婁徐瑞利
(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作454000)
在溫度、豎向活載、列車制動等荷載作用下,橋梁與長鋼軌無縫線路之間存在著相對位移,由于鋼軌和橋梁之間的非線性約束,導(dǎo)致橋梁和鋼軌承受著非線性縱向力,即所謂橋上無縫線路縱向力問題。國內(nèi)外學(xué)者已針對該問題進(jìn)行了廣泛的探討,并取得了豐碩的研究成果[1-3]。本文在前人研究基礎(chǔ)上,采用非線性彈簧模擬線路縱向阻力,采用魚骨刺模型模擬橋梁,建立了(4-32+64+3-32)m 多跨長聯(lián)簡支梁橋與雙線軌道相互作用的有限元模型,分析了長鋼軌伸縮力、撓曲力、制動力的分布規(guī)律;采用考慮加載歷史的分析方法[4],探討了溫度和豎向活載、溫度和制撓力的耦合作用。
橋上采用雙線無砟軌道,基于規(guī)范[2]建議的線路縱向阻力理想彈塑性模型:
式中,線路縱向阻力r 單位為kN/m/軌,梁軌相對位移x 單位為mm。橋梁范圍外各建立100m 路基上的鋼軌[5]。
采用魚骨刺模型模擬橋梁,橋梁形式為64m 雙箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。
64m 簡支梁橋左側(cè)建立4 跨32m 簡支梁橋,右側(cè)建立3 跨32m 簡支梁橋,支座布置及墩臺編號如圖1 所示。
圖1 橋梁布置形式
下部結(jié)構(gòu)縱向剛度取值參考規(guī)范[2]取為800kN/cm、橋臺取為3000kN/cm。
在計算伸縮力時,按梁體升溫15℃計[2]。
在計算撓曲力時,取ZK 荷載,加載范圍取為300m,加載步長取為5m。在計算制動力時,參照文獻(xiàn)[3]將制動力率偏安全地取為0.25,加載步長取為5m,并考慮一側(cè)路基。
假設(shè)梁體升溫15℃,橋上長鋼軌縱向力及墩頂水平力分布見圖2。
圖2 伸縮力計算結(jié)果
從圖2 可以看出,鋼軌伸縮力在橋梁墩臺處存在應(yīng)力極值。由于64m 簡支梁溫度跨度較大,其附近梁端處鋼軌應(yīng)力也較大,數(shù)值可增大至30.3MPa。其中,鋼軌拉應(yīng)力增幅超過2 倍。除設(shè)置固定支座的橋臺處外,其他墩臺受力相對較為均衡,但64m簡支梁制動墩墩頂水平力有近2 倍的增幅,達(dá)到250.1kN。鋼軌應(yīng)力各跨簡支梁相接處存在較大壓應(yīng)力,在各跨簡支梁跨中附近存在較大壓應(yīng)力。
豎向活載按均布荷載計,加載長度300m,加載步長取為5m,從左向右加載,其鋼軌軸向應(yīng)力包絡(luò)及墩頂水平力如圖3所示。
圖3 撓曲力計算結(jié)果
由圖3 可知,64m 簡支梁的存在導(dǎo)致鋼軌撓曲力有較大增幅,達(dá)到11.2MPa(拉)和8.3MPa(壓),但撓曲力整體水平較低,對鋼軌應(yīng)力影響較小。
64m 簡支梁制動墩(5 號墩)墩頂水平力也有較大幅度的增加,超過固定支座橋臺,達(dá)到82.3kN。
設(shè)列車制動力率為0.25,列車從橋梁左側(cè)進(jìn)入橋梁并開始制動,加載范圍取為300m,加載步長取為5m,計算鋼軌應(yīng)力包絡(luò)、墩頂水平力最值及梁軌相對位移,見圖4。
圖4 制動力計算結(jié)果
從圖4 可以看出在橋梁墩臺處均存在較大的鋼軌制動力峰值,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在64m 簡支梁制動墩處及固定支座橋臺附近,達(dá)24.1MPa。由于64m 簡支梁的存在,導(dǎo)致5 號和6 號墩受力相對較大,其數(shù)值與制動橋臺相近,超過550kN。
采用考慮加載歷史的無縫線路縱向力迭代公式[2],計算梁體在分別升溫和降溫15℃后,列車從橋上經(jīng)過的情況,見圖5。
圖5 溫度與撓曲耦合效應(yīng)計算結(jié)果
與圖2 對比,可以看出,溫度與撓曲耦合作用條件下,其鋼軌最大應(yīng)力為30.1MPa(拉)和30.2MPa(壓),與僅考慮伸縮力的28.2MPa(拉)和30.1MPa(壓)相比,并未出現(xiàn)較大的增幅。這表明溫度與撓曲作用并非簡單的線性疊加關(guān)系,且鋼軌伸縮力為主要控制性荷載。升降溫對64m 簡支梁制動墩所受水平力有一定影響,影響幅度約為30%,對其他墩影響較小。
考慮梁體在分別發(fā)生升溫和降溫15℃后,列車從橋梁左端進(jìn)入橋梁范圍并進(jìn)行制動的情況,計算結(jié)果見圖6。
圖6 溫度與制撓力耦合效應(yīng)計算結(jié)果
與圖4 對比,可以看出,溫度與制撓力耦合作用條件下,鋼軌應(yīng)力峰值出現(xiàn)在活動支座橋臺附近。初始溫度升高與降低與否對鋼軌應(yīng)力的分布影響顯著。降溫條件下,鋼軌軸向拉應(yīng)力超過45.2MPa。初始溫度升高或降低顯著影響橋臺和64m 簡支梁制動墩的墩頂水平力。5 號制動墩墩頂水平力峰值超過850kN。
為探討高速鐵路64m 簡支梁橋與軌道相互作用規(guī)律,以(4-32+64+3-32)m 多跨長聯(lián)簡支梁橋?yàn)槔治隽硕嗫玳L聯(lián)簡支梁橋上長鋼軌縱向力的分布規(guī)律,探討了初始溫度與撓曲力和制撓力的耦合效應(yīng),主要結(jié)論包括:
7.1 鋼軌伸縮力、撓曲力和制動力峰值均出現(xiàn)在橋梁相接處和橋臺處。其中,伸縮力和制動力是主要控制性荷載。
7.2 由于64m 簡支梁橋溫度跨度較大,其附近的鋼軌應(yīng)力和制動墩頂水平力均有較大的增加。
7.3 初始溫度荷載對鋼軌應(yīng)力最大值影響顯著,其中溫度與撓曲力組合下,以溫度影響為主。
7.4 考慮初始溫度后,鋼軌制撓力、64m 簡支梁制動墩頂水平力出現(xiàn)較大的增幅,在設(shè)計時應(yīng)予以注意。