钢轨伸缩调节器对斜拉桥纵向附加力的影响分析

朱金波　周远智　邓晓红

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

钢轨伸缩调节器对斜拉桥纵向附加力的影响分析

朱金波周远智邓晓红

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要国内外学者对简支梁和连续梁桥上无缝线路的梁轨相互作用进行了大量的研究，而对城市轨道交通斜拉桥桥上无缝线路的梁轨相互作用的研究非常少。文中以上海轨道交通16号线上某斜拉桥(80 m+160 m+80 m)为背景，研究了4种不同钢轨伸缩调节器设置方案对钢轨纵向附加力的影响。研究表明，在斜拉桥两端设置钢轨伸缩力能有效地降低钢轨纵向附加力。在斜拉桥跨中设置伸缩调节器时，因斜拉桥跨度大，不能有效地降低钢轨纵向附加力，工程实际中建议在斜拉桥梁两端设置钢轨调节器。

关键词斜拉桥纵向附加力钢轨伸缩调节器

在城市轨道交通中铺设了无缝线路可以尽可能地消灭钢轨有缝接头，减轻列车对桥梁的冲击，改善桥梁的运营状况，增强列车的防爬能力，降低桥梁结构的振动与噪声，减少养护维修工作量，提高列车运行的平稳性和安全性等。基于以上原因，无缝线路成为了我国高架轨道交通必须采用的轨道结构形式。

国内外专家对干线铁路桥上无缝线路的梁轨相互作用做了大量的研究[1-4]，研究理论已经较为成熟。但是已有的研究大多是针对简支梁或连续梁进行的，对特殊形式桥梁的梁轨相互作用的研究很少，而实际上，随着我国城市轨道交通的迅速发展，已经有越来越多特殊形式的桥梁应用于城市轨道交通中,大跨度桥梁的钢轨纵向附加力也更大,设置钢轨伸缩调节器是减小钢轨纵向附加力的有效途径。目前，在计算城市轨道交通无缝线路钢轨纵向附加力时，大多直接采用传统的干线铁路桥无缝线路设计理论和梁轨相互作用计算模型，其计算模型均类似于干线铁路桥(即计算桥梁+两端一定长度的路基)，该传统模型不能很好地模拟城市轨道交通高架桥的实际结构形式。本文采用与高架桥结构形式更为相近的考虑邻跨简支梁影响的有限元计算模型。

1城市轨道交通斜拉桥梁轨相互作用计算模型

1.1扣件阻力模型

根据《铁路无缝线路设计规范》[5]选取线路纵向阻力模型。该规范认为采用小阻力扣件，在梁轨发生相对位移的初始阶段，位移阻力增长很快，之后逐渐变慢，当相对位移达到0.5 mm左右时，纵向位移阻力趋于常量。

1.2梁轨相互作用模型

根据目前梁轨相互作用模型研究成果，采用7跨简支梁(L=30 m)+斜拉桥+7跨简支梁有限元模型计算轨道交通矮塔斜拉桥纵向附加力，模型见图1。使用大型有限元软件Ansys建立全桥有限元模型，模拟钢轨扣件的弹塑性弹簧间距取为1 m。主梁、桥墩、主塔、钢轨采用梁单元模拟，钢轨和主梁之间的扣件连接用非线性弹簧单元模拟，用刚臂单元模拟主梁的高度。模型的节点总数为2 346个，梁单元2 299个，非线性弹簧单元720个，线性弹簧单元19个。

图1　梁轨相互作用计算模型

1.3工程背景

2013年建成的上海轨道交通16号线的某矮塔斜拉桥为2塔3跨单索面矮塔斜拉桥，见图2，跨径布置为：80 m+140 m+80 m=300 m，采用预应力混凝土单箱双室斜腹板箱梁，属于塔梁固结体系。主梁支点处梁高5.6 m，跨中梁高3.0 m，主墩两侧各37.75 m范围内梁底为圆弧曲线变化，跨中58.1 m和两边跨各39.05 m为等高度梁。箱梁顶、底板平行，顶板宽13.641 m，厚25 cm；底板宽7.600～5.71 m，厚30～80 cm；中腹板厚50 cm，两侧斜腹板厚35～50 cm。两侧斜腹板外侧与顶板挑臂设R=1.5m圆弧过渡，内侧设100 cm×50 cm倒角梗腋，中腹板与顶板设80 cm×25 cm倒角梗腋。腹板与底板设30 cm×30 cm倒角梗腋。箱梁采用C60高强混凝土。全桥共有2×20对斜拉索，梁上纵向间距5.0 m，横向间距1.3 m。每个拉索锚固位置设半横隔板，板高1.35 m，板厚30 cm。塔身上设有鞍座，以供斜拉索通过，每对斜拉索为2根，横向间距1.3 m。主桥中墩顶中央布置一个桥塔，塔高20.5 m，横向宽2.5 m、纵向顶宽6.5 m、底宽5.4 m，顺桥向侧面为弧形造型。索塔采用C50混凝土。

图2　斜拉桥立面图(单位：cm)

2计算结果分析

针对该桥的特点，设计了4种钢轨伸缩调节器的设置方案。方案1：不设置钢轨伸缩调节器；方案2：斜拉桥左端设置钢轨伸缩调节器；方案3：斜拉桥两端设置钢轨伸缩调节器；方案4：跨中设置钢轨伸缩调节器。不同钢轨伸缩调节器布置方案时，单根钢轨所受的温度附加力、挠曲附加力和制动附加力见图3～5(坐标0点为斜拉桥0号墩位置)。

图3　单根钢轨的伸缩力

图4　单根钢轨的挠曲力

图5　单根钢轨的制动力

由图3～图5可见：

(1) 伸缩力。方案1的最大伸缩附加力发生在梁右端，为537.5 kN；方案2的最大伸缩附加力发生在梁右端，为527.5 kN；方案3的最大伸缩附加力发生在跨中，为-376.2 kN；方案4的最大伸缩附加力发生在梁右端，为537.5 kN。在斜拉桥的两端设置钢轨伸缩调节器，伸缩力有明显的降低；在斜拉桥的跨中设置钢轨伸缩调节器，钢轨最大伸缩力没有变化，伸缩力分布规律也没有变化，除了设置钢轨伸缩调节器处的伸缩力突然降低为0，由此形成的一个“峰值”。

(2) 挠曲力。方案1的最大挠曲附加力发生在梁端，为355.9 kN；方案2的最大挠曲附加力发生在梁右端，为-369.2 N；方案3的最大挠曲附加力发生在跨中，为46.1 kN；方案4的最大挠曲附加力发生在梁端，为353.3 kN。在斜拉桥的两端设置钢轨伸缩调节器，挠曲力有明显的降低。仅在斜拉桥一端设置钢轨伸缩调节器时，挠曲附加力最大值会在梁的另一端；在斜拉桥两端同时设置钢轨伸缩调节器时，挠曲力急剧变小，最大值发生在跨中。当在跨中间设置钢轨伸缩调节器，钢轨最大挠曲力没有变化，挠曲力分布规律也没有变化。

(3) 制动力。方案1的最大制动附加力发生在梁端，为-68.5 kN；方案2的最大制动附加力发生在梁右端，为-52.2 N；方案3的最大制动附加力发生在跨中，为18.0 kN；方案4的最大制动附加力发生在梁端，为-112.9 kN。当在斜拉桥的梁端设置钢轨伸缩调节器时，制动力有明显的降低。仅在斜拉桥一端设置钢轨伸缩调节器时，制动附加力最大值会在梁的另一端；在斜拉桥两端同时设置钢轨伸缩调节器时，制动附加力急剧变小，最大值发生在跨中。当在斜拉桥的跨中设置钢轨伸缩调节器时，钢轨最大挠曲力增大很明显，并在跨中出现零点。

3结论

(1) 在斜拉桥两端设置钢轨伸缩调节器时，能有效地降低伸缩力、挠曲力和制动力。在工程实际中，建议在斜拉桥梁两端设置钢轨伸缩调节器。

(2) 在斜拉桥跨中设置伸缩调节器时，因斜拉桥跨度大，不能有效地降低伸缩力、挠曲力和制动力。因此需要在斜拉桥两端设置钢轨伸缩调节器。

参考文献

[1]卜一之.高速铁路桥梁纵向力传递机理研究[D].成都：西南交通大学，1998.

[2]阴存欣.铁路桥梁纵向附加力静动力非线性分析与仿真研究[D].北京：铁道部科学研究院，2000.

[3]阴存欣，庄军生，潘家英.梁桁组合结构材料非线性的一种简捷算法与高速铁路桥线纵向相互作用非线性分析[J].中国铁道科学，1998(2):35-43.

[4]徐庆元，周小林，杨晓宇.桥上无缝线路附加力计算模型[J].交通运输工程学报，2004(1)：25-28.

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

收稿日期：2014-10-28

Influence Study of Rail Expansion on Additional
Longitudinal Forces of Cable-stayed Bridge

ZhuJinbo,ZhouYuanzhi,DengXiaohong

(Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：Up to now, the existing researches on girder-rail interaction have been mainly focused on simply-supported bridge and continuous bridge, while relative works on special form bridges are still rarely. Based on a cable-stayed bridge (80 m+140 m+80 m) on Metro line16 in Shanghai, the influences of different 4 rail expansion regulator setting programs on additional longitudinal forces are analyzed. The result of this research shows that longitudinal additional forces reduce significantly when rail expansion is set on both of the cable-stayed bridge, while longitudinal additional forces almost do not change when rail expansion is set in the middle of the cable-stayed bridge. So, the program that rail expansion is set on both of the cable-stayed bridge is suggested in practical engineering.

Key words:cable-stayed bridge; additional longitudinal forces; rail expansion regulator

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.007