差取15 ℃，線路縱向阻力依據(jù)《鐵路無縫線路設計規(guī)范》設計規(guī)定中的雙線性阻力形式[13]。連續(xù)梁計算模型為2×32 m簡支梁+(32+48+32) m連續(xù)梁+2×32 m簡支梁，模型中支座布置情況如圖2所示，連續(xù)梁模型中墩臺縱向水平剛度按1 000 kN/cm(雙線)計算，線路縱向阻力參數(shù)及橋梁日溫差參照簡支梁模型取值[14-15]。

圖2 橋梁支座布置

2.3 計算工況

分別選取橋墩縱向剛度基準的0.5倍、1倍、2倍、5倍及剛性5種工況進行計算，分析不同工況下鋼軌、墩臺的縱向力與鋼軌縱向位移的變化規(guī)律。

3 計算結果及分析

3.1 伸縮力計算

伸縮力計算時，不考慮軌面制動力及列車豎向荷載。橋梁在溫度作用下的伸縮位移以及設有伸縮調節(jié)器后的軌條伸縮位移為主動荷載，按單股鋼軌進行計算，橋梁兩端軌條伸入路基上的計算長度取150 m。

(1)墩臺剛度的影響

根據(jù)《鐵路無縫線路設計規(guī)范》計算鋼軌伸縮附加力時，有砟軌道結構時混凝土梁體溫度差為15 ℃。隨著墩臺縱向水平剛度的增加，橋上鋼軌的最大伸縮附加壓力與墩臺受到的縱向力變化情況如圖3所示。

圖3 鋼軌伸縮力、墩臺縱向力變化情況

兩種不同模型計算得出的橋上鋼軌最大伸縮壓力、墩臺所受最大縱向力及鋼軌發(fā)生最大伸縮位移變化值見表1。

由表1可知，鋼軌伸縮力、墩臺縱向力及鋼軌位移均隨著墩臺剛度的增大而增加(增加幅度均呈現(xiàn)不同程度的減緩)，墩臺縱向力與鋼軌位移隨墩臺水平剛度的變化相對鋼軌最大伸縮力的變化要平緩得多。從橋梁與鋼軌的相互作用機理來看，橋梁墩臺剛度越大，其受到鋼軌反作用力后位移變化值越??；越靠近固定支座的位置，橋梁與鋼軌位移相同點兩側受到的阻力之和也越大，導致此點鋼軌與橋梁所受的縱向阻力越大。

表1 墩臺剛度對伸縮力的影響

由此可看出，鋼軌伸縮附加力受橋梁墩臺縱向水平剛度影響較大；為保證鋼軌伸縮附加力的值在一定范圍內，橋梁墩臺的縱向水平剛度應通過詳細計算與試驗后合理選取，不宜過大。

(2)墩臺自身水平位移的影響

對于超高墩橋梁，比如墩高超過100 m時，大風、地震、甚至陽光的照射均可能導致墩頂?shù)目v向位移，該位移也是橋上無縫線路系統(tǒng)中線橋相互作用的主動力，可導致線-橋-墩系統(tǒng)內力的重分布。在圖2模型中，其他參數(shù)不變，考慮簡支梁與連續(xù)梁中間主跨橋墩分別發(fā)生0 mm、-2 mm、-4 mm、2 mm及4 mm位移5種工況下，利用模型計算鋼軌伸縮附加力、墩臺縱向力的變化，計算結果如圖4所示(規(guī)定橋墩縱向位移以向右為正)。

3.2 撓曲力計算

撓曲工況計算時，根據(jù)《鐵路無縫線路設計規(guī)范》規(guī)定，荷載類型取中-活載，入橋類型為從左至右，其余計算參數(shù)同前?？紤]剛性橋墩與彈性橋墩兩種情況，計算得到連續(xù)梁上鋼軌撓曲力的分布情況如圖4所示。

圖4 橋墩剛度對連續(xù)梁撓曲力的影響

隨著墩臺剛度的增加，簡支梁及連續(xù)梁上鋼軌承受的最大撓曲附加壓力、墩臺承受的最大縱向力、鋼軌承受的最大縱向位移的變化情況如表2所示。

表2 墩臺縱向水平剛度對撓曲力的影響

由圖4可知，連續(xù)梁橋上鋼軌撓曲附加力的分布情況隨墩臺縱向水平剛度的不同而有所變化。引起這種現(xiàn)象的主要原因是：由于簡支梁橋墩縱向水平剛度的增大，使得連續(xù)梁與簡支梁交接處的橋梁相對縱向位移增大，從而導致連續(xù)梁端部位置處的鋼軌撓曲附加力隨之增大，而連續(xù)梁上鋼軌附加撓曲力則主要由連續(xù)梁自身的縱向位移波動所決定。

由表2可知，隨著橋梁墩臺剛度的增大，簡支梁與連續(xù)梁上鋼軌撓曲壓力均隨之變大；但是簡支梁變化幅度較連續(xù)梁要大；連續(xù)梁上鋼軌撓曲壓力隨墩臺縱向水平剛度的增加幾乎沒有變化。兩種模型計算結果中的墩臺縱向力與鋼軌位移均隨著墩臺剛度的增大而增大，且變化較為明顯。

綜上所述，橋梁墩臺縱向水平剛度的變化對連續(xù)梁撓曲壓力的影響可以忽略不計，但其對簡支梁撓曲力的影響應引起足夠重視，在簡支梁橋上無縫線路設計中應充分予以考慮。

3.3 制動力計算

在進行制動力計算時，列車制動時車輪與軌面摩擦系數(shù)取為0.164，采用的荷載類型為中-活載，規(guī)定荷載從左至右入橋。隨著橋梁墩臺縱向水平剛度的變化，可計算得到簡支梁及連續(xù)梁上鋼軌制動力、墩臺縱向力的變化情況(如圖5所示)。

圖5 制動力隨墩臺剛度變化情況

鋼軌制動力、墩臺縱向力、鋼軌縱向位移及梁軌相對位移的變化情況如表3所示。

表3 墩臺縱向水平剛度變化的影響

由表3可知，隨著墩臺縱向水平剛度的增大，鋼軌制動壓力與拉力均隨之減小，變化較為明顯；鋼軌縱向位移與梁軌相對位移均隨著墩臺縱向水平剛度的增大而減小(減小趨勢逐漸平緩)；墩臺縱向力隨著墩臺剛度的增大而增大，當墩臺縱向水平剛度增加到一定值后，橋臺承受的縱向力反而減小，這是由于當墩臺縱向水平剛度增加到某一值后，中間橋墩會承受大部分的荷載，從而使得左端橋臺承受的縱向力減小。

由此可以得出，墩臺縱向水平剛度對鋼軌制動力有較大的影響，在進行無縫線路設計時應合理選取墩臺縱向水平剛度。

3.4 斷縫值計算

僅以連續(xù)梁計算模型為例，取鋼軌降溫幅度值為50 ℃，假設鋼軌斷縫發(fā)生在連續(xù)梁右端梁縫處，經(jīng)計算，得到鋼軌斷軌力及墩臺受力分布情況(如圖6所示)，鋼軌斷縫值隨橋梁墩臺縱向水平剛度增大的變化情況(如圖7所示)。

圖6 鋼軌及墩臺縱向力分布

圖7 鋼軌斷縫值變化情況

由圖6可知，鋼軌溫度力的分布與鋼軌縱向力的分布較為一致；斷縫位置附近橋梁墩臺所受縱向力較大，左側連續(xù)梁橋墩縱向力約為456.1 kN，右側簡支梁橋墩縱向力約為221.1 kN。出于安全考慮，規(guī)范中直接規(guī)定按橋梁長度乘以線路極限阻力(不超過固定區(qū)溫度力)作為墩臺斷軌力檢算值。

由圖7可知，鋼軌斷縫值隨著墩臺剛度的增大而減小，這主要是由于隨著墩臺剛度的增大，其對鋼軌伸縮的約束作用增大。

由此可以得出，在進行無縫線路設計時，從斷軌力的角度考慮，墩臺縱向水平剛度取較大值是有利的，應限制橋梁墩臺的最小水平剛度。

4 結論

(1)鋼軌伸縮附加力受橋梁墩臺縱向水平剛度影響較大；為了保證鋼軌伸縮附加力的值在一定范圍內，橋梁墩臺的縱向水平剛度應通過詳細計算與實驗后合理選取，不宜過大。

(2)墩臺自身的縱向水平位移對橋梁鋼軌相互作用系統(tǒng)的縱向受力情況有著調節(jié)作用；墩臺自身的縱向水平位移能夠改變橋梁軌道系統(tǒng)的縱向受力情況，建議在進行無縫線路設計計算時，應考慮橋梁墩臺自身位移較大時對無縫線路設計的影響。

(3)橋梁墩臺縱向水平剛度的變化對連續(xù)梁撓曲壓力的影響可以忽略不計，但其對簡支梁撓曲力的影響應引起足夠重視，在簡支梁橋上無縫線路設計中應充分予以考慮，以防出現(xiàn)不必要的損失。

(4)墩臺縱向水平剛度對鋼軌制動力有著較大的影響，在進行無縫線路設計時應合理選取墩臺縱向水平剛度。

(5)在進行無縫線路設計時，從斷軌力的角度考慮，墩臺縱向水平剛度取較大值是有利的。因此，應限制橋梁墩臺的最小水平剛度。

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