多联大跨无砟轨道连续梁桥上无缝线路设计方案研究

张 艳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)



多联大跨无砟轨道连续梁桥上无缝线路设计方案研究

张 艳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

根据“线—桥—墩”纵向相互作用的原理，利用ANSYS有限元方法，建立了“钢轨—道床板—桥梁—桥墩”纵向一体化计算模型，研究了某多联大跨无砟轨道连续梁桥上无缝线路设计方案，指出通过合理调整桥梁固定支座设置位置及小阻力扣件的设置范围，可以降低钢轨附加力及轨道结构的受力，满足桥上无缝线路检算要求。

多联大跨，无缝线路，有限元分析，温度跨度

0 引言

随着钢轨铺设长度的不断增加，无缝线路研究理论和技术也在不断发展，从普通无缝线路发展至区间无缝线路，再发展到跨区间无缝线路。无缝线路设计难点包含岔区无缝线路、桥上无缝线路等。桥上无缝线路能有效改善桥梁和轨道的运营状态，减少养护维修，延长桥梁使用寿命。近年来，随着客运专线上大量高架桥的修建，我国桥上无缝线路设计技术不断发展。

由于桥梁的伸缩和钢轨的相互作用产生附加力作用，桥上无缝线路设计相较于普通路基无缝线路复杂。桥上无缝线路设计主要建立在梁轨相互作用原理的基础上，计算在温度、列车荷载作用下的伸缩力、挠曲力、制动力等，进行桥上无缝线路锁定轨温的确定、钢轨强度检算、稳定性检算、断缝检算等，并根据受力与环境温度合理确定小阻力扣件的设置范围。

文中结合某工程桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道的实际情况，根据“线—桥—墩”纵向相互作用的原理，运用ANSYS有限元方法，建立了“钢轨—道床板—桥梁—桥墩”纵向一体化计算模型(见图1)，对其中曲线地段多联大跨连续梁进行了计算分析。该桥跨布置为：3×32 m简支梁+(60+100+60)m连续梁+(45+70+45)m连续梁+(60+110+110+81)m连续梁+2×48 m简支梁+(60+100+100+60)m连续梁+3×32 m简支梁。

1 桥上无缝线路计算方法

目前，桥上无缝线路纵向力计算主要采用基于梁轨相互作用原理的有限单元方法编制的通用计算软件“BCWR”进行计算。

2 计算模型及计算参数

2.1 计算模型

该工程算例，多联大跨混凝土桥上采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道，且位于R=1 200 m曲线地段。选取无缝线路模型组成为：100 m路基+3×32 m简支梁+(60+100+60)m连续梁+(45+70+45)m连续梁+(60+110+110+81)m连续梁+2×48 m简支梁+(60+100+100+60)m连续梁+3×32 m简支梁+100 m路基。

2.2 计算参数

1)列车荷载：桥梁列车荷载采用ZK标准荷载(见图2)。检算钢轨强度时，设计轴重为17 t。

2)根据TB 10015—2012铁路无缝线路设计规范，无砟轨道混凝土梁年温差取30 ℃。

3)钢轨参数：钢轨弹性模量、截面面积、截面惯性矩、容许应力等按照60 kg/m，U75V的钢轨参数取值。钢轨线膨胀系数1.18×10-5/℃。

4)轨温变化幅度：根据锁定轨温与最高、最低轨温确定轨温变化幅度(见表1，表2)。

表1 轨温资料

℃

表2 无缝线路锁定轨温设计表

5)线路常阻力见图3，小阻力扣件按4 kN/组扣件取值。

3 设计方案

多联大跨连续梁桥因联数较多、跨度较大，故桥上无缝线路的设计方案主要从两方面着手：

1)合理布置小阻力扣件设置范围；

2)对桥梁固定支座位置进行优化，尽量减小桥梁温度跨度，并通过合理设置小阻力扣件布设范围，以减小钢轨伸缩附加力。

方案一：小阻力扣件布设范围为连续梁边跨及相邻一孔简支梁，最大温度跨度为275 m，各温度跨度分别为92 m，275 m，215 m，239 m，260 m，92 m，详见图4。

方案二：小阻力扣件布设范围为连续梁全桥及两端相邻各一孔简支梁，最大温度跨度为275 m，各温度跨度92 m,275 m，215 m，239 m，260 m，92 m，详见图4。

方案三：调整连续梁桥固定支座设置位置，以减小桥梁的最大温度跨度，并使各温度跨度分布较为均匀。调整固定支座后，最大温度跨度为215 m，各温度跨度分别为160 m，175 m，215 m，191 m，96 m，160 m，同时小阻力扣件布设范围为连续梁全桥及两端相邻各一孔简支梁，详见图4。

4 计算结果

4.1 钢轨伸缩附加力

通过计算结果可以看到，连续梁温度跨度越大，钢轨伸缩附加力越大，且钢轨附加伸缩力受温度跨度的影响明显。三种设计方案的钢轨伸缩附加力如图5所示。

4.2 钢轨强度检算结果

钢轨强度检算结果见表3。

表3 钢轨强度检算 MPa

计算结果表明，方案一，即未调整桥梁支座，温度跨度最大275 m，小阻力扣件布设范围为连续梁边跨及两侧各相邻一孔简支梁时，钢轨强度检算不通过。方案二，即未调整桥梁支座，温度跨度最大275 m，小阻力扣件布设范围为连续梁全桥及两侧各相邻一孔简支梁时，钢轨强度检算接近限值。方案三，通过调整固定支座位置，减小温度跨度，最大温度跨度为215 m，钢轨强度检算满足要求。

4.3 钢轨断缝检算

钢轨断缝根据下式计算：

其中，λ为钢轨断缝，mm；F为钢轨横断面面积，mm2；α为钢轨线膨胀系数，1.18×10-5/℃；ΔTdmax为无缝线路最大降温幅度，℃；r为线路纵向阻力，kN/m/轨，有砟轨道参照相应线路开通验收时道床纵向阻力取值，无砟轨道根据扣件技术条件取最不利值；[λ]为钢轨断缝容许值，一般情况取值70mm，困难条件下取值90mm。

方案一钢轨断缝值计算为86mm，方案二钢轨断缝计算为89mm，方案三钢轨断缝计算为89mm，满足要求。

5 结语

根据多联大跨连续梁桥上无缝线路的特点，以某工程项目混凝土桥CRTSⅠ型双块式无砟轨道为工程案例，开展了多联大跨连续梁桥上无缝线路设计方案的研究，得出以下结论：

1)伸缩力方面，桥梁温度跨度越大，钢轨伸缩附加力越大，而且增加是明显的。

2)合理布置桥梁固定支座位置，以通过减小温度跨度的方式来减小钢轨附加力，使桥上无缝线路检算满足要求。

3)在满足桥梁墩台受力的前提下，可以通过合理设置小阻力扣件布设范围来减小钢轨附加力。

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Research on seamless line design scheme in multi-connected big span ballast-less track continuous beam bridge

Zhang Yan

(ChinaRailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Tianjin300142,China)

According to the principle of “line-bridge-pier” longitudinal interaction, using ANSYS finite element method, this paper established the “rail-track slab-bridge-pier” vertical integration calculation model, researched the seamless line design scheme of a multi-connected big span ballast-less track continuous beam bridge, pointed out that through reasonable adjustment bridge fixed bearing setting location and the setting range of small resistance fastener, could reduce the rail additional force and track structure force, to meet the inspection requirements of seamless line on bridge.

multi-connected big span, seamless line, finite element analysis, temperature span

1009-6825(2016)32-0196-03

2016-09-07

张 艳(1982- )，女，工程师

U213.9

A