重载铁路连续刚构桥与轨道系统受力特性研究

杨磊

(中铁十五局集团 湖州投资开发有限公司，浙江 湖州 313000)



重载铁路连续刚构桥与轨道系统受力特性研究

杨磊

(中铁十五局集团 湖州投资开发有限公司，浙江 湖州 313000)

摘要:为研究不同荷载作用下重载铁路连续刚构桥与轨道系统相互作用规律，建立 (108+180+108)m重载铁路连续刚构桥与轨道系统一体化仿真模型。考虑梁轨非线性接触，研究温度荷载、竖向活载、列车制动、不均匀沉降以及地震荷载作用下重载铁路连续刚构桥与轨道系统受力特性，计算系统动力特性。研究结果表明：温度荷载和竖向活载作用下，钢轨应力包络图呈对称分布，而列车制动作用下，钢轨应力包络图呈反对称分布，地震荷载作用下，钢轨应力包络图呈“双菱形”；最大钢轨应力(除不均匀沉降)均位于桥台附近，不均匀沉降作用时，出现在边跨跨中；地震荷载作用下，墩顶水平力最大值达到8 683.0 kN；不均匀沉降作用会造成较大的钢轨竖向位移，影响列车运行安全；连续刚构桥与轨道系统地震响应与地震波类型有关。

关键词：重载铁路；连续刚构桥；轨道工程；梁轨相互作用；地震响应

重载铁路以运量大为特点，有良好的发展前景，近些年来，在我国发展迅速[1]，已相继修建了山西晋煤-渤海湾铁路、朔黄铁路、瓦日线铁路等。连续刚构桥与其他类型的桥相比，具有刚度大，变形小的优点，在重载铁路中的应用日益广泛，但由于梁墩刚接，所以连续刚构桥-轨道系统对下部结构变形极为敏感。国内外学者对重载铁路梁轨相互作用课题进行了一定研究[2-8]，涉及的桥梁类型包括简支梁桥和大跨度连续梁桥等，但是，关于大跨度重载铁路连续刚构桥与轨道系统相互作用的研究仍极为匮乏，温度荷载、竖向活载、列车制动以及地震荷载作用下的连续刚构桥与轨道系统相互作用仍不明确。本文采用非线性杆单元来模拟线路纵向阻力，以竖向刚臂模拟梁高，用线性弹簧模拟扣件竖向刚度，以(108+180+108) m大跨度双线轨道连续刚构桥为例，建立了重载铁路连续刚构桥与轨道系统一体化仿真模型，研究了温度荷载、竖向活载，列车制动、不均匀沉降[9]以及地震荷载作用下重载铁路连续刚构桥-轨道系统受力特性，计算了系统动力特性。

1连续刚构桥-轨道相互作用模型

本文中桥采用单箱单室箱型截面，箱梁采用C60混凝土，桥面宽度12 m，跨中梁高7.5 m，支点梁高13.5 m(截面如图1所示)。桥墩采用矩形薄壁墩，桥墩高度为80 m。

单位：cm图1　桥梁截面Fig.1 Section of bridge

下刚臂与墩顶添加刚性连接。桥上铺设双线有砟轨道，钢轨为75 kg/m轨。在桥台两侧各建立200 m路基上的钢轨[10]。

有砟轨道线路纵向阻力r与梁轨相对位移u的关系可表示为[11]：

桥上不设钢轨伸缩调节器，在计算伸缩力时，对于有砟轨道混凝土桥而言，采用梁体升温15℃和梁墩升温15℃[10]计算钢轨伸缩力。

计算挠曲力时，参照我国《重载铁路设计规范(征求意见稿)》规定[13]，竖向活载取1.2倍ZH标准荷载即102kN/m[14]，如图2所示，加载方向从左到右，加载长度取300m[10]。

图2　重载铁路活载图式Fig.2 Heavy haul railway live load

计算制动力时，制动力率取0.2[11]。

桥梁场地属于Ⅱ类场地，抗震设防烈度8度，场地特征周期0.35s。在进行地震荷载作用分析时，地震波分别选用James_h波、Sanfer_h波和Taft_h波，峰值加速度取0.3g(设计地震)[15]。

图3　重载铁路下连续刚构桥-轨道相互作用模型Fig.3 Simulation model for large span continuous rigid frame bridges and track system under heary haul railuay

2梁轨系统相互作用分析

2.1温度荷载作用

为研究温度荷载作用下重载铁路连续钢构桥-轨道系统受力特性，分别在梁体上施加温度荷载15 ℃和梁墩上同时施加温度荷载15 ℃[12]，钢轨伸缩力和墩顶水平力见图4。

图4　温度作用下系统受力特性Fig.4 Track and pier forces due to thermal effects

由图4可知，在温度荷载作用下，钢轨应力图呈对称分布，最大钢轨伸缩力均出现在两侧桥台处，为52.2MPa(压应力)，1和2号桥墩最大墩顶水平力为863.1kN。桥墩一起升温15 ℃后，钢轨伸缩力变化较小，而墩顶水平力有所减小。

2.2竖向活载作用

在计算挠曲力时候，设置了5种不同工况(图5)来研究不同竖向活载工况对受力特性的影响，其中工况3位于桥梁正中间，计算结果见图6。

图5　竖向活载加载工况示意图Fig.5 Condiction sketch map under tive load

图6　竖向活载作用下轨道和桥墩受力特性Fig.6 Track and pier forces due to tive load

由图6可知，钢轨挠曲力包络图呈对称分布，最大钢轨挠曲力发生在两侧桥台处，为12.4MPa(压)和9.5MPa(拉)。1和2号墩顶水平力分别在工况4(1505.8kN)和工况2(1 505.8kN)时候达到最大值。

2.3列车制动作用

在计算制动力时候，列车默认从左向右行驶，设置了5种不同工况(图7)来研究不同列车制动位置对受力特性以及梁轨相对位移最大值的影响，其中工况3位于桥梁正中间，计算结果如图8所示。

图7　列车制动工况示意图Fig.7 Condition sketch map under train braking

(a) 钢轨制动力包络； (b) 梁轨相对位移最大值图8　列车制动作用下系统受力特性Fig.8 Track and pier forces under train braking

由图8可知，钢轨制动力包络图呈反对称分布，最大钢轨制动力发生在两侧桥台处，为56.4MPa(拉)和56.3MPa(压)。从工况1到工况5，1和2号墩墩顶水平力大小都基本一致，当荷载工况为工况3时，有最大值为1 033.4kN。当荷载工况为工况3时，梁轨相对位移最大值为6.2mm。

2.4不均匀沉降作用

为研究相邻桥墩不均匀沉降对连续刚构桥与轨道系统相互作用的影响，在1号墩墩底分别施加5mm和15mm强制位移，计算结果如图9所示。

(a) 钢轨应力； (b) 钢轨竖向位移图9　不均匀沉降作用下系统受力和变形特性Fig.9 Track and pier forces due to uneven settlement

由图9可知，钢轨最大拉应力出现在右侧桥台处，为3.1MPa，钢轨最大压应力位于左侧边跨跨中，为2.5MPa。图示2种情况下，钢轨最大竖向位移均位于左侧边跨跨中，最大值为14.8mm。

3梁轨系统动力特性和地震响应分析

3.1动力特性计算

对模型进行动力特性分析，计算结果如表1所示。

由表1可知，系统自振频率第5阶较前面阶次增幅34%，前5阶振型特征都是桥墩带动梁体侧弯。

3.2地震荷载作用

在进行地震荷载作用分析时，地震波分别选用James_h波、Sanfer_h波和Taft_h波，峰值加速度取0.3g(设计地震)[15]，计算结果如图10所示。

表1　自振特性

图10　地震作用下系统受力特性Fig.10 Impact of earthquake on track and pier force

由图10可以看出，连续刚构桥与轨道系统地震响应与地震波类型有关。地震波作用下，钢轨应力包络图呈“双菱形”，最大钢轨应力出现在两侧桥台处，为138.0 MPa(拉)和138.0 MPa(压)。同时在James_h波作用下，墩顶水平力有最大值8 683.0 kN。

4结论

1)由于本重载铁路连续刚构桥结构对称，当荷载为温度荷载、竖向活载时，钢轨应力包络图呈对称分布；在列车制动作用下，钢轨应力包络图呈反对称分布；地震荷载作用下，钢轨应力包络图呈“双菱形”。

2)连续刚构桥与轨道系统地震响应与地震波类型有关。地震荷载作用下，连续刚构桥墩顶水平力和钢轨应力均较大，墩顶水平力达8 683.0 kN，钢轨应力达138.0 MPa(拉)和138.0 MPa(压)。

3)温度荷载、竖向活载、列车制动以及地震荷载作用下，最大钢轨应力均位于在桥台处。而不均匀沉降作用时，最大钢轨应力出现在边跨跨中，且最大竖向钢轨位移也出现在该位置。

4)桥墩一起升温对钢轨伸缩力影响较小，不均匀沉降虽对钢轨应力影响较小，但将引起较大的钢轨竖向位移，影响列车行驶安全。

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(编辑蒋学东)

Interaction between tracks and continuous rigid-frame bridge carrying heavy haul railway

YANG Lei

(1.Fifteen Bureau of China Railway Group, Huzhou Investment Development Co. Ltd, Huzhou 313000, China)

Abstract：For the study on interaction between continuous rigid-frame bridge and track under different load , a simulation model for (108+180+108) m large-span continuous rigid frame bridge and track interaction model under heavy haul load railway was established. The nonlinear contact of beam and rail was considered. The interaction between large-span continuous rigid-frame bridge and track was revealed under the action of thermal effects, live load, train braking, uneven settlement and an earthquake. The results show that envelope of rail stress is symmetrically distributed under the loads of thermal effects and live load, while the envelope of rail stress of braking is inverse symmetry and the envelope of rail stress of an earthquake is just like " double diamond ".The maximal rail stress caused by thermal effects, live load, train braking, and an earthquake is near the abutment, but the maximal rail stress caused by uneven settlement is near the middle of side span. The maximal pier top horizontal force of an earthquake is 8683.0kN. Uneven settlement cause large rail vertical displacement, which is unsafe for train.The seismic response of continuous rigid frame bridge and track system is related to the type of seismic wave.

Key words：heavy haul railway; continuous rigid-frame bridge; track engineering; track-bridge interaction; seismic response

中图分类号：U213.912

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)03-0512-05

通讯作者：杨磊(1975-)，男，江苏沛县人，高级工程师，从事桥梁工程方面的研究工作；E-mail：380856002@qq.com

基金项目：高速铁路基础研究联合基金资助项目(U13342023)

收稿日期：2015-07-31