高速铁路64m 简支梁桥上长钢轨纵向力分析

娄徐瑞利

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作454000）

在温度、竖向活载、列车制动等荷载作用下，桥梁与长钢轨无缝线路之间存在着相对位移，由于钢轨和桥梁之间的非线性约束，导致桥梁和钢轨承受着非线性纵向力，即所谓桥上无缝线路纵向力问题。国内外学者已针对该问题进行了广泛的探讨，并取得了丰硕的研究成果[1-3]。本文在前人研究基础上，采用非线性弹簧模拟线路纵向阻力，采用鱼骨刺模型模拟桥梁，建立了(4-32+64+3-32)m 多跨长联简支梁桥与双线轨道相互作用的有限元模型，分析了长钢轨伸缩力、挠曲力、制动力的分布规律；采用考虑加载历史的分析方法[4]，探讨了温度和竖向活载、温度和制挠力的耦合作用。

1 多跨长联简支梁- 双线轨道有限元模型

桥上采用双线无砟轨道，基于规范[2]建议的线路纵向阻力理想弹塑性模型：

式中，线路纵向阻力r 单位为kN/m/轨，梁轨相对位移x 单位为mm。桥梁范围外各建立100m 路基上的钢轨[5]。

采用鱼骨刺模型模拟桥梁，桥梁形式为64m 双箱双室预应力混凝土简支箱梁。

64m 简支梁桥左侧建立4 跨32m 简支梁桥，右侧建立3 跨32m 简支梁桥，支座布置及墩台编号如图1 所示。

图1 桥梁布置形式

下部结构纵向刚度取值参考规范[2]取为800kN/cm、桥台取为3000kN/cm。

在计算伸缩力时，按梁体升温15℃计[2]。

在计算挠曲力时，取ZK 荷载，加载范围取为300m，加载步长取为5m。在计算制动力时，参照文献[3]将制动力率偏安全地取为0.25，加载步长取为5m，并考虑一侧路基。

2 伸缩力

假设梁体升温15℃，桥上长钢轨纵向力及墩顶水平力分布见图2。

图2 伸缩力计算结果

从图2 可以看出，钢轨伸缩力在桥梁墩台处存在应力极值。由于64m 简支梁温度跨度较大，其附近梁端处钢轨应力也较大，数值可增大至30.3MPa。其中，钢轨拉应力增幅超过2 倍。除设置固定支座的桥台处外，其他墩台受力相对较为均衡，但64m简支梁制动墩墩顶水平力有近2 倍的增幅，达到250.1kN。钢轨应力各跨简支梁相接处存在较大压应力，在各跨简支梁跨中附近存在较大压应力。

3 挠曲力

竖向活载按均布荷载计，加载长度300m，加载步长取为5m，从左向右加载，其钢轨轴向应力包络及墩顶水平力如图3所示。

图3 挠曲力计算结果

由图3 可知，64m 简支梁的存在导致钢轨挠曲力有较大增幅，达到11.2MPa（拉）和8.3MPa（压），但挠曲力整体水平较低，对钢轨应力影响较小。

64m 简支梁制动墩（5 号墩）墩顶水平力也有较大幅度的增加，超过固定支座桥台，达到82.3kN。

4 制动力

设列车制动力率为0.25，列车从桥梁左侧进入桥梁并开始制动，加载范围取为300m，加载步长取为5m，计算钢轨应力包络、墩顶水平力最值及梁轨相对位移，见图4。

图4 制动力计算结果

从图4 可以看出在桥梁墩台处均存在较大的钢轨制动力峰值，最大压应力出现在64m 简支梁制动墩处及固定支座桥台附近，达24.1MPa。由于64m 简支梁的存在，导致5 号和6 号墩受力相对较大，其数值与制动桥台相近，超过550kN。

5 温度与挠曲耦合效应

采用考虑加载历史的无缝线路纵向力迭代公式[2]，计算梁体在分别升温和降温15℃后，列车从桥上经过的情况，见图5。

图5 温度与挠曲耦合效应计算结果

与图2 对比，可以看出，温度与挠曲耦合作用条件下，其钢轨最大应力为30.1MPa（拉）和30.2MPa（压），与仅考虑伸缩力的28.2MPa（拉）和30.1MPa（压）相比，并未出现较大的增幅。这表明温度与挠曲作用并非简单的线性叠加关系，且钢轨伸缩力为主要控制性荷载。升降温对64m 简支梁制动墩所受水平力有一定影响，影响幅度约为30%，对其他墩影响较小。

6 温度与制挠力耦合作用

考虑梁体在分别发生升温和降温15℃后，列车从桥梁左端进入桥梁范围并进行制动的情况，计算结果见图6。

图6 温度与制挠力耦合效应计算结果

与图4 对比，可以看出，温度与制挠力耦合作用条件下，钢轨应力峰值出现在活动支座桥台附近。初始温度升高与降低与否对钢轨应力的分布影响显著。降温条件下，钢轨轴向拉应力超过45.2MPa。初始温度升高或降低显著影响桥台和64m 简支梁制动墩的墩顶水平力。5 号制动墩墩顶水平力峰值超过850kN。

7 结论

为探讨高速铁路64m 简支梁桥与轨道相互作用规律，以(4-32+64+3-32)m 多跨长联简支梁桥为例，分析了多跨长联简支梁桥上长钢轨纵向力的分布规律，探讨了初始温度与挠曲力和制挠力的耦合效应，主要结论包括：

7.1 钢轨伸缩力、挠曲力和制动力峰值均出现在桥梁相接处和桥台处。其中，伸缩力和制动力是主要控制性荷载。

7.2 由于64m 简支梁桥温度跨度较大，其附近的钢轨应力和制动墩顶水平力均有较大的增加。

7.3 初始温度荷载对钢轨应力最大值影响显著，其中温度与挠曲力组合下，以温度影响为主。

7.4 考虑初始温度后，钢轨制挠力、64m 简支梁制动墩顶水平力出现较大的增幅，在设计时应予以注意。