高速鐵路64m 簡(jiǎn)支梁橋上長(zhǎng)鋼軌縱向力分析

婁徐瑞利

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作454000）

在溫度、豎向活載、列車(chē)制動(dòng)等荷載作用下，橋梁與長(zhǎng)鋼軌無(wú)縫線(xiàn)路之間存在著相對(duì)位移，由于鋼軌和橋梁之間的非線(xiàn)性約束，導(dǎo)致橋梁和鋼軌承受著非線(xiàn)性縱向力，即所謂橋上無(wú)縫線(xiàn)路縱向力問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)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(chǔ)上，采用非線(xiàn)性彈簧模擬線(xiàn)路縱向阻力，采用魚(yú)骨刺模型模擬橋梁，建立了(4-32+64+3-32)m 多跨長(zhǎng)聯(lián)簡(jiǎn)支梁橋與雙線(xiàn)軌道相互作用的有限元模型，分析了長(zhǎng)鋼軌伸縮力、撓曲力、制動(dòng)力的分布規(guī)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(zhǎng)聯(lián)簡(jiǎn)支梁- 雙線(xiàn)軌道有限元模型

橋上采用雙線(xiàn)無(wú)砟軌道，基于規(guī)范[2]建議的線(xiàn)路縱向阻力理想彈塑性模型：

式中，線(xiàn)路縱向阻力r 單位為kN/m/軌，梁軌相對(duì)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(yú)骨刺模型模擬橋梁，橋梁形式為64m 雙箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁。

64m 簡(jiǎn)支梁橋左側(cè)建立4 跨32m 簡(jiǎn)支梁橋，右側(cè)建立3 跨32m 簡(jiǎn)支梁橋，支座布置及墩臺(tái)編號(hào)如圖1 所示。

圖1 橋梁布置形式

下部結(jié)構(gòu)縱向剛度取值參考規(guī)范[2]取為800kN/cm、橋臺(tái)取為3000kN/cm。

在計(jì)算伸縮力時(shí)，按梁體升溫15℃計(jì)[2]。

在計(jì)算撓曲力時(shí)，取ZK 荷載，加載范圍取為300m，加載步長(zhǎng)取為5m。在計(jì)算制動(dòng)力時(shí)，參照文獻(xiàn)[3]將制動(dòng)力率偏安全地取為0.25，加載步長(zhǎng)取為5m，并考慮一側(cè)路基。

2 伸縮力

假設(shè)梁體升溫15℃，橋上長(zhǎng)鋼軌縱向力及墩頂水平力分布見(jiàn)圖2。

圖2 伸縮力計(jì)算結(jié)果

從圖2 可以看出，鋼軌伸縮力在橋梁墩臺(tái)處存在應(yīng)力極值。由于64m 簡(jiǎn)支梁溫度跨度較大，其附近梁端處鋼軌應(yīng)力也較大，數(shù)值可增大至30.3MPa。其中，鋼軌拉應(yīng)力增幅超過(guò)2 倍。除設(shè)置固定支座的橋臺(tái)處外，其他墩臺(tái)受力相對(duì)較為均衡，但64m簡(jiǎn)支梁制動(dòng)墩墩頂水平力有近2 倍的增幅，達(dá)到250.1kN。鋼軌應(yīng)力各跨簡(jiǎn)支梁相接處存在較大壓應(yīng)力，在各跨簡(jiǎn)支梁跨中附近存在較大壓應(yīng)力。

3 撓曲力

豎向活載按均布荷載計(jì)，加載長(zhǎng)度300m，加載步長(zhǎng)取為5m，從左向右加載，其鋼軌軸向應(yīng)力包絡(luò)及墩頂水平力如圖3所示。

圖3 撓曲力計(jì)算結(jié)果

由圖3 可知，64m 簡(jiǎn)支梁的存在導(dǎo)致鋼軌撓曲力有較大增幅，達(dá)到11.2MPa（拉）和8.3MPa（壓），但撓曲力整體水平較低，對(duì)鋼軌應(yīng)力影響較小。

64m 簡(jiǎn)支梁制動(dòng)墩（5 號(hào)墩）墩頂水平力也有較大幅度的增加，超過(guò)固定支座橋臺(tái)，達(dá)到82.3kN。

4 制動(dòng)力

設(shè)列車(chē)制動(dòng)力率為0.25，列車(chē)從橋梁左側(cè)進(jìn)入橋梁并開(kāi)始制動(dòng)，加載范圍取為300m，加載步長(zhǎng)取為5m，計(jì)算鋼軌應(yīng)力包絡(luò)、墩頂水平力最值及梁軌相對(duì)位移，見(jiàn)圖4。

圖4 制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

從圖4 可以看出在橋梁墩臺(tái)處均存在較大的鋼軌制動(dòng)力峰值，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在64m 簡(jiǎn)支梁制動(dòng)墩處及固定支座橋臺(tái)附近，達(dá)24.1MPa。由于64m 簡(jiǎn)支梁的存在，導(dǎo)致5 號(hào)和6 號(hào)墩受力相對(duì)較大，其數(shù)值與制動(dòng)橋臺(tái)相近，超過(guò)550kN。

5 溫度與撓曲耦合效應(yīng)

采用考慮加載歷史的無(wú)縫線(xiàn)路縱向力迭代公式[2]，計(jì)算梁體在分別升溫和降溫15℃后，列車(chē)從橋上經(jīng)過(guò)的情況，見(jiàn)圖5。

圖5 溫度與撓曲耦合效應(yīng)計(jì)算結(jié)果

與圖2 對(duì)比，可以看出，溫度與撓曲耦合作用條件下，其鋼軌最大應(yīng)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(xiàn)較大的增幅。這表明溫度與撓曲作用并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性疊加關(guān)系，且鋼軌伸縮力為主要控制性荷載。升降溫對(duì)64m 簡(jiǎn)支梁制動(dòng)墩所受水平力有一定影響，影響幅度約為30%，對(duì)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(fā)生升溫和降溫15℃后，列車(chē)從橋梁左端進(jìn)入橋梁范圍并進(jìn)行制動(dòng)的情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 溫度與制撓力耦合效應(yīng)計(jì)算結(jié)果

與圖4 對(duì)比，可以看出，溫度與制撓力耦合作用條件下，鋼軌應(yīng)力峰值出現(xiàn)在活動(dòng)支座橋臺(tái)附近。初始溫度升高與降低與否對(duì)鋼軌應(yīng)力的分布影響顯著。降溫條件下，鋼軌軸向拉應(yīng)力超過(guò)45.2MPa。初始溫度升高或降低顯著影響橋臺(tái)和64m 簡(jiǎn)支梁制動(dòng)墩的墩頂水平力。5 號(hào)制動(dòng)墩墩頂水平力峰值超過(guò)850kN。

7 結(jié)論

為探討高速鐵路64m 簡(jiǎn)支梁橋與軌道相互作用規(guī)律，以(4-32+64+3-32)m 多跨長(zhǎng)聯(lián)簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔?，分析了多跨長(zhǎng)聯(lián)簡(jiǎn)支梁橋上長(zhǎng)鋼軌縱向力的分布規(guī)律，探討了初始溫度與撓曲力和制撓力的耦合效應(yīng)，主要結(jié)論包括：

7.1 鋼軌伸縮力、撓曲力和制動(dòng)力峰值均出現(xiàn)在橋梁相接處和橋臺(tái)處。其中，伸縮力和制動(dòng)力是主要控制性荷載。

7.2 由于64m 簡(jiǎn)支梁橋溫度跨度較大，其附近的鋼軌應(yīng)力和制動(dòng)墩頂水平力均有較大的增加。

7.3 初始溫度荷載對(duì)鋼軌應(yīng)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(jiǎn)支梁制動(dòng)墩頂水平力出現(xiàn)較大的增幅，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。