鋼桁梁橋上無縫線路空間耦合模型研究

曲 村，高 亮，蔡小培，車宏軍

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.沈陽中鐵交通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，遼寧沈陽 110013)

鋼桁梁橋由桁架桿件組成，桁架桿件主要承受軸向力。與實(shí)腹梁相比，鋼桁梁橋用腹桿代替整體的腹板，從而節(jié)省了鋼材并減輕了結(jié)構(gòu)自重。鋼桁梁橋可做成較大高度，具有較大的剛度及跨度，在我國很多跨越大江大河的鐵路線上使用［1］。

由于鋼桁梁橋的橋梁結(jié)構(gòu)和橋上軌道結(jié)構(gòu)具有特殊性，簡單的橋上無縫線路計(jì)算模型并不適用。參與鋼桁梁橋上無縫線路傳力作用的主要部件有鋼軌、扣件、軌枕(包括木枕和混凝土枕)、道床、鋼桁梁(包括縱梁、橫梁、桁桿)、橋墩等。本文在已有研究的基礎(chǔ)之上［2-8］，以某單線鐵路上鋼桁梁橋上無縫線路為例，采用有限元方法單獨(dú)建立了鋼桁梁橋上無縫線路縱橫垂向空間耦合模型，對各部件利用ANSYS單元模型分別進(jìn)行模擬。

1 主要計(jì)算參數(shù)選取

該鋼桁梁橋橋梁形式為8×33.7 m栓焊簡支桁梁。固定支座全部設(shè)于同一方向。根據(jù)設(shè)計(jì)資料整理得到一跨桁架梁的桿件編號及相應(yīng)斷面，如圖1和圖2所示。各橋墩的墩頂縱向剛度見表1，其中0號墩和8號墩分別為兩側(cè)橋臺。

圖1 桁桿編號

鋼軌為60 kg/m鋼軌，兩端橋頭路基為碎石道床，鋪設(shè)Ⅲ型軌枕和彈條Ⅱ型扣件，縱向阻力取91 N/cm。鋼桁梁橋上鋪設(shè)木枕，采用K型分開式扣件，按1緊+n 松 +1 緊布置，按 n分別取值為0，1，2，3，4 進(jìn)行計(jì)算，扣件縱向阻力取值參照表2。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］規(guī)定，計(jì)算伸縮力時(shí)，鋼橋的溫差取25℃;計(jì)算撓曲力時(shí)，采用設(shè)計(jì)荷載“中—活載”。

2 空間耦合模型的建立

2.1 鋼軌及扣件模型

鋼軌選用梁單元BEAM188進(jìn)行模擬，按照實(shí)際截面屬性建模，考慮截面積、慣性矩、扭轉(zhuǎn)彎矩等參數(shù)。鋼軌按照支承節(jié)點(diǎn)劃分單元，可全面考慮縱向、橫向、垂向線位移及轉(zhuǎn)角?？奂捎脧椈蓡卧M(jìn)行模擬，可全面考慮扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度?？奂淖枇蛣偠戎稻鶕?jù)實(shí)測值選取。

圖2 各桁桿截面(單位:mm)

表1 鋼桁梁橋各橋墩墩頂縱向剛度

表2 不同布置方式扣件縱向阻力 N/cm

2.2 軌枕模型

軌枕選用梁單元BEAM188進(jìn)行模擬，考慮截面積、高度、慣性矩等實(shí)際參數(shù)，按照較小間距的支承節(jié)點(diǎn)劃分單元，可全面考慮縱向、橫向和垂向線位移及轉(zhuǎn)角。兩端橋頭路基上道床的縱、橫向阻力和垂向支撐剛度采用彈簧單元進(jìn)行模擬，阻力和剛度值根據(jù)實(shí)測值取值。路基上與鋼桁梁橋上采用的不同類型軌枕結(jié)構(gòu)，間距也有所不同。

2.3 鋼桁梁橋模型

鋼桁梁橋各桁桿采用梁單元BEAM188進(jìn)行模擬，可以全面考慮鋼桁梁橋的結(jié)構(gòu)組成以及各根桁桿、縱梁、橫梁等的幾何尺寸、截面形狀和物理屬性。鋼軌與木枕之間相互連接的扣件，以及木枕與桁梁之間相互固定的螺栓均采用彈簧單元進(jìn)行模擬。

2.4 整體空間耦合模型

由以上各部分組成的鋼桁梁橋上無縫線路整體空間耦合模型如圖3所示。

3 鋼桁梁橋上無縫線路附加力計(jì)算

本文中鋼桁梁橋上無縫線路縱向附加力的計(jì)算，共涉及8跨33.7 m簡支鋼桁梁橋，計(jì)算結(jié)果均考慮了相鄰橋跨產(chǎn)生的影響。當(dāng)K型分開式扣件布置方式為1緊+0松+1緊時(shí)，鋼軌的伸縮力和位移計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

采用不同的K型分開式扣件布置方式時(shí)，橋梁的伸縮力計(jì)算結(jié)果比較如圖6所示。由圖6可知，隨著鋼桁梁橋上扣件布置方式的變化，即扣件阻力的減小，鋼桁梁橋上無縫線路鋼軌伸縮附加力也隨之變小。

采用不同扣件布置方式的鋼桁梁橋上無縫線路的鋼軌和橋墩受力計(jì)算結(jié)果見表3。

圖6 鋼軌伸縮附加力隨扣件布置方式變化

表3 鋼桁梁橋上無縫線路鋼軌和橋墩受力計(jì)算結(jié)果 kN

由表3可知，隨著鋼桁梁橋上扣件布置方式的變化，即扣件阻力的減小，鋼桁梁橋上無縫線路鋼軌最大伸縮附加力和撓曲附加力、鋼軌在溫度荷載、車輛荷載作用下及斷軌條件下傳遞給橋墩的力都隨之變小。

4 鋼桁梁橋上無縫線路變形計(jì)算

4.1 溫度荷載作用下梁縫縱向變化量

在溫度荷載作用下，鋼桁梁橋產(chǎn)生伸縮變形，梁端處變形量較大時(shí)會(huì)造成梁縫縱向變化量過大，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響到梁端處的扣件間距及軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼桁梁橋梁縫縱向變化量計(jì)算結(jié)果見表4。

在本文所采用的溫度荷載作用下，簡支梁梁縫處的最大變化量為10.635mm。較大的梁縫變化量可能對梁端處木枕與縱梁間相互固定的螺栓造成不利影響，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注，以防止螺栓失效造成梁端處軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4.2 溫度荷載作用下鋼軌橫向變形量

在溫度荷載作用下，不同扣件布置方式下的鋼軌橫向變形量見表5。由表5可見，當(dāng)K型分開式扣件布置方式為1緊+0松+1緊時(shí)，鋼軌軌距變化量最大值為0.212mm，軌距變化率最大值為0.222‰，軌向變化量最大值為0.260mm，軌向變化率最大值為0.206‰。

表4 鋼桁梁橋的梁縫縱向變化量 mm

表5 鋼桁梁橋的鋼軌橫向變形量

根據(jù)文獻(xiàn)［10］規(guī)定，時(shí)速不超過120 km/h時(shí)，無砟軌道線路的靜態(tài)平順度限值為:軌距變化量+3/-2 mm，軌向變化量4 mm，軌向變化率即4 mm軌向變化量與10m測量弦長之比為0.4‰。所計(jì)算的各項(xiàng)軌道橫向幾何形位變化值皆滿足規(guī)范規(guī)定。

但在長期使用和車輛荷載的作用下，鋼軌橫向變形量有可能進(jìn)一步加大，因此也應(yīng)加強(qiáng)對兩端橋頭路基與鋼桁梁橋過渡處及鋼桁梁橋之間的軌道橫向幾何形位的關(guān)注，防止其變形超限，影響行車安全與旅客舒適度。

4.3 車輛荷載作用下橋梁豎向撓度

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，簡支鋼桁梁的橋跨結(jié)構(gòu)由于列車豎向靜活載所引起的豎向撓度不應(yīng)超過容許值L/900，其中L為簡支鋼桁梁檢算跨的跨度。即33.7 m簡支鋼桁梁橋的撓度最大不應(yīng)超過37.4 mm。不同扣件布置方式下的橋梁撓度見表6。

表6 鋼桁梁橋的橋梁豎向撓度 mm

由計(jì)算可得，當(dāng)“中—活載”布設(shè)在不同的橋跨位置時(shí)，橋梁的最大撓度為28.163 mm，滿足規(guī)范規(guī)定。由于計(jì)算時(shí)采用的“中—活載”較實(shí)際車輛荷載大得多，因此本文所建立的鋼桁梁橋在機(jī)車車輛荷載作用下的撓度有一定的安全儲(chǔ)備。

5 結(jié)論及建議

1)本文所建立的鋼桁梁橋上無縫線路縱橫垂向空間耦合模型，充分考慮了鋼軌、扣件、軌枕(包括木枕和混凝土枕)、道床、鋼桁梁橋(包括縱梁、橫梁、桁桿)，以及橋墩臺等對整體力學(xué)特性的影響，可以更詳細(xì)地進(jìn)行計(jì)算和檢算。采用該模型可以計(jì)算鋼軌及橋墩在溫度荷載和車輛荷載作用下所產(chǎn)生的附加力，也可以對梁縫縱向變化量、鋼軌橫向變形、橋梁豎向撓度等進(jìn)行計(jì)算，便于設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用。

2)在本文所建模型和采用的參數(shù)條件下，隨著鋼桁梁橋上K型分開式扣件布置方式的變化，即扣件阻力的減小，鋼桁梁橋上無縫線路鋼軌最大伸縮附加力和撓曲附加力、鋼軌在溫度荷載、車輛荷載作用下及斷軌條件下傳遞給橋墩的力都隨之變小，鋼軌橫向變形量也隨之減小，而梁縫縱向變化量和橋梁豎向撓度的最大值則隨之增大。

3)在溫度荷載作用下，鋼桁梁橋之間較大的梁縫變化量可能對梁端處木枕與縱梁間相互固定的螺栓造成不利影響，或使扣件抗拔力超限，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注，以防止螺栓或扣件失效造成梁端處軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4)在溫度荷載作用下，鋼桁梁橋上的鋼軌會(huì)產(chǎn)生一定的橫向變形，應(yīng)加強(qiáng)對兩端橋頭路基與鋼桁梁橋過渡處及鋼桁梁橋之間的軌道橫向幾何形位的關(guān)注，防止其變形超限，影響行車安全與旅客舒適度。

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