高速铁路桥上无缝线路附加力的分析研究铁道科学第期 .docx

精品名师归纳总结高速铁路桥梁纵向力的运算分析黎国清庄军生张士臣在桥上铺设无缝线路能削减列车对桥梁的冲击，改善桥梁运营条件，提高列车运行舒服度，这些优点在行车速度较高的情形下尤为明显。而高速铁路桥梁纵向力传递体系的讨论是确保桥上无缝线路稳固性，进行墩台设计检算，确保行车安全的重要科研工程。为此，铁道部科学讨论院于1992 年列出 “高速铁路桥梁纵向水平力传递体系的讨论”科研课题，重点讨论并解决：高速铁路桥梁纵向水平力<温度伸缩力、挠曲力、制动力）的传递特性，纵向水平力传递的影响因素及其作用特点。桥上纵向水平力传递体系合理结构型式。桥上纵向水平力传递装置静、动力性能参数。本文作为讨论总报告的一部分，着重高速铁路桥梁纵向水平力运算分析。 由于温度影响或荷载作用，桥梁将相对于钢轨位移，因扣件扣压力的作用，梁轨间相对位移受约束，因而在梁轨间产生大小相等、方向相反的纵向水平力， 致使钢轨产生变形,此即梁轨相互作用原理。本文除按常量线路纵向阻力分析桥上无缝线路的温度伸缩力及其对桥梁支点水平反力的影响外<见附录），重点依据变量线路纵向阻力规律分析温度力、挠曲力、制动<牵引）力等纵向水平力。一、线路纵向阻力规律无缝线路纵向位移阻力规律是描述轨道相对于下部结构或桥梁位移的一种特性，即单位长度轨道阻挡其纵向位移的阻力大小。该阻力可分为轨道<轨排）在道碴上的纵向位移阻力和钢轨在轨枕之间的纵向爬行阻力。通常有碴线路阻力由纵向位移阻力掌握，无碴线路阻力即是纵向爬行阻力。由于线路的位移阻力规律受上部结构种类、养护修理状况、天气气候情形、钢轨垂直荷载大小和负载频率而有很大的变化，因而精确的给出线路阻力是困难的。纵向位移阻力规律国内外都做了大量的试验讨论。在德国， .Siekmeier 于1964 年曾对一段线路加载使之滑移，测试轨道阻力。 1980 年 Seraphim 在正常运行的线路上截取了 10m长线路进行试验，加水平力使线路纵向滑移 .10cm 以上， 测定了纵向滑移的阻力规律，同时得出固定在多个轨枕上钢轨的应变。依据Seraphim 等人的讨论成果 , 德国在 DS899/59.铁路新干线上桥梁的特殊规程1中提出了钢轨或轨道与桥梁结构或路基之间的纵向位移阻力规律，并简化为双线性的阻力特性，详见图1，此阻力规律后又反映在新版DS804铁路桥梁及其它工程结构物规范 2 中。70岁月以来，铁道部科学讨论院在京广线木道沟桥、呼沱河桥、七里河桥、锦西龙湾线五里河桥测定了温度伸缩力，挠曲力。在武汉长江大桥、呼沱河桥、 永定桥测定了轨道阻力，为桥上广泛铺设无缝线路制造了肯定条件。铁路无缝 线路 3 ，对线路纵向阻力进行了数据统计分析，规定在运算伸缩区温度力、梁轨温差产生的纵向力、钢轨传递的温度力、断轨力时，线路纵向阻力采纳常量。 运算伸缩力、挠曲力、以及与制动力、牵引力的组合时，线路纵向阻力采纳变量。经统计得出的线路纵向阻力列于表1 和表 2。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 1由牵引力和 或>制动力以及梁体结构温度变化引起的轨道纵向位移阻力p 的抱负假定表 1无列车荷载作用线路纵向阻力扣件布常量阻力N/cm. 轨变量阻力表达式样本桥梁及线路置形式 p pmax N/cm.轨数量明桥面 1-2-1 63.5 10.5 84.5 4.9-60.8z 128.5z1/2.2 18 木枕 1-3-1 51.5 8.0 67.5 K 型扣件三根桥枕 /M 1-4-1 44.0 6.4 56.8 6050>kg/m 1-5-1 39.3 5.4 50.1 4.4-57.4z110.9z 1/2.1 18 钢轨 1-6-1 35.8 4.6 45.0扣件全紧 160.5 18.2 196.9 扣件全松 15 5.5 26.0木枕 1840根 /km 63.0 5.9-35.3z 97.9z1/2.5 15 有碴桥面型扣件轨枕钢轨全紧 6050>kg/m 混凝土枕 1760 根/km 63.0 5.9-35.3z 97.9z1/2.5 弹性扣件注: z 为梁轨相对位移 , 单位 cm。表 2列车荷载作用下线路纵向阻力桥梁及线路扣件布置P1阻力表达式 N/cm. 轨 1-2-12-38.2z 127.5z1/3.2明桥面、木枕型扣件、1-3-1桥枕每 M三根、 60kg/m、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结 50kg/m 钢轨 1-4-1 1-5-12-39.2z 126.5z1/3.1 1-6-1有碴桥、木枕 1840 根/ 公里, 木枕型混凝土枕 1760 根/ 公里,50 、扣件全紧2-37.3z97.9z1/2.5 60kg/m 钢轨混凝土枕弹性扣件注： P1: 机车荷载作用下阻力。P2:车辆荷载作用下阻力 , 取 P1 的 75%。z: 梁轨相对位移 , 单位以 cm计。“轨道结构对梁体减载作用”4 通过两个梁轨模型结构，使梁体与钢轨之间产生一系列的相对位移，并测定钢轨的受力情形，以讨论轨道在不同的竖向受载下，轨道纵向位移阻力与梁轨相对位移关系，得出实体结构的轨道纵向位移阻力与梁轨相对位移和竖向荷载的关系式为：p 1 q/66>8.8s 2.25S2 0.368S3 0.025S4>S 6.0mmp 19.01 q/66>6 S 8mm其中 : p 轨道纵向位移阻力 kN/m> 。q轨道竖向受载 kN/m> 。S 梁轨相对位移 mm>。图 2 表示当 q0 或 80kN/m 时纵向位移阻力曲线。图 2实体轨道结构纵向位移阻力图 3 线路纵向位移阻力规律在我国现有铁路混凝土桥梁中，都为有碴桥面，有碴轨道的设计、施工、运营、修理、治理均有成熟的体会。在国外高速铁路中，大部分亦采纳有碴桥面无缝线路。考虑到桥梁施工、架设、铺设轨道等各方面因素，我国将来高速铁路将采纳有碴桥面， 60kg/m 钢轨 ,无缝线路的轨道结构为主5 ，因此 , 本文侧重分析有碴桥面桥梁纵向力。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3 汇总了 DS899/591 简化的双线性阻力特性 , 文3 中变量阻力规律和文4 表示的线路纵向阻力。为便于运算分析, 取文 1. 中有碴线路的线性位移阻力规律 斜线段 >进行运算，此运算结果偏于安全。二、力学运算模型1、运算模型的简化线路与桥梁的相互作用力学模型采纳平面体系，将轨道<钢轨）、道碴层、桥梁结构、支座、墩台、基础作为整体来考虑。梁体采纳平面应力二维实体单元。道床采纳线性桁式杆件进行模拟，材料特性依据轨道纵向阻力与梁轨相对关系来挑选。钢轨采纳线性材料杆单元。钢轨线性材料杆单元活动支座道床线性桁式杆单元固定支座梁平面应力二维实体单元图 4线路与桥梁共同作用力学模型2、路基段模型运算长度路基段无缝线路是连续的，桥上无缝线路的纵向力通过路基段线路传递到路基。在运算模型中，应选取路基段适当长度的线路来参加运算。以跨度 L 24m 梁，梁轨温差 T 15为例 , 分别运算路基段长度 Lo 为 20100m时钢轨温度力的分布情形。图 5 和图 6 表示钢轨单元端点是自由与固定两种不同边界条件。从此两图可以看出，在桥跨 24m时路基段钢轨长度大于 60m可满意运算精度要求。文1 也规定 , 路基上钢轨的必要长度 Lo L40m, 式中 L 为一座桥上各孔梁单跨长度的平均值。此规定和本文运算相一样。图 5不同路基长度钢轨温度伸缩力 自由边界 >可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 6不同路基长度钢轨伸缩力 固定边界 >3、运算模型中的基本假设在运算温度伸缩力时，仅为单纯的升温或降温，一般取一天以内的最大梁温差运算梁的伸缩量。梁在支座外悬出的部分，在运算时不予考虑。 忽视梁端连续道床的堵头阻力。路基变形不计。三、温度伸缩力梁因温度变化产生伸缩，道床对梁轨间的相对位移产生肯定的约束阻力，所谓温度伸缩力是因梁的伸缩而引起的钢轨纵向附加力。温度伸缩力与梁轨温差、线路纵向位移阻力、梁跨等有关，下面将考虑跨数、跨度、支座类型、线路阻力对温度伸缩力和支座水平附加力的影响。1、单跨简支梁运算时线路纵向位移阻力系数，即单位长度 <m）的每条线路 两根钢轨 >产生每 mm位移需克服的阻力，分别按 10kN/m.mm.线、 7.5kN/m.mm. 线和 5kN/m.mm.线考虑 , 桥梁跨度取 24m、32m和 40m三种，并考虑钢支座和一般板式橡胶支座两种支承方式。当简支梁用钢支座支承时，梁的一端为固定支座，另一端为活动支座，而采纳板式橡胶支座时，就梁两端不区分固定或活动。表 3.单跨简支梁桥的温度伸缩力和支座水平力运算表支座线路纵向阻力钢轨伸缩力kN支座水平反力 kN类型 kN/m.mm. 线L 24m L 32m L 40mL 24m L 32m L 40m钢10203.95/-275.50 299.78/-441.09390.10/-617.85 458.88 701.43 936.49 支7.5166.72/-218.68 249.92/-353.84331.51/-500.50 374.45 580.54 785.75 座5123.99/-156.20 190.36/-256.40258.02/-366.95 277.43 438.42 604.70 板式10 139.19/-48.80 217.30/-97.04294.79/-157.72 37.62 66.54 104.42 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结橡胶7.5 110.76/-34.56 175.53/-69.98242.60/-116.14 37.56 66.53 104.27 支座5 79.19/-20.88 127.87/-43.25180.79/-73.67 37.49 66.52 104.12 注:梁体温升以30计。钢轨伸缩力以拉为正、压为负。板式支座不区分固定和活动，按现行规格使用。从表 3 可以看出，随着桥梁跨度、线路纵向位移阻力的增加，钢轨温度伸缩力和支座水平力随之增长。钢轨承担的最大伸缩压力或拉力，无论是梁升温或降温，钢支座支承时发生在桥台活动支座处，板式支座支承时发生在桥跨中部。a. 钢支座支承时b. 板式橡胶支座支承时图 7单跨简支梁桥 L=24m>不同温升 T=15、 20、25、30>时温度伸缩力分布图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结a. 钢支座支承时b. 板式橡胶支座支承时 图 8单跨简支梁桥不同线路纵向阻力时温度伸缩力当桥梁采纳不区分固定和活动的板支时，可以显著削减钢轨的温度伸缩力，表中钢轨伸缩拉力仅为钢支座时的6475，钢轨伸缩压力仅为钢支座时的13 25。桥梁支座所承担的无缝线路温度附加水平力，钢支座所承担的水平力明显大于板支。板支水平力只是支座水平刚度与水平变位的乘积，与钢轨上的温度伸缩力无关，也不受线路纵向阻力的影响。因此，在铺设无缝线路的桥梁上，采纳板式橡胶支座可削减由于梁体温度变化而引起的钢轨伸缩力和支座附加水平力， 这和采纳常量线路纵向位移阻力的运算结果相像 见附录 >。图 9钢支和板支时钢轨温度伸缩力的对比2、多跨简支梁桥可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为了分析多跨简支梁桥梁跨数对钢轨伸缩力的支座水平力的影响，以24m跨度的简支梁为例分别运算1 10 跨的温度伸缩力和支座水平力。运算中梁体温升仍按 30考虑，线路纵向位移阻力系数为10kN/m.mm.线 无载>。表 4 列出主要运算结果，图 10 11 为 10.跨简支梁钢支或板支时的温度伸缩分布图，图12 为 1 10 跨时板支和钢支最大伸缩力随跨数变化图，图13 为 1 10 跨时板支和钢支最大支座附加力随跨数变化图。表 4不同跨数简支梁桥的温度伸缩力和支座水平附加力支座最大钢轨伸缩力支座水平附加力kN跨数类型伸缩力百分比1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 275.50 65.9% 458.88 2 418.27 100% 390.90 308.55 3 443.19 106.0%348.56 156.44 243.48 钢 4449.67 107.5% 336.81 114.23 91.34 225.11 支 5445.46 106.5% 333.53 102.44 48.89 72.09 215.69 座 6455.50 108.9% 332.62 99.19 37.17 29.84 63.40 229.13 7 453.55 108.4%332.37 98.27 33.84 17.85 20.21 79.08 215.96 8 452.26 108.1%332.30 98.01 32.92 14.53 8.22 37.43 63.68 217.36 9 445.14 106.4%332.28 97.94 32.66 13.60 4.87 25.79 21.14 64.14 212.59 10 439.31 105.0%332.26 97.92 32.59 13.34 3.93 22.53 9.22 21.21 57.85 216.70 1 139.19 99.1% 37.62 2 140.40 100 % 46.79 46.61 板 3127.94 91.1% 48.05 44.50 47.85 式 4120.53 85.8% 48.79 45.87 45.70 48.60 橡 5126.12 89.8% 49.24 46.70 44.44 46.64 49.18 胶 6132.47 94.4% 49.52 47.21 45.25 45.43 47.41 48.52 支 7137.10 97.6% 49.73 47.59 45.85 44.54 46.12 46.66 49.55 座 8141.16 100.5% 49.86 47.84 46.25 44.89 45.25 45.40 47.75 49.71 9 143.96 102.5% 49.95 48.00 46.51 45.27 44.68 44.59 46.59 48.05 49.96 10 146.11 104.1% 50.00 48.09 46.65 45.49 44.46 44.67 45.95 47.13 48.65 49.45 注: 梁体温升以 30计。最大钢轨伸缩力是取拉、压力的最大肯定值。板式支座不分固定和活动。以二跨梁的伸缩力为基准运算百分比。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 10不同温升时 15 、20、25、30 >十跨 24m简支梁 钢支 >的温度伸缩力图 11不同温升时 15 、20、25、30 >十跨 24m简支梁 板支 >的温度伸缩力当桥梁跨数由单跨增加到二跨，钢支座支承时钢轨温度伸缩力显著增大，最大钢轨伸缩力由 275.50kN 增加到 418.27kN, 增幅达 52%。当跨数连续增加时 , 钢轨温度伸缩力略有增加 , 到 6 跨时达到极大，后略有下降，但增幅或降幅均不大。钢轨温度伸缩力的极大值显现在首尾两跨，中间各跨的钢轨伸缩力的数值较为接近，在温升 30、跨度 24m、线路纵向阻力系数10 kN/m.mm. 线时 ,温度伸缩拉力 80kN, 温度伸缩压力160kN。按 DS899/59 附录 3.“在特殊情形下铺设焊接长钢轨的多联结构，由于温度变化所产生的钢轨内力和水平支座反力的计算”中，给出梁体中间区段的纵向力P=q× Lo/4q为水平位移阻力 ,. Lo为跨度 >, 此与运算得出的温度伸缩力相近q 取 20kN/m. 线, Lo=24m,就.P=120kN>,误差产 生的缘由是在运算中水平位移阻力是随位移线性增加的, 而没有采纳 DS899/59 中的双线性模型。当梁跨相等时，由于在桥梁中间部位梁可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 12 . 钢支和板支的简支梁桥温度伸缩力最大值与跨数关系图图 13 钢支或板支时简支梁分别用桥在温升时最大水平支座附加力与跨数关系图体结构两端钢轨纵向力相差很小，此处由梁体温度变化产生的支座水平反力近似为零。关于钢支座的梁体温升时支座水平力的分布，仍以两端跨上的固定支座受力最大，所不同的是，多跨结构的最大支座水平反力小于单跨梁的最大支座水平反力，其值由 458.88kN 降低到 390.90kN, 并随着跨数的增加 , 固定支座的最大水平力逐步削减并趋于稳固 , 可参见图 13。支承于板式橡胶支座上的简支梁体系，其温度伸缩力和支座水平附加反力与钢支座支承的体系不同，当梁体温升时，如跨数增加，就在跨中的最大温度伸缩拉力逐步削减，而桥跨两端最大温度伸缩压力逐步增大，如不考虑伸缩拉力和伸缩压力的情形，单纯考虑作为温度伸缩力而言，45 跨时温度伸缩力微小，但总体上温度伸缩力基本与跨数无关。而且支座水平附加力也与跨数无关，仅与温度产生的支座水平变位有关。由于钢支座支承时，桥梁的温度伸缩力和固定支座水平反力都是桥梁两端显著增大，改善两端的受力，将极大的减低温度伸缩力和支座水平反力的总体水平。在全桥活动支座侧端部布置有三跨跨度递减的的梁 见图 14>，可使钢轨的伸缩力降低 25%左右。表 5 为运算温升 30时等跨与不等跨的温度伸缩力和支座水平反力汇总表，温度伸缩力分布见图15。图 14在全桥活动支座侧布置三跨跨度递减的梁,可减低温度伸缩力的极大值表 5等跨与不等跨梁体结构温升30时钢轨伸缩力和支座水平力支座水平力kN最大伸缩力kN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10不等跨 347.04/300.61 332.33 98.12 33.32 15.98 13.45 20.97 52.70 55.96 3.61 0.27 等跨 347.04/-448.54 332.31 98.06 33.09 15.12 10.37 9.87 12.68 24.11 65.56 215.46 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 15 等跨与不等跨梁体结构温升30时钢轨纵向力分布图3、温度伸缩力小结通过对桥上无缝线路温度伸缩力及支座水平附加力的运算和分析，有以下初步结论：桥上无缝线路的钢轨温度伸缩力和支座的附加水平力随线路纵向阻力、随温升和桥梁跨度的增加而增大。多跨简支梁桥上钢轨承担的最大伸缩压力或拉力，对钢支座无论梁升温或降 温，均发生在桥台活动支座处，墩台固定支座承担的水平反力，按桥跨两端钢轨纵向力之差取值，最大值是桥台固定支座，其次是靠近有活动支座桥台的一跨上的边墩固定支座承担。对不区分固定或活动的板式橡胶支座，钢轨承担的最大伸缩压力或拉力，处于桥梁跨度中心，且支座承担的水平力各跨大体相同。温度伸缩力随跨数的增加而有不同的变化。钢支座支承时，二跨梁比单跨梁的温度伸缩力大许多，但跨数连续增加时，温度伸缩力增长缓慢，支座的最大水平力以单跨梁为最大。板式橡胶支座支承时最大温度伸缩力和支座水平力与跨数的关系不明显。5 跨以上的桥梁，伸缩力随跨数增加而增大的值甚小，伸缩力分布曲线趋于平缓，可简化只按 5 跨运算伸缩力和支座附加水平力。在全桥端部布置三跨跨度递减的桥梁，可使温度伸缩力的峰值降低 25左右，即可使最大钢轨伸缩力和水平支座反力比通常按等跨布置的桥梁要小。在多跨简支梁中使用不分固定或活动的板式橡胶支座，可显著减小钢轨伸缩力和支座附加水平力。四、挠曲力桥梁在列车荷载作用下，将产生挠曲变形。以图16 上承式简支梁为例，梁产生挠曲变形时，梁上翼缘缩短，下翼缘伸长，梁各截面产生转角，引起上下翼缘发生纵向位移。当梁挠曲时，梁各截面的位移，实 际上是梁的平移和旋转的组合。上翼缘的位移，在固定端最大， 在活动端最小或为零。对不分 固定和活动的支座，上翼缘的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结位移两端一样。当梁上翼缘发生位移时，它通过桥面道碴与轨道的联结带动钢轨位移，使线路阻力作用于钢轨。此时，钢轨在纵向位移阻力作用下因梁挠曲而产生的纵向力即为挠曲力。图 16梁挠曲时发生的纵向位移运算挠曲力时，仍以24m混凝土梁 , 均布垂直荷载 q 80kN/m 为例进行。此时挠跨比约1/2684,. 线路纵向位移阻力系数受载时取30kN m.mm.线, 不受载时取 10kN/m.mm.线。跨数 1. 10 跨简支梁桥的挠曲力和梁挠曲引起的支座附加水平力列于表6，挠曲力分布和最大 挠曲力、支座附加力与跨数的关系见图1720。综合运算结果和有关资料，挠曲 力分布规律如下：1、梁上翼缘的纵向位移, 与梁上荷载成正比。钢轨挠曲力和支座附加水平力随着荷载的增加而增大。2、线路纵向阻力也影响钢轨挠曲力, 纵向阻力大就钢轨挠曲力也大。3、梁在列车荷载作用下，固定端处纵向位移和钢轨挠曲拉力最大，近表 6简支梁桥挠曲力和支座水平附加力支座钢轨挠曲力支座水平附加力kN跨数类型最大值 kN百分比1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 164.04 89.4%236.43 2 183.40 100% 57.39 204.29 3 185.99 101.4% 33.99 32.04 200.84 钢 4 186.31 101.6% 30.92 9.41 28.79 200.25 支 5 186.47 101.7% 30.51 6.44 6.16 28.10 198.26 6 186.31 101.6% 30.46 6.05 3.23 5.78 28.33 200.36 座 7 186.31 101.6% 30.45 6.00 2.84 2.80 5.72 28.33 200.36 8 186.31 101.6% 30.45 5.99 2.79 2.41 2.75 5.71 28.33 200.34 9 186.31 101.6% 30.45 5.99 2.78 2.36 2.36 2.74 5.71 28.32 200.30 10 186.31 101.6% 30.45 5.99 2.78 2.36 2.31 2.35 2.74 5.70 28.22 199.51 1 144.60 112.0% 12.64 2 129.07 100% 14.74 14.70 板 3 120.17 93.1% 15.95 12.60 15.88