徐金輝，王 平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

近年來，我國在橋上鋪設(shè)無縫線路的技術(shù)逐漸成熟，并且已經(jīng)形成了橋上無縫線路專業(yè)計算軟件。但是，隨著橋型的多樣化發(fā)展，在鐵路建設(shè)中出現(xiàn)了多種形式的特殊橋型，橋上無縫線路專業(yè)計算軟件無法計算出準(zhǔn)確的結(jié)果。對于中承式拱橋這類特殊的橋上無縫線路，目前常用的方法是建立全橋有限元模型進(jìn)行計算分析，這種方法建模繁雜且效率低。因此本文采用一種簡單直觀的簡化算法，計算分析中承式拱橋橋上無縫線路的受力與變形。

1 計算模型

1.1 計算假定

建立中承式拱橋橋上無縫線路計算模型時，必須提出合理的計算假定。根據(jù)梁軌相互作用原理和中承式拱橋的特點提出以下假定:

1)鋼軌按支承節(jié)點劃分有限桿單元，只發(fā)生縱向位移;

2)在計算伸縮力時，梁的溫度變化僅為單純的升溫或降溫，不考慮梁溫升降的交替變化;

3)線路縱向阻力與梁軌相對位移為非線性關(guān)系，墩臺剛度與墩頂位移為線性關(guān)系;

4)拱腳與基礎(chǔ)連接為全約束，且不考慮基礎(chǔ)位移;

5)拱肋上墩臺底端與拱肋的聯(lián)結(jié)視為固結(jié);

6)只考慮梁軌的縱向相互作用;

7)模型簡化為單軌形式，如果橋梁為雙線橋時，可將橋梁各參數(shù)取為實際值的一半。

1.2 計算模型

分析可知，鋼軌通過線路縱向阻力與混凝土梁體發(fā)生縱向相互作用，橋墩支座與梁體下緣相連傳遞縱向力，拱肋與梁體固結(jié)也傳遞一部分縱向力，拱肋上立柱與拱肋上緣固結(jié)。運用有限元軟件ANSYS建模時，鋼軌單元采用桿單元，線路縱向阻力用非線性彈簧模擬，墩臺頂縱向水平剛度用線性彈簧模擬，拱肋、梁體單元可選用BEAM54梁單元。BEAM54梁單元允許端面節(jié)點偏離截面形心，運用BEAM54單元的這個特性可以較真實地模擬梁體與鋼軌、支座與梁體之間的連接而無需再建豎向剛臂來模擬梁體的下翼緣。

根據(jù)以上假設(shè)和分析，用有限元軟件ANSYS所建模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2 計算實例

2.1 橋梁概況

某一大跨度中承式鐵路拱橋，其計算拱跨為400 m，矢跨比為3.8，拱軸線為懸鏈線，吊桿間距為8 m，主梁長為336 m，主梁邊跨長為32 m。主橋拱肋采用鋼—混凝土結(jié)合桁架提籃拱結(jié)構(gòu)，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。橋跨布置如圖2所示，圖中“Δ”表示縱向有約束，“○”表示縱向無約束，圖中1#～10#分別表示1～10號墩臺。

橋上鋪設(shè)無砟軌道無縫線路，不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，全橋鋪設(shè)常阻力扣件。

圖2 橋跨布置(單位:m)

2.2 計算參數(shù)

由于只考慮梁軌的縱向相互作用，因此建模時可以將模型簡化為單軌形式，主梁及簡支梁的截面面積和慣性矩取實際值的一半，拱肋的截面參數(shù)按單肋取值。

教學(xué)實驗證明，辯證動態(tài)雙主教學(xué)對師生雙方教學(xué)主導(dǎo)與學(xué)習(xí)主體的新定位有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和教師的教學(xué)質(zhì)量，契合高職院校人才培養(yǎng)的要求，值得推廣和運用。

按照《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范(送審稿)》的規(guī)定，橋梁兩端墩臺的縱向水平剛度取為3 000 kN/cm(單線)，簡支梁橋墩頂?shù)目v向水平剛度取為300 kN/cm(單線)，線路縱向阻力的取值如圖3所示。

圖3 無砟軌道扣件縱向阻力

2.3 縱向力計算

2.3.1 伸縮力計算

計算伸縮附加力時，無砟軌道混凝土梁的日溫差取為20℃，但拱肋的日溫差在規(guī)范中沒有明確規(guī)定，此處分別按拱肋無溫差和拱肋溫差為20℃進(jìn)行計算。升溫時，鋼軌的伸縮附加力如圖4所示，圖中以鋼軌受壓為正，梁軌相對位移如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，考慮拱肋升溫時，最大伸縮附加力為413.64 kN/軌，最大梁軌相對位移為5.47 mm;不考慮拱肋升溫時，最大伸縮附加力為401.32 kN/軌，最大梁軌相對位移為5.36 mm。

考慮拱肋升溫時，拱肋承受最大壓力為14 550.02 kN;不考慮拱肋升溫時，拱肋承受最大壓力為9 153.26 kN。

2.3.2 撓曲力計算

撓曲附加力計算時，列車荷載采用ZK活載，從左至右入橋?？紤]三種工況進(jìn)行計算:工況一，荷載作用于主梁左側(cè)的5跨簡支梁上;工況二，荷載作用于主梁邊跨及其左側(cè)相臨的簡支梁上;工況三，荷載作用于主梁上。撓曲附加力計算如圖6所示，圖中以鋼軌受壓為正，梁軌相對位移如圖7所示。

圖4 鋼軌伸縮附加力

圖5 伸縮時梁軌相對位移

圖6 鋼軌撓曲附加力

圖7 撓曲時梁軌相對位移

由圖6和圖7可以看出，工況一時，最大撓曲附加拉力為98.28 kN/軌，而最大撓曲附加壓力為65.87 kN/軌，最大梁軌相對位移為1.16 mm;工況二時，最大撓曲附加拉力為47.52 kN/軌，最大撓曲附加壓力為43.15 kN/軌，最大梁軌相對位移為0.85 mm;工況三時，最大撓曲附加拉力為37.55 kN/軌，最大撓曲附加壓力為19.52 kN/軌，最大梁軌相對位移為0.40 mm。

2.3.3 制動力計算

列車制動力采用軌面摩擦系數(shù)0.164乘豎向荷載，列車從左至右入橋制動。計算制動力時，考慮全橋范圍內(nèi)制動。制動力計算如圖8所示，圖中以鋼軌受壓為正。梁軌相對位移如圖9所示。

圖8 鋼軌制動附加力

圖9 制動時梁軌相對位移

由圖8和圖9可以看出，全橋制動時，最大制動附加力為64.22 kN/軌，最大梁軌相對位移為0.89 mm。

制動時，拱肋承受的最大壓力為1 537.90 kN。制動力作用下拱肋還承受拉力，拱肋承受的最大拉力為1 519.12 kN。

2.4 計算結(jié)果分析

由伸縮力計算得，考慮拱肋升溫與否對鋼軌伸縮附加力影響很小，但是考慮拱肋升溫時拱肋受力較不考慮拱肋升溫增大了1.59倍。說明考慮拱肋升溫對鋼軌受力和變形影響很小，但對其自身的受力影響很大，因此應(yīng)注重拱肋日溫差的取值。

從撓曲力的計算結(jié)果中可以看出，在主橋全跨范圍內(nèi)布置荷載求得的撓曲力遠(yuǎn)小于在主橋相鄰的簡支梁上布置荷載所求的撓曲力，說明拱肋可明顯減小鋼軌的撓曲附加力。各工況下鋼軌的撓曲附加力遠(yuǎn)小于鋼軌的伸縮附加力，撓曲力不控制軌道強度的檢算。在主橋全跨范圍內(nèi)布置列車荷載時，拱肋承受最大壓力為伸縮工況下拱肋承受力的1.14倍，因此撓曲力會控制拱肋的設(shè)計檢算。

檢算制動力時，在全橋范圍內(nèi)制動所求得的制動附加力和梁軌相對位移均很小，對橋上無縫線路的設(shè)計和穩(wěn)定性檢算不起控制作用。但制動工況下拱肋會承受一定的拉力，對拱肋受力不利。

3 結(jié)論及建議

通過對某雙線鐵路中承式鋼—混凝土結(jié)合桁架拱橋橋上無縫線路縱向力的計算分析，可得如下結(jié)論及建議:

1)拱肋的日溫差對鋼軌伸縮附加力影響很小，但對拱肋自身的受力影響很大，因此在對中承式拱橋橋上無縫線路檢算時，應(yīng)當(dāng)考慮拱肋的日溫差。由于現(xiàn)有規(guī)范中沒有明確拱肋日溫差的取值，檢算時應(yīng)根據(jù)已有的經(jīng)驗和設(shè)計單位提供的資料確定合理的日溫差。

2)對于中承式拱橋橋上無縫線路，檢算鋼軌強度時，鋼軌撓曲附加力遠(yuǎn)小于其伸縮附加力，不起控制作用。在檢算拱肋時，撓曲力引起的拱肋受力大于伸縮力引起的拱肋受力。因此對中承式拱橋檢算時，應(yīng)考慮撓曲力對拱肋的影響。

3)制動力會使拱肋受拉，要求拱肋能夠承受一定的拉力?；炷恋目估阅芎懿睿ㄗh中承式拱橋的拱肋應(yīng)采用鋼管混凝土或鋼—混凝土結(jié)合桁架結(jié)構(gòu)等，以保證拱肋有一定的抗拉強度。

4)文章中所用的方法，適用于各種特殊型橋的設(shè)計檢算，所得結(jié)果可以指導(dǎo)橋上無縫線路的設(shè)計。

［1］廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］魏賢奎，王平.大跨度上承式鋼管混凝土提籃拱橋橋上無縫線路計算分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010(11):1-3.

［3］郝瀛.鐵道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［4］徐慶元，陳秀方.連續(xù)梁橋上無縫線路附加力研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24(3):58-63.

［5］劉文兵.大跨度提籃拱橋上無縫線路設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2009(6):67-70.