坡道连续梁桥上无缝线路纵向附加力研究

蒲 建 锦

(铁道第三勘察设计院集团有限公司广东分公司，广东 深圳 518000)



坡道连续梁桥上无缝线路纵向附加力研究

蒲 建 锦

(铁道第三勘察设计院集团有限公司广东分公司，广东 深圳 518000)

以城市轨道交通中坡道上高墩大跨连续梁桥处的无缝线路为例，建立了钢轨—桥梁—墩台一体化计算模型，分析了影响连续梁桥跨长度、扣件纵向阻力、连续梁桥墩刚度的因素，分别在温度变化和制动力作用下，计算了无坡度和28.5‰坡度的连续梁桥上钢轨纵向附加力、位移及连续梁桥的桥墩受力性能，得到了一些有意义的结论。

城市轨道，坡道，连续梁桥，无缝线路，纵向附加力

0 引言

桥梁作为城市轨道交通的一种重要敷设方式，北京、上海、重庆、贵阳等都建设有高架线路。当城市轨道交通线路经过地形起伏较大的山区或者受到其他条件限制时，高架桥需要采用具有较大坡度的高墩大跨连续梁桥等结构。高墩大跨的连续梁桥，桥墩刚度小，断面的刚度很大，挠曲力很小，温度跨度大，纵向力往往是控制因素。

本文针对城市轨道交通坡道连续梁桥上整体道床轨道结构，计算无坡度和28.5‰坡度两种情况下的不同参数变化时无缝线路伸缩附加力和制动附加力，分析梁轨相互作用下力、位移的变化规律，为城市轨道交通连续坡道上的高墩大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路设计提供一定的理论依据。

1 计算模型和参数选取

城市轨道交通桥上支承块承轨台无砟轨道结构，钢轨、道床、桥梁、墩台和基础是一个相互作用的整体，根据梁轨相互作用理论，建立钢轨—桥梁—墩台纵向一体化模型如图1所示。钢轨和桥梁采用梁单元模拟，扣件采用非线性弹簧模拟[1]，只考虑扣件纵向约束力。在桥梁两端设置长度100 m的路基，以满足边界条件的处理。桥梁孔跨布置为5×30 m简支梁+(30+40+30)m连续梁+5×30 m简支梁。

采用60 kg/m钢轨，桥梁箱梁采用C50混凝土。采用地铁B型车荷载，6节编组，轴重为140 t，荷载长度为19.5×6=117 m，折合每延米轴重为28.07 kN/m[2]。由于车辆组成以及制动系统的特点，城市轨道交通车辆在桥梁上的制动力率取值比铁路桥梁高[3]。

本文轨面制动率取0.25[4]，按单线制动计算；温度伸缩力按桥梁升温30 ℃考虑。

2 桥跨长度影响规律研究

本节计算无坡度和坡度为28.5‰时，连续梁桥跨长度分别是(30+40+30)m，(32+60+32)m，(60+100+60)m，(80+128+80)m四种工况，在温度、制动作用下的钢轨纵向力和位移、连续梁桥墩纵向力。简支梁和连续梁桥墩刚度取320 kN/cm，线路纵向阻力取115 N/cm[5]。

表1列出考虑在梁体升温30 ℃、制动力作用下，分别在0‰，28.5‰坡度上，不同桥跨长度时钢轨最大纵向力和纵向位移、桥墩纵向力和最大梁轨快速相对位移结果。计算中考虑车从左边入桥，制动力起点为连续梁右端点处。

表1 桥梁升温30 ℃，力和位移计算结果

从表1可以得到，坡度对最大钢轨纵向力的影响随桥跨长度增大而增大，但影响较小，当温度跨度小于100 m时基本没有影响。同时28.5‰坡度对钢轨最大位移和连续梁桥墩纵向水平力影响大于对钢轨纵向力的影响。图2以(30+40+30)m的连续梁为例，给出在0‰,28.5‰坡度上的伸缩附加力和钢轨位移沿桥梁长度方向的分布，其他桥跨具有类似的分布。

从图2中可以看到，无坡度和28.5‰坡度下，钢轨伸缩附加力大小基本相等，而钢轨的纵向位移大小则有一定的变化但分布一致，在连续梁的活动端出现钢轨纵向位移最大值。

表2 在制动力作用下力和位移计算结果

从表2可以得到，在制动力作用下随着桥跨增大，坡度对主要力和位移的影响呈增大趋势。桥跨为(80+128+80)m时相比于跨度较小的其他3种情况出现力和位移的值减少，是由于与桥梁长度相比，车辆制动距离较短。

图3以连续梁桥跨长度(30+40+30)m为例，给出制动工况下钢轨制动附加力和梁轨相对位移沿桥梁长度方向分布情况，可以看出钢轨伸缩附加力和钢轨快速相对位移的大小和分布在坡度为0‰和28.5‰时基本相同。

3 扣件纵向阻力影响分析

地铁中常用DZⅢ扣件，其扣件阻力为115 kN/组，为分析扣件纵向阻力影响，取扣件纵向阻力分别为55 kN/组，85 kN/组，115 kN/组，145 kN/组，175 kN/组。在温度变化和制动力分别作用下，不同扣件纵向阻力条件下钢轨最大纵向力、钢轨最大纵向位移和桥墩最大纵向水平力的计算结果如表3，表4所示。

表3 不同扣件纵向阻力，温度变化，钢轨纵向力和位移、桥墩纵向力

表4 不同扣件纵向阻力，制动力作用下，钢轨纵向力和位移、桥墩纵向力

从表3可看出，温度变化时，随着扣件纵向阻力增大，钢轨最大纵向力、钢轨纵向位移最大值增大，连续梁桥墩纵向水平力变化很小。单独分析一组扣件时，坡度对桥墩纵向水平力最大，钢轨最大纵向位移次之，对钢轨最大纵向力的影响最小。

从表4得到，制动力作用下，当扣件的纵向刚度增大，钢轨最大纵向力和钢轨最大位移、梁轨最大快速相对位移和连续梁纵向水平力减小。从以上数据可以得出，除梁轨快速相对位移以外，28.5‰坡度相对于无坡度各主要力和位移最大值的变化比例在不同扣件纵向阻力时基本相同。

综合表3和表4，减小扣件纵向阻力可以减小钢轨伸缩附加力，但在制动作用下力和位移增大。扣件纵向阻力小梁轨相对位移增大，长大坡道钢轨爬行增大，故扣件纵向阻力不能过小，与文献[6]结论一致。

4 连续梁桥墩刚度的影响

本节考虑连续梁桥墩纵向水平线刚度分别是320 kN/cm，600 kN/cm，950 kN/cm，1 500 kN/cm和2 500 kN/cm五种工况，连续梁桥跨布置为(30+40+30)m。在温度变化和制动工况下，主要的力和位移的变化情况，其计算结果如表5，表6所示。

表5 不同连续梁桥墩刚度，温度变化，主要力和位移计算比较

表6 不同连续梁桥墩刚度，制动工况下，主要力和位移计算比较

从表5中可以得到不同桥墩纵向刚度时，坡度对钢轨最大纵向力的影响小于对钢轨位移和桥墩刚度的影响，与不同桥跨长度和不同扣件纵向阻力时温度变化作用下坡度对钢轨最大纵向力和位移、桥墩纵向力的影响一致的。

从表6可以看出，连续梁桥墩刚度增大，钢轨最大纵向力和钢轨最大纵向位移减小，以及梁轨相对位移都变小。结合表6和以上数据，得到处于坡度地段时梁轨的相对位移大于无坡度地段而且随桥墩刚度减小影响作用变大，故在坡度地段需要加强对钢轨爬行的监测。

5 结论

1)温度力作用下，对于不同桥跨长度、扣件刚度、桥墩刚度，坡度对钢轨伸缩附加力的影响较小。

2)制动力作用下，28.5‰坡度相对于无坡度的情况，各主要力和位移的最大值的变化不会因扣件纵向阻力变化而发生明显变化，在一定范围内是稳定的。减小扣件纵向阻力可以减小温度变化作用钢轨纵向力，但在制动作用下力和位移增大。扣件纵向阻力小会造成梁轨相对位移增大，长大坡道钢轨爬行增大，故扣件纵向阻力不能过小。

3)高墩大跨特殊桥由于桥墩刚度小，制动力作用下梁轨相对位移大，且坡度对梁轨快速相对位移影响随桥墩刚度减小而增大，故需要加强钢轨爬行监测。

[1] TB 10015—2012，铁路无缝线路设计规范[S].

[2] 王冬梅,倪向阳,王惠珺.城市轨道交通双线桥上无缝线路挠曲力研究[J].都市快轨交通,2012,25(6):96-99.

[3] 吴亮秦,吴定俊.城市轨道交通桥梁列车制动力试验研究[J].铁道学报，2013,34(3):88-92.

[4] 姜 鹏,马 坤.城市轨道交通桥梁桥墩纵向水平刚度研究[J].中国市政工程,2007(9):48-51.

[5] GB 50157—2003，地铁设计规范[S].

[6] 王伟华,刘克飞,李培刚.长大坡道桥上单元板式无砟轨道纵向力学特性分析[J].铁道工程学报,2011(2):65-70.

Analysis of longitudinal mechanics behavior of continuous welded rail on continuous bridge at steep slope

Pu Jianjin

(GuangdongBranch,RailwayNo.3SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shenzhen518000,China)

Taking the seamless rail of the high pier large-span continuous beam bridge at the steep slopes in the urban rail traffic as the example, the paper establishes the integration calculation model with the rail, bridge and abutment, analyzes the factors affecting the span length of the continuous beam bridge, fastening vertical resistance, and stiffness of the continuous beam bridge pier, and calculates the additional stress, displacement, and pier stress of the non-slope and 28.5% slope continuous beam bridges, and achieves some meaningful conclusion.

urban rail, slope, continuous beam bridge, seamless route, longitudinal additive stress

1009-6825(2017)07-0191-03

2016-12-06

蒲建锦(1987- )，男，助理工程师

U441

A