朱 彬

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

近年來，斜拉橋在我國新建鐵路中得到了一定的應(yīng)用，斜拉橋一般采用自錨式體系，它由梁、斜拉索和塔柱3部分組成，梁通過若干根斜拉索拉在塔柱上，該體系顯著提高了橋梁的跨越能力，是大跨度橋梁的主要橋型。以某新建鐵路(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m鋼箱混合梁斜拉橋?yàn)檠芯勘尘?，該橋全長909 m(含梁縫)，中主跨419 m范圍為鋼箱梁，其他主梁采用混凝土箱梁，鋼-混結(jié)合段位于中跨距索塔24.5 m處。該橋梁部結(jié)構(gòu)兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，中主跨采用鋼結(jié)構(gòu)可以減輕結(jié)構(gòu)自重，提高跨越能力，節(jié)省支模工序，縮短施工周期，兩側(cè)采用混凝土箱梁，可以減小用鋼量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性和整體性。該橋采用半漂浮體系，主梁在塔、墩上設(shè)置縱向滑動(dòng)鋼支座，索塔-梁底設(shè)置液壓阻尼器，索塔在橋面以上采用倒Y形，橋面以下塔柱內(nèi)縮為鉆石形，橋梁布置如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置(單位:cm)

國內(nèi)外對常見橋梁無縫線路的梁軌相互作用的研究較多，大跨度斜拉橋上無縫線路梁軌相互作用有其特殊性，尤其是本橋?yàn)殇?混凝土混合梁，需要對梁軌相互作用進(jìn)行深入的研究。

2 塔－索－梁－軌一體化計(jì)算模型

斜拉橋主梁、拉索和索塔形成一個(gè)組合體系，三者之間耦合在一起相互作用，在溫度變化或列車荷載作用下，橋梁變形會(huì)通過道床或扣件系統(tǒng)帶動(dòng)梁上鋪設(shè)的鋼軌一起受力變形，形成塔-索-梁-軌一體化的相互作用體系。對于半漂浮體系的斜拉橋，塔與主梁間縱向設(shè)置阻尼限位器，溫度變化時(shí)，塔、梁之間縱向可自由活動(dòng)，但在列車荷載作用下，阻尼限位器就會(huì)限制主梁的位移。另外鋼-混凝土混合梁斜拉橋，鋼梁和混凝土梁的溫度變化幅度不一樣，且差別較大，鋼混結(jié)合段處的主梁縱向位移會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)變。

本文建立的橋上無縫線路模型組成為:100 m路基地段+5-32 m簡支梁+(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m鋼箱混合梁斜拉橋+5-32 m簡支梁+100 m路基地段，鋼軌兩端節(jié)點(diǎn)位于無縫線路固定區(qū)。主橋采用傳統(tǒng)的“魚骨梁”計(jì)算模型，主梁和橋塔按照實(shí)際空間位置離散為三維梁單元，拉索離散為三維索單元，橋墩和輔助墩也離散為三維梁單元，鋼軌采用Timoshenko梁單元，橋梁的上下翼緣厚度采用剛臂進(jìn)行模擬，并按照各自的截面特性和材料特性賦值進(jìn)行計(jì)算，道床縱向阻力用非線性彈簧單元模擬，橋塔、橋墩及輔助墩的縱向剛度采用線性彈簧模擬，塔-索-梁-軌一體化計(jì)算模型如圖2所示。

3 無縫線路主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)斜拉橋體系溫度

根據(jù)橋梁所在地氣溫資料，計(jì)算時(shí)取多年平均氣溫(16.3±5)℃作為合龍溫度。混凝土梁升降溫為±20℃;鋼結(jié)構(gòu)梁升降溫為±35℃;斜拉索有索套保護(hù)，升降溫取±20℃。

圖2 塔－索－梁－軌一體化計(jì)算模型

(2)線路阻力

有砟軌道采用Ⅲ型軌枕道床縱向阻力取值，如圖3所示，當(dāng)采用彈條V形小阻力扣件，扣件阻力如圖4所示。

圖3 道床縱向阻力

圖4 小阻力扣件縱向阻力

(3)撓曲力及制動(dòng)力計(jì)算荷載

根據(jù)本線運(yùn)營條件，撓曲力、制動(dòng)力計(jì)算時(shí)采用中-活載，應(yīng)進(jìn)行多種荷載布置工況分別計(jì)算，并取其最不利值，制動(dòng)力計(jì)算時(shí)，輪軌粘著系數(shù)取0.164。

4 無縫線路設(shè)計(jì)方案及縱向力計(jì)算

(1)無縫線路設(shè)計(jì)方案

針對大跨度鋼箱混合梁斜拉橋的特點(diǎn)，提出以下4種橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。

方案一:全橋采用常阻力扣件，橋上不設(shè)小阻力扣件，也不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

方案二:斜拉橋邊跨及相鄰5跨簡支梁采用小阻力扣件，橋上不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

方案三:在斜拉橋跨中設(shè)置1組雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，伸縮區(qū)影響范圍采用小阻力扣件。

方案四:在斜拉橋邊跨兩端分別設(shè)置1組單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器尖軌指向斜拉橋外，基本軌一側(cè)伸縮區(qū)鋪設(shè)小阻力扣件。

(2)縱向力計(jì)算分析

大跨度橋梁鋪設(shè)無縫線路，伸縮力往往是關(guān)鍵因素，根據(jù)本橋的實(shí)際情況，著重計(jì)算了4種設(shè)計(jì)方案的梁、軌伸縮位移和鋼軌縱向力，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果

4種無縫線路設(shè)計(jì)方案的鋼軌縱向力計(jì)算結(jié)果匯總見表1。

表1 鋼軌縱向力匯總 kN

5 軌道結(jié)構(gòu)檢算

(1)鋼軌強(qiáng)度檢算

設(shè)計(jì)范圍最高軌溫為61.7℃，最低軌溫為-11.1℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫為(32±5)℃，無縫線路溫升34.7℃，溫降48.1℃，無縫線路溫度拉應(yīng)力為:λ=EαΔT=119.288 MPa。

該線為客貨共運(yùn)線路，機(jī)車軸重按23 t檢算，本橋位于直線地段，速度系數(shù)α=1，偏載系數(shù)β=0，橫向水平力系數(shù)f=1.25;有砟軌道鋼軌支座剛度D取33 kN/mm進(jìn)行計(jì)算;軌枕間距a=600 mm;鋼軌截面參數(shù)按磨耗6 mm計(jì)。軌底動(dòng)彎拉應(yīng)力為 σd=146.42 MPa。

從本橋縱向力計(jì)算結(jié)果看，伸縮力大于撓曲力，采用伸縮力進(jìn)行鋼軌強(qiáng)度檢算，檢算結(jié)果見表2。

表2 鋼軌強(qiáng)度檢算 MPa

(2)無縫線路穩(wěn)定性檢算

無縫線路的穩(wěn)定性應(yīng)滿足鋼軌的實(shí)際升溫幅度ΔT小于或等于容許的允許升溫幅度［ΔTc]的要求。本文采用“統(tǒng)一公式”進(jìn)行無縫線路穩(wěn)定性檢算，等效道床阻力Q=115 N/cm。4種設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性檢算結(jié)果見表3。

表3 無縫線路穩(wěn)定性檢算

(3)鋼軌斷縫檢算

當(dāng)鋪設(shè)小阻力扣件地段鋼軌折斷時(shí)，斷縫計(jì)算結(jié)果如下

當(dāng)鋪設(shè)普通扣件地段鋼軌折斷時(shí)，斷縫計(jì)算結(jié)果如下

可見，斷縫值小于允許斷縫值70 mm，檢算通過。

6 結(jié)語

與一般大跨度連續(xù)梁不同，本橋主跨為鋼-混結(jié)合梁，鋼、混凝土材料的膨脹系數(shù)和梁的溫度變化幅度不同，在結(jié)合段梁的伸縮位移呈折線形，導(dǎo)致鋼軌伸縮力在結(jié)合段有明顯的兩段臺階。

本橋主梁的跨度大，梁伸縮位移大，鋼軌伸縮力大，方案一軌道結(jié)構(gòu)檢算不能滿足要求。方案二在橋上鋪設(shè)小阻力扣件能降低部分伸縮力，但鋼軌強(qiáng)度檢算仍不能滿足要求。方案三在斜拉橋跨中設(shè)置1組雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，因斜拉橋跨度過長，與方案二相比并未改善軌道受力。方案四在主橋兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，形成伸縮區(qū)，釋放了主橋兩端的溫度力及縱向力，鋼軌強(qiáng)度、無縫線路穩(wěn)定性及鋼軌斷縫均可滿足要求，因此推薦方案四為本橋無縫線路設(shè)計(jì)方案。

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