速度锁定器对桥上无缝线路的作用分析

方利，王志强

（1中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆400023；2重庆市设计院，重庆400015）

速度锁定器对桥上无缝线路的作用分析

方利1，王志强2

（1中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆400023；2重庆市设计院，重庆400015）

桥上无缝线路与路基上的不同，其钢轨除受温度力作用之外，还受到桥上附加纵向力作用[1]。特别在温度跨度较大的桥梁上，附加纵向力更复杂、力值更大。基于梁轨相互作用的分析原理，计算得出采用速度锁定器可以降低钢轨纵向力。该文给出的应用实例，能说明速度锁定器的有效性和可行性。

桥上无缝线路；速度锁定器；纵向力；动弯应力；钢轨制动应力；钢轨容许应力

0　前言

从1963年开始，桥上无缝线路(CWR track on bridge)先后在一些中小跨度的多种类型桥梁（简支梁、连续梁、桁梁、有碴无碴桥）上铺设，并对桥上无缝线路梁轨相互作用的原理进行大量的试验研究，涉及了多种类型桥梁上无缝线路纵向力作用规律，以及桥梁墩顶位移（高墩）等多种因素的影响，并建立了桥上无缝线路伸缩附加力、挠曲附加力的计算原理和计算方法，为中国在桥上铺设无缝线路奠定了基础。

然而当在桥梁上铺设无缝线路时，桥上无缝线路除受到列车动载、温度力、制动力等作用外，还受到由于桥梁的伸缩或挠曲变形产生的梁轨相互作用力——纵向附加力。附加纵向力增加了钢轨应力，并反作用于桥梁，并通过桥梁作用于墩台。此外，桥上无缝线路钢轨一旦断裂，不仅危及行车安全，还将产生断轨附加力，并通过桥跨结构而作用于墩台上。因此，设计桥上无缝线路时，使得桥梁轨道结构受力变的相当复杂。所以当温度跨度较大时，为了保证行车安全，要求轨道专业务必要进行钢轨强度检算。

1　工程概况

某铁路项目其中一桥梁结构为：4×32m简支梁+（60+5× 110+60）m连续梁+4×32m简支梁，连续梁小里程端位于直线上，大里程端位于R-7000半径曲线上，见图1。（60+5×110+60）m连续梁上只有#8桥墩为固定支座，其余#4、#5、#6、#7、#9、#10、#11都是活动支座；在连续梁两端的32m简支梁支座形式都是小里程端为活动支座，大里程端为固定支座。主跨温度跨度达390m。

图1　桥梁及支座布置图

2　计算分析

轨道初步设计方案为：该桥采用无缝线路、无砟轨道、常阻力扣件、钢轨采用U71MnG，按照有关规范要求，我们要进行钢轨强度检算，计算公式如下：

式中σ底d－轨底边缘动弯应力（MPa）,σ底d=

Md-轮底边缘最大可能动弯应力，W底-轨底的截面面积，f-轨道横向水平力系数；

σt－钢轨最大温度应力（MPa）,σt=E·α·△Tdmax，E-钢轨钢弹性模量，α-钢轨钢线膨胀系数取1.18×10-5，△Tdmax-无缝线路最大降温幅度（OC）；

σf－钢轨最大附加应力（MPa）桥上无缝线路钢轨附加纵向力（N）取桥上无缝线路挠曲力、伸缩力的最大值，F-钢轨断面面积（mm2）；

σz－钢轨牵引（制动）应力（MPa）,参照规范[2]附录F计算；

σs－钢轨钢屈服强度，按照规范规定U71MnG钢轨σs的取值为457MPa；

K－安全系数，取1.3。

表1　钢轨强度检算表

如果按照常规设计方案，该桥的钢轨强度不能满足规范要求，在运行中必然会出现钢轨断裂的危险，因此需要采取一定的措施来降低∑σ。

通常采用的措施有：把常阻力扣件换成小阻力扣件、铺设钢轨伸缩调节器、调节锁定轨温等。

3　工程措施

3.1采用小阻力扣件

在全桥范围内，共计长度为926m铺设小阻力扣件。计算结果如表2。

表2　钢轨强度检算表

在全桥范围内采用小阻力扣件也无法满足规范要求。

3.2采用钢轨伸缩调节器

由于该桥大里程端位于曲线地段，因此不能在连续梁的大里程端设置调节器。能设置调节器的位置，只能是连续梁的小里程端和中部。我们选择在中部设置一个双向伸缩调节器；并且在全桥范围内，共计长度为926m铺设小阻力扣件。计算结果如表3。

表3　钢轨强度检算表

采用钢轨伸缩调节器后，∑σ值确实降低了很多，完全满足了规范要求。然而在实际运行中，钢轨伸缩调节器是轨道的薄弱环节，因钢轨伸缩调节器尖轨与基本轨间的结构不平顺，列车在该处产生较大的冲击力，直接影响线路质量和列车运行平顺性和舒适性，且增加了设备费用和维修费用。在调节器两端，存在较长的伸缩区，伸缩区桥梁将承受较大的伸缩力。从行车的平顺性、舒适性及线路少维修的角度考虑，轨道结构设计应尽量避免或者减少设置钢轨伸缩调节器。

3.3采用速度锁定器

速度锁定器（也称为“速度锁定装置”：英文名称Lock-Up-Device，简称LUD；在美国公立桥梁建筑规范中成为Shock Transmission U-nit，简称STU）是一种主体为活塞式圆柱形腔体结构的抗震限位保护装置，通过腔体内填充的高粘度流体在活塞中的特殊性能“速度敏感性”，使缸体与活塞之间的低速工作状态下产生的抗力很小，而随着速度增加抗力迅速升高到设计值，速度锁定器由柔性变为刚性而“锁定”，实现两端连接构件之间低速下的相对位移和高速下的限位功能。当外力消钢轨的强度检算结果如表1。失后，速度锁定器的粘滞性流体在活塞两次腔室内的压力逐渐平衡，使速度锁定器不会产生内应力累积[3]。

在工程实践中，LUD主要用于抗震作用。但是我们发现当在桥梁上运用LUD时，在正常情况下LUD几乎不发挥作用，允许梁体转角及温差变形引起的水平位移；在制动力、风载或地震荷载作用下，LUD便会自动锁定，使得结构由正常状况下的一个固定墩变成两个或更多的固定墩，将上部结构的荷载有效地分布到多个墩子上去，使得结构的受力更均匀[4]。那么就能降低钢轨制动应力，从而降低∑σ。

我们选择在#7号桥墩处设置LUD，并且在全桥范围内，共计长度为926m铺设小阻力扣件。计算结果如表4。

表4　钢轨强度检算表

表2与表4相对比，设置速度锁定器后，钢轨制动应力降低了。从而使得∑σ减小，达到了规范要求。因此采用速度锁定器来降低钢轨受力的这一工程措施是有效的。

3.4桥梁墩台受力对比

由于设置LUD后，只有在制动力工况下才能发挥作用。我们需要对比的就是在制动力工况下，铺设伸缩调节器和速度锁定器这两种设备，桥梁墩台的受力变化。计算结果如表5。

表5　分别铺设两种设备情况下的墩台受力（单位：kN）

铺设速度锁定器情况下，#7号墩台变为固定墩承受纵向力，从而分担了#8号墩台的纵向力，使得结构的受力更均匀。这种情况对桥梁设计更有利。

4　结论

（1）通过工程实例应用表明，速度锁定器在制动力工况下，能降低钢轨制动应力。

（2）速度锁定器能使桥梁活动墩在制动力工况下变成固定墩，从而分散墩台受力，使得结构的受力更均匀。

（3）当无缝线路计算不能满足规范要求，我们可以采用速度锁定器（当通过计算可以满足规范要求时）而不用伸缩调节器，这样可以免除铺设伸缩调节器，而为工程施工减少了成本和施工难度，为后续养护维修带来便利。

[1]广钟岩，高慧安.铁路无缝线路[M].北京：中国铁道出版社，2010：193.

[2]铁道部.TB10015-2012铁路无缝线路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2013：35-36.

[3]许明杰，唐璐，韩鹏飞，等.一种速度锁定器在抗震结构中的应用[J].价值工程，2011（03）：307.

[4]余小华，窦胜谭.速度锁定器在桥梁抗震中的有限元模拟[J].铁道标准设计，2015（2）：57.

责任编辑：孙苏，李红

Analysis on Impact of Lock-Up-Device on Bridge CWR Track

The bridges CWR tracks are different from that of roadbeds,besides temperature stress,the additional longitudinal forces are also exerting influences on the steel rails,especially for the bridges with remarkable temperature span,the additional longitudinal forces are even more complex and larger.Based on the analysis theory of interaction between the beam and the steel rails,it is concluded that the application of lock-up-device can reduce the longitudinal force of steel rails.The feasibility and efficiency of lock-up-device are proved through practical cases.

bridge CWR tracks;LUD;longitudinal forces;dynamic bending stress;steel rail stress;steel rail allowable bearing stress

U213.2

A

1671-9107（2015）07-0038-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.07.038

2015-06-10

方利（1985-），女，四川成都人，硕士研究生，工程师，从事轨道工程研究。