郑徐客运专线(76+160+76) m连续梁无缝线路设计

孔令凯

(郑西铁路客运专线有限责任公司，郑州 450008)



郑徐客运专线(76+160+76) m连续梁无缝线路设计

孔令凯

(郑西铁路客运专线有限责任公司，郑州 450008)

针对郑徐客运专线开兰特大桥(76+160+76) m连续梁的无缝线路设计，采用有限元法，对扣件类型和是否设置伸缩调节器进行方案比选。检算结果表明，本桥采用WJ-8B型常阻力扣件钢轨应力不满足强度要求，采用小阻力扣件非常接近钢轨的容许应力值。研究结论：该桥需要在梁端设置钢轨伸缩调节器。

铁路桥；连续梁；无砟轨道；无缝线路；钢轨伸缩调节器；设计

1 概况

郑徐客运专线开兰特大桥(76+160+76) m连续梁桥位于DK80+776.85～ DK81+096.5处，处于直线地段，跨越220国道，温度跨度为236 m，桥上采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，图1为桥梁桥跨布置。本文主要针对本桥的无缝线路进行设计。

图1 开兰特大桥(76+160+76) m连续梁桥跨布置(单位：m)

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

桥上无缝线路纵向附加力计算采用梁轨相互作用的有限元分析模型，如图2所示。该模型包括了钢轨单元、扣件单元、桥梁单元以及墩台基础单元，考虑了桥梁的温度作用，以及垂直荷载与纵向制动力、加速度力等作用。由于扣件阻力为非线性，计算轨道应力需要进行一系列的非线性分析，采用ANSYS通用软件进行梁轨相互作用分析[1-3]。

图2 桥上无缝线路计算模型

郑徐客运专线采用的钢轨为60 kg/m U71MnG。

60 kg/m钢轨的截面特性如下：面积A=77.45 cm2；转动惯量I=3 217 cm4；弹性模量E=2.1×105MN/m2，钢轨钢的线膨胀系数α=1.18×10-5/℃。

钢轨允许附加应力：

钢轨屈服强度457 MPa，钢轨容许应力=457/1.3=351.5 MPa。

2.2 模型参数

(1)钢轨温度

钢轨温度参数如表1所示。

表1 钢轨温度 ℃

(2)线路纵向阻力

郑徐客运专线无砟轨道采用WJ-8B扣件、扣件节点间距取650 mm。

《铁路无缝线路设计规范》(TB 10015—2012)中相关参数基于扣件节点间距为625 mm，扣件单位长度纵向阻力经换算后可按表2取值[4-8]。

表2 WJ-8型扣件纵向阻力 kN/m/轨

无砟轨道采用WJ-8型小阻力扣件、扣件节点间距为650 mm时，扣件单位长度纵向阻力可按表3取值[4，9，10]。

表3 WJ-8型小阻力扣件纵向阻力 kN/m/轨

(3)桥梁温度

伸缩力计算时，无砟轨道梁年温差取30 ℃[4]。

(4)设计荷载

列车荷载取CRH3动车组荷载，轴重为17 t，轴间距为2.5 m。

3 桥上无缝线路设计

3.1 伸缩力计算

在对开兰特大桥(76+160+76) m连续梁桥桥上无缝线路进行设计时，考虑对以下3种设计方案进行比选。

方案1：全桥采用WJ-8B型常阻力扣件，不设钢轨伸缩调节器。

方案2：全桥采用WJ-8B型小阻力扣件，不设钢轨伸缩调节器。

方案3：全桥采用WJ-8B型小阻力扣件，设钢轨伸缩调节器。

(1)方案1：全桥采用WJ-8B型常阻力扣件，不设钢轨伸缩调节器

钢轨伸缩力计算结果如图3所示，钢轨伸缩力最大值为1 106 kN，换算应力为142.8 MPa。

图3 方案1钢轨伸缩力

墩台伸缩力计算结果如图4所示。

图4 方案1墩台伸缩力

(2)方案2：全桥采用WJ-8B型小阻力扣件，不设钢轨伸缩调节器。

钢轨伸缩力计算结果如图5所示，钢轨伸缩力最大值为507 kN，换算为应力为：65.5 MPa。

图5 方案2钢轨伸缩力

墩台伸缩力计算结果如图6所示。

图6 方案2墩台伸缩力

(3)方案3：全桥采用WJ-8B型小阻力扣件，设钢轨伸缩调节器。

钢轨伸缩力计算结果如图7所示，钢轨伸缩力最大值为1 100-980=120 kN，换算为应力为15.5 MPa。

图7 方案3钢轨伸缩力

墩台伸缩力计算结果如图8所示。

图8 方案3墩台伸缩力

3.2 制动力计算

(1)钢轨制动力，最大值为340 kN，换算为应力为43.9 MPa，见图9。

图9 钢轨制动力

(2)墩台制动力(图10)

图10 墩台制动力

3.3 钢轨动弯应力计算

钢轨动弯应力是钢轨在准静态列车荷载作用下挠曲变形而产生的弯曲应力，是无缝线路钢轨应力的重要组成部分。钢轨动弯应力大小与列车轴重、轴距、速度系数、偏载系数、钢轨支点刚度、支点间距有关。钢轨动弯应力计算根据《铁路轨道强度检算方法》(TB2034—88)，采用连续弹性基础梁理论，将钢轨视为连续弹性基础上的等截面无限长梁，在静轮载的作用下，钢轨截面的静弯矩

u——钢轨基础弹性模量，u=D/a(N/cm2)；

a——轨枕间距，cm；

Pi——第i个车轮作用在钢轨上的静轮载，N；

xi——第i车轮到计算轮的距离，cm。

钢轨在车轮动荷载作用下的动弯矩

Md=(1+α+β)Mj

式中 α——速度系数，取1.0；

β——偏载系数。

轨底边缘动应力的计算公式

式中 Wg——钢轨下部断面系数，cm3；

f——横向水平力系数。

采用上述机车荷载检算，经计算，动弯应力σd=111.17MPa。

3.4 钢轨温度应力计算

根据温降最大值为47.9 ℃，钢轨温度应力计算如下

σt=Eαt=118.8MPa。

3.5 无缝线路强度检算

桥上无缝线路钢轨应力包括伸缩附加应力、制动附加应力、动弯应力和温度应力[11-14]，各应力计算结果如表4所示。

表4 钢轨强度检算 MPa

从表4看出，无砟轨道梁年温差取30 ℃，方案1的钢轨应力超出了允许的钢轨应力，因此不成立；方案2和方案3钢轨应力检算理论上满足要求。由于方案2的钢轨应力非常接近钢轨的允许应力，结合温福铁路飞云江特大桥高温季节运营中发生梁端轨道方向不良和上拱等病害，以及广珠城际铁路容桂水特大桥半圆形凸台开裂及小阻力扣件垫板串出现象等相关运营项目的实际情况[15]，不推荐采用方案2，即全桥仅铺设小阻力扣件。因此本桥推荐方案3，即设置钢轨伸缩调节器方案。

4 结论

根据计算结果，无砟轨道梁年温差取30 ℃时无砟轨道钢轨伸缩附加力较大，结合已运营的温福铁路和广珠城际铁路轨道病害，对于温度跨度超过200m的长大连续梁，在设置小阻力扣件的条件下宜设置钢轨伸缩调节器。因此郑徐客运专线开兰特大桥(76+160+76)m连续梁全桥采用WJ-8B型小阻力扣件，梁端设钢轨伸缩调节器方案。

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The Design of CWR on Continuous Bridge on Zhengzhou-Xuzhou Dedicated Passenger Line

KONG Ling-kai

(Zhengxi Dedicated Passenger Railway Line Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China)

In view of the design of continuous welded rail on Kailan main bridge of(76+160+76)m on Zhengzhou-Xuzhou dedicated passenger line， this paper compares the programs about the types of fastener and the setting of rail expansion joint based on finite element analysis. The calculation results show that the program with normal resistance fasteners of WJ-8B fails to meet the strength requirement and the program with small resistance fasteners of WJ-8B results in very closeness to the allowable stress of rail. Studies conclude that it is necessary to set a group of rail expansion joints on the beam end of the bridge

Railway bridge; Continuous beam; Ballastless track; Continuous welded rail (CWR); Rail expansion joint; Design

2016-01-20；

2016-05-23

孔令凯(1979—)，男，工程师，2003年毕业于河南焦作工学院土木工程专业，工学学士，E-mail:445614093@qq.com。

1004-2954(2016)12-0013-04

U213.9

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.004