梁端扣件布置对轨道及列车受力特性的影响

武文平吴定俊 李 奇

（同济大学桥梁工程系，上海200092）

梁端扣件布置对轨道及列车受力特性的影响

武文平*吴定俊 李 奇

（同济大学桥梁工程系，上海200092）

上海轨道交通桥梁现有两种梁端扣件布置形式，一种是扣件全部布置在梁上，一种是部分扣件布置在墩上。为了说明两种形式的区别，用有限元模拟的方法对其进行比较。从对扣件上拔力、钢轨应力和列车走行性的影响三个方面做了计算对比。结果表明，后者相对于前者对扣件抵抗上拔力的要求更严格，对减小钢轨应力和提高列车走行性比较有利。

扣件布置，扣件力，钢轨应力，列车走行性

1 引 言

对无砟轨道桥梁，梁端变位会对扣件受力、钢轨应力及列车走行产生较大影响。很多学者对此做了研究，提出了梁端转角、梁端错位的限值［1-5］。指出减小梁端悬臂长度、减小扣件刚度可以降低扣件上拔力，并分别给出了建议值范围［1-3］。在长大桥梁的梁端处理上也给出了方案和建议［1，4］。但是在简支梁桥中改进梁端扣件布置形式的尝试不多。

本文将通过有限元数值方法分析比较上海轨道交通U形梁中两种梁端布置形式对扣件力、钢轨应力和列车走行的影响。

2 两种扣件布置及有限元模型

上海轨道交通U形梁中较多的梁端扣件布置形式如图1所示，扣件等间距对称布置在梁上，以下称布置形式A。某条轨交线上采用了一种不同的扣件布置形式如图2所示，粱缝处有三排扣件直接布置在墩上，且扣件间距不同，以下称布置形式B。

采用ANSYS程序分别建立两跨简支梁平面模型，见图1、图2。Ht，Hb分别表示桥梁形心到钢轨形心和支座的距离，此处Ht为0.1 m，Hb为0.6 m，跨度30 m，扣件位置及编号如图中所示。为了突出扣件布置形式的影响而淡化梁型，梁及钢轨采用beam3单元，详细参数见表1。扣件为WJ-2型小阻力扣件，纵向用combin14单元模拟，竖向用combin39分段线性弹簧单元模拟［1］，扣件参数见表2，combin39弹簧刚度曲线如图3所示，图中，F0为弹条扣压力，kp为胶垫刚度，kc为弹条刚度。

图1 梁端扣件布置形式A（单位：m）Fig.1 Fastener arrangement type A（unit：m）

图2 梁端扣件布置形式B（单位：m）Fig.2 Fastener arrangement type B（unit：m）

表1 梁和钢轨有限元模型参数Table 1 Finite elementmodel parameters

表2 W J-2扣件参数Table 2 Parameters of fastener W J-2

图3 combin39单元刚度曲线Fig.3 stiffness curve of element combin39

3 扣件上拔力比较

本文比较了梁端转角位移的两种实现方式的影响，一为直接施加支座转角，二为在跨中20 m长范围内均布加载。相同转角下，1号扣件力结果比较如表3所示。

表3 不同加载方式下的1号扣件力Table 3Forces of fastener 1 w ith different loading methods

由表3可以看出，两种加载方式下扣件力大小几乎相同，所以本文用施加支点转角的方式来模拟梁端转角，以下计算分四类情况进行，每类情况下转角由0.3‰变到3‰，见表4。

经计算，A单侧转动时，1号扣件上拔力最大；A双侧时3号最大；B单侧时01号最大；B双侧时02号最大，如图4、图5所示。

表4 计算工况Table 4 W orking conditions

每类情况下最大扣件上拔力随转角变化的规律如图6所示。相同转角时，形式A单侧转动引起的最大上拔力大于双侧转动；形式B双侧转动引起的最大上拔力大于单侧转动，且B双侧的最大上拔力大于A单侧。扣件可近似看作弹簧，上拔力的大小决定于扣件位置处钢轨相对于承台的位移。梁转动时，梁缝附近钢轨作为悬臂而有向上的位移趋势，两侧转动引起的钢轨上移大于一侧转动。形式B中02号扣件到两支座的距离比形式A中1号扣件到左支座的距离大，钢轨悬臂效应更明显。所以有形式B双侧转动的最大扣件上拔力大于形式A单侧转动的现象。

图4 转角1.0‰时形式A扣件力Fig.4 Fastener force of type A at1.0‰angle

图5 转角1.0‰时形式B扣件力Fig.5 Fastener force of type A at1.0‰angle

以扣件上拔力不超过弹条扣压力为限值条件，因单双侧转动可能同时发生，所以在只考虑梁端转角影响时，取A布置的转角限值为2‰，B布置为1.7‰，如图6所示。

图6 最大扣件上拔力Fig.6 Themaximum fastener force

4 最大钢轨应力比较

对每类情况，分别计算得出了由弯矩和轴力的合力产生的钢轨最大拉应力随转角变化的趋势，如图7所示。两种布置情况下，单侧转动引起的最大拉应力均小于双侧转动；且形式B双侧转动引起的拉应力小于形式A双侧转动。以转角1‰为例，A双侧引起的钢轨最大拉应力为25.5 MPa，而B双侧为17.7 MPa，减小30%。形式B梁端两支座的距离为2.6 m，大于形式A梁端两支座距离1.2 m，在发生相同转角的情况下，形式B中钢轨弯折程度要小于形式A，则最大钢轨应力相应也小。所以形式B有助于减小钢轨应力。

图7 钢轨最大应力Fig.7 Themaximum rail stress

应该指出，扣除伸缩力、制动力、挠曲力引起的钢轨应力外，梁端变位引起的钢轨应力限值为109 MPa［2］。所以转角较小时，梁端转角引起的钢轨应力很小，一般不予考虑；但对于长大跨桥梁，梁端转角可能大于3‰，此时的影响较大。如图7所示，3‰转角时，A布置钢轨最大应力为76 MPa，B布置为48 MPa，减小37%，B布置的优越性较明显。

5 对列车走行的影响比较

梁端变位是影响桥上列车走行性的重要因素［1］，实质上梁端钢轨曲率为最根本因素。由M＝－EIy＂知钢轨曲率正比于弯矩，而本文中弯矩是产生钢轨应力的主要因素。所以从图7中B双侧引起的钢轨应力小于A双侧可知，B双侧转动引起的钢轨弯矩小于A双侧转动。即相同转角情况下形式B钢轨最大曲率小于形式A，轨面更加平顺。

对列车通过桥梁时的情况进行动力仿真计算［6］。使用六节编组地铁A型车，使用美国6级谱轨面不平顺。当列车以不同速度通过桥梁时，第一辆车的最大竖向加速度随车速变化如图8所示。不同车速下形式B中车辆最大竖向加速度均小于形式A。所以形式B扣件布置相对于形式A对行车更加有利。

参考高铁设计规范，要求列车竖向最大加速度小于1.27 m／s2（0.13g），计算值远小于限值，所以形式B的列车走形性比形式A有所提高，但是不明显。

图8 车辆最大竖向加速度随车速变化Fig.8 Themaximum vehicle vertical acceleration

6 结 论

上海轨道交通桥梁中现有两种梁端扣件布置形式，全部布置在梁上和部分布置在墩上（分别称为形式A和形式B），本文在以下三个方面对其进行了比较。

（1）相同梁端转角时，形式B引起的最大扣件上拔力大于形式A，所以形式B对于扣件抵抗上拔力的要求更加严格。

（2）相同梁端转角时，形式B引起的最大钢轨应力小于形式A，所以形式B对于减小钢轨应力有利。

（3）形式B梁缝处钢轨的曲率小于形式A，钢轨更加平顺，形式B的列车走行较形式A有所提高，但不显著。

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Com parison of the Influence of Two Types of Beam End Fastener Arrangements on Rail and Train

WUWenping*WU Dingjun LIQi
（Department of Bridge Engineering，TongJi University，Shanghai200092，China）

Two types of beam end fastener arrangements are adopted in rail transit bridges in Shanghai.For one type，all fasteners are fixed on beam；while for another，partof fasteners are on piers.The numerical simulation method was used to compare their difference in three aspects.The result shows that the second configuration requires fasteners to resistmore upward tensile forces.But this type reduces rail stress and it improves train running property compared with the first type of arrangement.

beam end，fastener arrangement，fastener force，rail stress，train running property

2013-03-19

*联系作者，Email：wu.wenping12345＠163.com