梁端位移对明桥面桥扣件受力的影响分析

马战国,许绍辉,尤瑞林

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081;2.中南大学土木建筑学院,长沙 410000)

梁端位移对明桥面桥扣件受力的影响分析

马战国1,许绍辉1,尤瑞林2

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081;2.中南大学土木建筑学院,长沙 410000)

在城市铁路大跨度明桥面桥上采用新型树脂轨道结构,可以避免木枕明桥面桥曲线超高和竖曲线调整比较难的缺点。结合城市铁路大跨度桥梁的结构特点,建立了新型树脂轨枕轨道结构梁体位移对梁端扣件受力计算模型,分析计算了梁端转角以及错台对扣件的影响。计算结果表明,梁端位移对扣件受力影响范围较短,一般不超过 6～8组扣件;当梁端产生转角时,梁端两侧第一组扣件受到的压力或拉力最大,随着梁端转角的增大,最大拉力、压力均随之增大。当梁端转角为 3‰rad时,扣件所承受的最大拉力达 18.78 kN。建议城市铁路大跨度桥梁梁端转角应小于 2.5‰rad,最大不超过 3.0‰rad,梁端负转角不应超过 1.5‰rad,梁端错台控制在 1.5mm以内。

树脂轨枕 明桥面 梁体位移 扣件 垂向力

我国铁路明桥面桥一般采用木枕,扣件采用 K型扣件。《铁路线路设计规范》(GB50090—2006)第3.1.10条规定[1],明桥面桥不应设置在反向曲线上,也不宜设置在缓和曲线上。明桥面桥如设在曲线上,曲线超高也较难处理。明桥面桥曲线超高主要靠桥枕调整,或部分通过桥梁调整,其余超高通过桥枕调整。当桥枕高度不够时,还需将两根桥枕重叠做成楔形。竖曲线不应设在明桥面上,明桥面上不应设置变坡点,竖曲线也不应伸入桥面。明桥面上如有竖曲线,其曲率需用木楔调整,每根木枕的厚度都不一样,给施工养护带来困难。木枕在使用中,易出现垫板空吊、桥枕歪斜、线路爬行等问题[2]。

对于城市铁路而言,由于受地形条件的限制,明桥面桥上需设置平面曲线和竖曲线。考虑到木枕明桥面桥难于调整曲线超高和竖曲线,且施工以及养护维修困难,在大跨度明桥面桥上可采用新型树脂轨道结构,扣件采用 K型扣件或弹条扣件。

1 新型树脂轨枕轨道结构

树脂合成轨枕是一种以玻璃长纤维和硬质聚氨酯树脂复合材料合成轨枕,其复合材料简称 FFU(Fiber Reinforced Formed Urethane)。合成树脂材料 FFU外形与木材相似,但具有现代合成材料的优点,它可以生产出各种尺寸和长度。合成树脂轨枕具有耐腐蚀、耐气候变化、耐疲劳、耐电气绝缘和易加工等特点。在自然环境下无腐蚀,因此可以确保长期具有良好精度。其电气的绝缘阻抗较高,使用它不必考虑绝缘因素。同时可以像加工木材那样去加工合成枕。利用传统加工木材的设备就可对其进行钻孔、锯切加工。合成树脂材料热膨胀系数和导热性能较低。由于聚亚氨脂和玻璃纤维的分子结构排列紧密,使其吸水率很低[3]。

合成树脂材料甚至于在长期侵蚀的使用条件下,其材料性能稳定可靠。在长期露天使用后,材料的机械性能无明显降低。合成树脂轨枕机械性能稳定,其弯曲强度可达 100 MPa,螺栓抗拔力(螺纹道钉)可达60 kN。

合成树脂轨枕已在日本东海道新干线、台湾新干线、维也纳地铁、广州地铁等铁路上使用。在日本东海道新干线主要应用于明桥面桥,在台湾新干线应用于道岔,广州地铁主要用于车辆段有砟轨道小半径曲线地段和小号码道岔,曲线半径最小为 65m[4]。维也纳地铁主要用于明桥面桥,其 Zollamt桥就采用了合成树脂轨枕[5]。

树脂合成轨枕具有易修复的特点,一旦孔位错误,可用专用胶水迅速在原位补孔修复。新修复的孔位仍具有足够的锚固力。在树脂轨枕需要调整超高或高低时,可采用调整枕底衬垫厚度的方式(见图 1)或采用四级调整方式,在树脂轨枕下设置钢垫块,可根据线路不同超高或竖曲线位置,采用不同厚度的钢垫块,可通过钢垫块、钢垫板、枕木高度、扣件调高垫板来进行四级调整,保证施工精度。在施工中通过调整钢垫板、钢垫块的方式,使轨枕的厚度基本保持一致,便于养护维修及更换。

图1 树脂轨枕轨道结构示意

2 计算模型和参数

桥梁在温度变化及列车荷载作用下或由于基础沉降、路基下沉等,将引起梁端位移,包括竖向位移和转角,对轨道结构会产生一定的影响,使钢轨产生变形和附加力[6]。计算模型见图 2。

模型中采用以下假设：①在端部一定长度范围内,视梁为一刚性体,仅发生刚体位移;②假设树脂轨枕与梁体之间无相对位移;③考虑扣件系统的垂向和纵向约束能力,并将其简化为一非线性弹簧。

2.1 梁体位移

梁体的位移考虑以下三种工况：梁端转角,错台和坡道梁(见图 3)。

1)梁端转角。由于梁端转角引起的扣件支座位移为：xi=θh,yi=θLi,式中,xi、yi分别为扣件支座水平位移和垂直位移(mm),h为桥梁支座至扣件支座高度(mm);Li为扣件支座至桥梁支座的水平距离(mm);θ为梁端转角(rad)。

2)错台。由于错台和桥梁水平位移引起的扣件支座位移为 ：xi=δx,yi=δy,式中 ,δx、δy分别为梁端错台的水平位移和垂向位移。

3)坡道梁。坡道上桥梁由于温度变化 Δt引起伸缩时相当于在活动端支座位置上产生水平位移和转角,由此引起的扣件支座位移 xi=ΔsL+θph,yi=θpLi,梁体平移s=LaΔt,梁体转角 θp=-aiΔt,i为坡度。

图2 计算模型

图3 梁端位移示意

2.2 扣件节点参数

扣件采用非线性弹簧模拟,以扣件节点间距为弹簧间距。弹条扣件刚度曲线根据扣件工作状态分为压力状态和拉力状态,根据室内试验结果,扣件垂向刚度曲线如图 4所示。

3 梁端转角影响分析

以梁端产生转角 1.0‰、2.0‰、3.0‰、4.0‰、-3.0‰和 -1.0‰rad分别进行计算。模型中左侧为路基,右侧为桥梁,梁体向下弯曲产生的梁端转角为正,梁体向上拱曲产生的梁端转角为负;扣件受拉力为负,受压力为正;垂向位移以向上为正,向下为负;扣件以梁端第一个扣件编号为 0,左侧路基端编号为负,右侧桥梁端扣件编号为正。梁端发生不同转角情况下,扣件产生的最大拉力、压力以及位移见表 1。梁端转角为 4‰ rad时,扣件垂向力以及位移计算结果见图5,图 6。梁端转角为 -1‰ rad和 -3‰ rad时,扣件垂向力以及位移变化见图 7和图 8。

图4 扣件刚度曲线

表1 扣件的最大受力及钢轨的垂向相对位移

图5 梁端转角由 1‰ rad变化到4‰ rad时扣件垂向力变化

可以看出当梁端发生正的转角时,右侧梁端第一个扣件受到的压力最大,左侧路基段第一个扣件受到的拉力最大;当梁端发生负的转角时,右侧梁端第一个扣件受到的拉力最大,左侧路基段第一个扣件受到的压力最大。梁端发生转角时,对梁体两端各 4～6组扣件受力产生一定的影响,对其余扣件受力的影响则很小。

当右侧桥梁发生正转角时,由于梁缝右侧扣件推动钢轨向上运动,从而使得 0号扣件存在较大压力,而 -1号和 -2号扣件则产生较大拉力。右侧桥梁产生负转角时,0号扣件受到较大拉力,最大压力则出现在 -1号扣件。随着梁端转角的增大,最大拉、压力均随之增大。

图6 梁端转角由 1‰ rad变化到 4‰ rad时梁端钢轨的垂向相对位移变化

图7 梁端转角由 -1‰ rad变化到-3‰ rad时扣件垂向力变化

图8 梁端转角由 -1‰ rad变化到 -3‰ rad时梁端钢轨的垂向相对位移变化

当梁端转角为 3‰rad时,扣件的最大拉力已达18.78 kN,最大压力达 52.74 kN。扣件的最大拉力以及最大压力均较大,对扣件的受力不利,在反复荷载作用下,易使扣件产生残余变形与残余应力。

梁端转角对扣件受力影响范围较短,一般不超过6组扣件,故桥上设置钢轨伸缩调节器时,不会影响由于梁端转角而引起的扣件受力的大小。

4 梁端错台影响分析

梁端错台考虑 5种工况,分别是梁端错台 0.5 mm、1.0mm、1.5mm、2.0 mm、3.0mm;不同工况下梁端部扣件节点最大拉力和最大压力见表 2。

错台为 3.0mm时,不同扣件节点受力以及位移变化见图 9～图 11。可以看出当右侧发生向下错台时,右侧梁端第一个扣件受到的拉力最大,左侧路基段第一个扣件受到的压力最大。

表2 不同梁端错台下扣件所受垂向力和位移最大值

图9 梁端错台 3.0mm时扣件垂向力计算结果

图10 梁端错台 3.0mm时梁端钢轨垂向位移计算结果

图11 梁端错台位移对扣件最大拉力值的影响

当梁端错台为 1.5 mm时,扣件的最大拉力达15.88 kN,最大压力达 16.83 kN。扣件的最大拉力以及最大压力均较大,对扣件的受力不利,在反复荷载作用下,易使扣件产生残余变形与残余应力。因此,应控制梁端错台的大小。

5 结论

树脂轨枕具有耐水和耐腐蚀性,加工便利,在明桥面桥可替代木枕。在城市铁路大跨度明桥面桥上采用树脂轨枕轨道结构时,应考虑梁端位移对扣件受力的影响。

1)当梁端发生正的转角时,右侧梁端第一个扣件受到的压力最大,左侧路基段第一个扣件受到的拉力最大;当梁端发生负的转角时,右侧梁端第一个扣件受到的拉力最大,左侧路基段第一个扣件受到的压力最大。随着梁端转角的增大,扣件中最大拉、压力均随之增大。

2)桥上线路采用弹条扣件,当梁端转角为 3‰rad时,扣件的最大拉力达 18.78 kN,最大压力达52.74 kN。为减小梁端扣件的上拔力,可减小桥梁梁端转角,建议城市铁路大跨度明桥面桥梁端转角应 ＜2.5‰rad,困难条件下最大不超过 3.0‰ rad,梁端负转角不应超过 1.5‰rad。

3)当右侧梁体发生向下错台时,右侧梁端第一个扣件受到的拉力最大,左侧路基段第一个扣件受到的压力最大。桥上采用弹条扣件,当梁端错台为 2.0 mm时,扣件的最大拉力达 18.02 kN,最大压力达 21.49 kN。为控制扣件垂向力的大小,建议梁端错台控制在1.5mm以内。

4)梁端位移对扣件受力影响范围较短,一般不超过 6组扣件,故桥上设置钢轨伸缩调节器时,不会影响由于梁端转角而引起的扣件垂向力的大小。

[1]中华人民共和国铁道部.GB 50090—2006 铁路线路设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2006.

[2]耿家文.明桥面K型分开式扣件的养护方法探讨[J].铁道建筑,1999(12)：12-13.

[3]崔幼飞.树脂合成轨枕的测试与应用[J].铁道建筑技术,2008(1)：39-42.

[4]刘苑.玻璃纤维增强塑料在地铁中的应用[J].新型建材,2008(6)：12-14.

[5]Austrian Bridge Fitted with composite sleeper[Z],2004.

[6]赵坪锐,肖杰灵,刘学毅.梁端位移对无砟轨道扣件系统的影响分析[J].铁道学报,2008(10)：68-73.

U213.5+3;U 213.2+4;U443.31+2

A

1003-1995(2010)02-0117-04

2009-09-30;

2009-11-20

马战国(1970— ),男,山西芮城人,副研究员。

(责任审编 王 红)