不同列車荷載下簡支梁橋參數(shù)對橋上無縫線路縱向力影響分析

滕明智，郝浩業(yè)，葉秋杰

(西南交通大學(xué)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(xué)者對橋上無縫線路的縱向力進(jìn)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(xù)梁橋上無縫線路伸縮附加力進(jìn)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(jìn)行了研究[2]；陳鵬等對連續(xù)梁橋上無縫線路附加縱向力的變化規(guī)律問題做了研究[3]；蔡敦錦等分析了橋梁參數(shù)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(guān)于列車荷載大多采用中—活載，而中—活載與新發(fā)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(guān)，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(jié)果進(jìn)行對比[6]，但未考慮橋梁參數(shù)的影響，因此有必要進(jìn)一步研究不同列車荷載作用下的縱向力分布規(guī)律以及橋梁參數(shù)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(jù)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(guī)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(jìn)行無縫線路縱向力計算提供支持。

1 計算模型及參數(shù)

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(shù)

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(cè)，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(shè)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(yīng)，保證橋上無縫線路處于固定區(qū)，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(shù)

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

圖4 中—活載圖示

根據(jù)新發(fā)布的TB10002-2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》鐵路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的列車荷載標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《鐵路列車荷載圖示》的規(guī)定。高速鐵路采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載(圖5)；城際鐵路采用ZC標(biāo)準(zhǔn)活載(圖6)；客貨共線鐵路采用ZKH標(biāo)準(zhǔn)活載(圖7)。

圖5 ZK活載標(biāo)準(zhǔn)活載計算圖式

圖6 ZC活載標(biāo)準(zhǔn)活載計算圖式

圖7 ZKH活載標(biāo)準(zhǔn)活載計算圖式

2 縱向力分布規(guī)律

2.1 撓曲力分布規(guī)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(cè)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(guī)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(jié)果大于中—活載，因此采用《鐵路列車荷載圖式》計算結(jié)果更安全。

2.2 制動力分布規(guī)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(fā)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(shè)簡支梁橋跨度從24m變化至64m，其他參數(shù)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?lián)锨鷫毫^大，ZKH活載作用下?lián)锨^大。

3.2 橋梁跨度對制動力的影響

假設(shè)簡支梁橋跨度從24m變化至64m，其他參數(shù)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(jié)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(guī)律與中—活載相同，但ZKH活載作用下計算結(jié)果大于中—活載，因此采用《鐵路列車荷載圖式》計算結(jié)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(jié)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(yīng)按TB10015-2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》的最小剛度進(jìn)行取值。