朱金波　周遠(yuǎn)智　鄧曉紅

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對(duì)斜拉橋縱向附加力的影響分析

朱金波周遠(yuǎn)智鄧曉紅

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁橋上無(wú)縫線路的梁軌相互作用進(jìn)行了大量的研究，而對(duì)城市軌道交通斜拉橋橋上無(wú)縫線路的梁軌相互作用的研究非常少。文中以上海軌道交通16號(hào)線上某斜拉橋(80 m+160 m+80 m)為背景，研究了4種不同鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置方案對(duì)鋼軌縱向附加力的影響。研究表明，在斜拉橋兩端設(shè)置鋼軌伸縮力能有效地降低鋼軌縱向附加力。在斜拉橋跨中設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，因斜拉橋跨度大，不能有效地降低鋼軌縱向附加力，工程實(shí)際中建議在斜拉橋梁兩端設(shè)置鋼軌調(diào)節(jié)器。

關(guān)鍵詞斜拉橋縱向附加力鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

在城市軌道交通中鋪設(shè)了無(wú)縫線路可以盡可能地消滅鋼軌有縫接頭，減輕列車對(duì)橋梁的沖擊，改善橋梁的運(yùn)營(yíng)狀況，增強(qiáng)列車的防爬能力，降低橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性等。基于以上原因，無(wú)縫線路成為了我國(guó)高架軌道交通必須采用的軌道結(jié)構(gòu)形式。

國(guó)內(nèi)外專家對(duì)干線鐵路橋上無(wú)縫線路的梁軌相互作用做了大量的研究[1-4]，研究理論已經(jīng)較為成熟。但是已有的研究大多是針對(duì)簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁進(jìn)行的，對(duì)特殊形式橋梁的梁軌相互作用的研究很少，而實(shí)際上，隨著我國(guó)城市軌道交通的迅速發(fā)展，已經(jīng)有越來(lái)越多特殊形式的橋梁應(yīng)用于城市軌道交通中,大跨度橋梁的鋼軌縱向附加力也更大,設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器是減小鋼軌縱向附加力的有效途徑。目前，在計(jì)算城市軌道交通無(wú)縫線路鋼軌縱向附加力時(shí)，大多直接采用傳統(tǒng)的干線鐵路橋無(wú)縫線路設(shè)計(jì)理論和梁軌相互作用計(jì)算模型，其計(jì)算模型均類似于干線鐵路橋(即計(jì)算橋梁+兩端一定長(zhǎng)度的路基)，該傳統(tǒng)模型不能很好地模擬城市軌道交通高架橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式。本文采用與高架橋結(jié)構(gòu)形式更為相近的考慮鄰跨簡(jiǎn)支梁影響的有限元計(jì)算模型。

1城市軌道交通斜拉橋梁軌相互作用計(jì)算模型

1.1扣件阻力模型

根據(jù)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]選取線路縱向阻力模型。該規(guī)范認(rèn)為采用小阻力扣件，在梁軌發(fā)生相對(duì)位移的初始階段，位移阻力增長(zhǎng)很快，之后逐漸變慢，當(dāng)相對(duì)位移達(dá)到0.5 mm左右時(shí)，縱向位移阻力趨于常量。

1.2梁軌相互作用模型

根據(jù)目前梁軌相互作用模型研究成果，采用7跨簡(jiǎn)支梁(L=30 m)+斜拉橋+7跨簡(jiǎn)支梁有限元模型計(jì)算軌道交通矮塔斜拉橋縱向附加力，模型見圖1。使用大型有限元軟件Ansys建立全橋有限元模型，模擬鋼軌扣件的彈塑性彈簧間距取為1 m。主梁、橋墩、主塔、鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，鋼軌和主梁之間的扣件連接用非線性彈簧單元模擬，用剛臂單元模擬主梁的高度。模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 346個(gè)，梁?jiǎn)卧? 299個(gè)，非線性彈簧單元720個(gè)，線性彈簧單元19個(gè)。

圖1　梁軌相互作用計(jì)算模型

1.3工程背景

2013年建成的上海軌道交通16號(hào)線的某矮塔斜拉橋?yàn)?塔3跨單索面矮塔斜拉橋，見圖2，跨徑布置為：80 m+140 m+80 m=300 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室斜腹板箱梁，屬于塔梁固結(jié)體系。主梁支點(diǎn)處梁高5.6 m，跨中梁高3.0 m，主墩兩側(cè)各37.75 m范圍內(nèi)梁底為圓弧曲線變化，跨中58.1 m和兩邊跨各39.05 m為等高度梁。箱梁頂、底板平行，頂板寬13.641 m，厚25 cm；底板寬7.600～5.71 m，厚30～80 cm；中腹板厚50 cm，兩側(cè)斜腹板厚35～50 cm。兩側(cè)斜腹板外側(cè)與頂板挑臂設(shè)R=1.5m圓弧過(guò)渡，內(nèi)側(cè)設(shè)100 cm×50 cm倒角梗腋，中腹板與頂板設(shè)80 cm×25 cm倒角梗腋。腹板與底板設(shè)30 cm×30 cm倒角梗腋。箱梁采用C60高強(qiáng)混凝土。全橋共有2×20對(duì)斜拉索，梁上縱向間距5.0 m，橫向間距1.3 m。每個(gè)拉索錨固位置設(shè)半橫隔板，板高1.35 m，板厚30 cm。塔身上設(shè)有鞍座，以供斜拉索通過(guò)，每對(duì)斜拉索為2根，橫向間距1.3 m。主橋中墩頂中央布置一個(gè)橋塔，塔高20.5 m，橫向?qū)?.5 m、縱向頂寬6.5 m、底寬5.4 m，順橋向側(cè)面為弧形造型。索塔采用C50混凝土。

圖2　斜拉橋立面圖(單位：cm)

2計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)該橋的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了4種鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置方案。方案1：不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器；方案2：斜拉橋左端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器；方案3：斜拉橋兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器；方案4：跨中設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。不同鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器布置方案時(shí)，單根鋼軌所受的溫度附加力、撓曲附加力和制動(dòng)附加力見圖3～5(坐標(biāo)0點(diǎn)為斜拉橋0號(hào)墩位置)。

圖3　單根鋼軌的伸縮力

圖4　單根鋼軌的撓曲力

圖5　單根鋼軌的制動(dòng)力

由圖3～圖5可見：

(1) 伸縮力。方案1的最大伸縮附加力發(fā)生在梁右端，為537.5 kN；方案2的最大伸縮附加力發(fā)生在梁右端，為527.5 kN；方案3的最大伸縮附加力發(fā)生在跨中，為-376.2 kN；方案4的最大伸縮附加力發(fā)生在梁右端，為537.5 kN。在斜拉橋的兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，伸縮力有明顯的降低；在斜拉橋的跨中設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，鋼軌最大伸縮力沒(méi)有變化，伸縮力分布規(guī)律也沒(méi)有變化，除了設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器處的伸縮力突然降低為0，由此形成的一個(gè)“峰值”。

(2) 撓曲力。方案1的最大撓曲附加力發(fā)生在梁端，為355.9 kN；方案2的最大撓曲附加力發(fā)生在梁右端，為-369.2 N；方案3的最大撓曲附加力發(fā)生在跨中，為46.1 kN；方案4的最大撓曲附加力發(fā)生在梁端，為353.3 kN。在斜拉橋的兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，撓曲力有明顯的降低。僅在斜拉橋一端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，撓曲附加力最大值會(huì)在梁的另一端；在斜拉橋兩端同時(shí)設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，撓曲力急劇變小，最大值發(fā)生在跨中。當(dāng)在跨中間設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，鋼軌最大撓曲力沒(méi)有變化，撓曲力分布規(guī)律也沒(méi)有變化。

(3) 制動(dòng)力。方案1的最大制動(dòng)附加力發(fā)生在梁端，為-68.5 kN；方案2的最大制動(dòng)附加力發(fā)生在梁右端，為-52.2 N；方案3的最大制動(dòng)附加力發(fā)生在跨中，為18.0 kN；方案4的最大制動(dòng)附加力發(fā)生在梁端，為-112.9 kN。當(dāng)在斜拉橋的梁端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，制動(dòng)力有明顯的降低。僅在斜拉橋一端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，制動(dòng)附加力最大值會(huì)在梁的另一端；在斜拉橋兩端同時(shí)設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，制動(dòng)附加力急劇變小，最大值發(fā)生在跨中。當(dāng)在斜拉橋的跨中設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，鋼軌最大撓曲力增大很明顯，并在跨中出現(xiàn)零點(diǎn)。

3結(jié)論

(1) 在斜拉橋兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，能有效地降低伸縮力、撓曲力和制動(dòng)力。在工程實(shí)際中，建議在斜拉橋梁兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

(2) 在斜拉橋跨中設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，因斜拉橋跨度大，不能有效地降低伸縮力、撓曲力和制動(dòng)力。因此需要在斜拉橋兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

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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