陳浩瑞 劉吉元 杜振華 石龍

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

我國(guó)以大秦鐵路和晉中南鐵路為代表的重載鐵路主要開行軸重為25～30 t的貨運(yùn)列車，隨著貨運(yùn)需求的增加，研究建設(shè)40 t軸重重載鐵路具有重要意義［1］。列車荷載的提高會(huì)影響橋梁、軌道、路基等結(jié)構(gòu)的安全性與平順性，對(duì)橋上無(wú)縫線路縱向力產(chǎn)生重要影響。因此，有必要針對(duì)40 t 軸重列車作用下的鐵路簡(jiǎn)支梁橋梁軌縱向相互作用規(guī)律開展研究。

殷明旻等［2］基于國(guó)外重載鐵路的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用簡(jiǎn)化的均布荷載計(jì)算了40 t軸重重載鐵路橋上無(wú)縫線路縱向力，并給出了橋墩線剛度建議值。戴公連等［3］研究了30 t軸重重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋上無(wú)縫線路縱向力和墩臺(tái)水平力分布規(guī)律，分析了跨數(shù)、布置方式和工況組合方式對(duì)梁軌相互作用的影響，提出了30 t 軸重重載鐵路線剛度建議值。頡明軍等［4］對(duì)內(nèi)蒙古巴準(zhǔn)鐵路哈拉溝特大橋進(jìn)行有限元分析，研究了重載列車作用下無(wú)縫線路縱向力的分布規(guī)律，得到了萬(wàn)噸大軸重列車牽引制動(dòng)工況下橋墩臺(tái)承受的最大縱向力。閆斌等［5］建立了考慮樁土作用、橋墩塑性變形、滑動(dòng)支座阻力的梁軌相互作用模型，提出了30 t 軸重重載鐵路梁軌系統(tǒng)的地震響應(yīng)規(guī)律，分析了溫度、列車制動(dòng)和地震耦合作用下該系統(tǒng)的受力特征。于哲［6］建立非等跨簡(jiǎn)支T 梁與軌道一體化模型，通過(guò)加載30 t 軸重移動(dòng)荷載列研究了無(wú)縫線路縱向力的分布規(guī)律以及溫度作用、制動(dòng)作用、地震作用對(duì)該梁軌系統(tǒng)的影響。根據(jù)研究現(xiàn)狀可知，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要側(cè)重外部作用變化和橋梁參數(shù)變化對(duì)無(wú)縫線路縱向力的影響，但關(guān)于縱向位移阻力曲線變化對(duì)重載鐵路無(wú)縫線路縱向力的影響研究較少。基于此，本文結(jié)合幾內(nèi)亞Simandou 重載鐵路建立有限元模型，分析40 t 軸重重載鐵路無(wú)縫線路縱向力對(duì)縱向位移阻力曲線的適應(yīng)性。

1 計(jì)算模型

圖1 線橋一體化桿系模型

采用有限元軟件建立線橋一體化桿系模型（圖1）。梁體線單元與代表2股鋼軌的鋼軌線單元在豎向使用間隔0.65 m 的剛臂彈簧單元連接，在縱向采用間隔0.65 m 的非線性彈簧單元連接。線路縱向位移-阻力曲線通過(guò)參數(shù)形式賦值于縱向非線性彈簧單元內(nèi)。梁端下緣剛臂線單元連接固定支座與活動(dòng)支座，支座節(jié)點(diǎn)豎向自由度、橫向自由度全部固定。固定支座與墩頂節(jié)點(diǎn)采用剛臂彈簧單元連接，活動(dòng)支座與墩頂節(jié)點(diǎn)采用極柔的線性彈簧單元連接。墩臺(tái)采用“墩頂節(jié)點(diǎn)+縱向線性彈簧+全約束的墩底節(jié)點(diǎn)”模式進(jìn)行模擬，墩臺(tái)頂線剛度值賦予在相應(yīng)的縱向線性彈簧單元中。圖1中h=0表示2個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一水平面上，位置重合，但相對(duì)獨(dú)立。

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 橋梁參數(shù)

橋梁參數(shù)參考幾內(nèi)亞Simandou 鐵路Kaba 河橋跨區(qū)段的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，建立單線10 跨24 m 的雙工字鋼主梁鋼-混結(jié)合梁橋。該線路是為開發(fā)世界級(jí)鐵礦——幾內(nèi)亞西芒杜鐵礦而設(shè)計(jì)的配套貨物運(yùn)輸鐵路。為了確定墩頂線剛度，在同一跨度下，采用60，80，100，150，175，200，250，300，400，500，600，800，1 000，1 500，3 000 kN/cm 共15種剛度進(jìn)行計(jì)算，橋臺(tái)剛度采用1 500 kN/cm。梁體伸縮作用下的溫差為±20 ℃。

2.2 荷載參數(shù)

采用澳大利亞BHP 礦石車進(jìn)行加載，相應(yīng)單節(jié)構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 澳大利亞BHP礦石車單節(jié)構(gòu)造簡(jiǎn)圖（單位：m）

2.3 軌道參數(shù)

鋼軌采用CHN60軌。對(duì)于有砟軌道，線路縱向位移-阻力曲線主要采用TB 10015—2012《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］中規(guī)定的有砟軌道Ⅲ型混凝土軌枕縱向位移-阻力曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 有砟軌道線路縱向位移-阻力曲線

為了研究線路縱向阻力變化對(duì)重載鐵路無(wú)縫線路縱向力的影響，結(jié)合圖3 構(gòu)建不同的縱向位移阻力曲線，變化數(shù)值分別見(jiàn)表1 和表2。其中，軌面有載縱向阻力為軌面有載（機(jī)車）對(duì)應(yīng)的縱向阻力。

2.4 檢算限值

有砟軌道鋼軌附加拉、壓應(yīng)力限值分別為81，61 MPa，梁軌快速位移差限值為4 mm。

表1 隨縱向阻力變化的線路阻力取值

表2 隨屈服位移變化的線路阻力取值

3 計(jì)算結(jié)果

采用TB 10015—2012中的縱向位移-阻力曲線計(jì)算得到40 t軸重重載列車作用下鋼軌制動(dòng)附加應(yīng)力最大值及制動(dòng)+溫度的組合附加應(yīng)力最大值隨墩頂線剛度變化的曲線，見(jiàn)圖4?？芍?，在制動(dòng)工況和組合工況下，鋼軌附加拉、壓應(yīng)力隨墩頂線剛度的變化規(guī)律大致相同，附加壓應(yīng)力略大于附加拉應(yīng)力。附加壓應(yīng)力限值比附加拉應(yīng)力限值小，而實(shí)際情況相反，說(shuō)明鋼軌附加壓應(yīng)力起控制作用，因此本文只對(duì)制動(dòng)工況和組合工況下的鋼軌附加壓應(yīng)力進(jìn)行分析，下文的壓應(yīng)力統(tǒng)一取絕對(duì)值。

圖4 40 t軸重重載鐵路鋼軌附加應(yīng)力最大值曲線

3.1 鋼軌附加應(yīng)力

有砟軌道單線簡(jiǎn)支梁40 t軸重重載列車鋼軌制動(dòng)附加壓應(yīng)力最大值曲線見(jiàn)圖5。由圖5（a）可知，當(dāng)墩頂線剛度不超過(guò)400 kN/cm 時(shí)，鋼軌制動(dòng)附加壓應(yīng)力最大值隨縱向阻力的增大而增大；當(dāng)墩頂線剛度超過(guò)400 kN/cm 時(shí)，鋼軌制動(dòng)附加壓應(yīng)力最大值先迅速減小，隨后緩慢增加。由圖5（b）可知，當(dāng)墩頂線剛度不超過(guò)1 000 kN/cm時(shí)，鋼軌制動(dòng)附加壓應(yīng)力最大值隨屈服位移的增大而減小；當(dāng)墩頂線剛度超過(guò)1 000 kN/cm時(shí)，鋼軌制動(dòng)附加壓應(yīng)力最大值先減小后增大。

圖5 鋼軌制動(dòng)附加壓應(yīng)力最大值曲線

3.2 梁軌快速位移差

根據(jù)表1 和表2 計(jì)算40 t 軸重重載列車在有砟軌道單線簡(jiǎn)支梁上產(chǎn)生的梁軌快速位移差最大值，見(jiàn)圖6?？芍粍偠认?，梁軌快速位移差最大值隨縱向阻力的增大而減小；梁軌快速位移差最大值隨屈服位移的增大而增大，呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。

圖6 梁軌快速位移差最大值曲線

3.3 墩頂線剛度限值討論

采用不同縱向阻力和屈服位移計(jì)算得到了24 m跨度40 t軸重重載鐵路有砟軌道單線鋼混簡(jiǎn)支梁的墩頂線剛度限值，分別見(jiàn)表3 和表4?？芍孩?0 t 軸重重載鐵路簡(jiǎn)支梁墩頂線剛度為537 kN/cm，與文獻(xiàn)［2］的研究結(jié)果（540 kN/cm）大致相同。②40 t 軸重重載鐵路對(duì)墩頂線剛度要求較高，僅單一改變線路縱向阻力或屈服位移均不能很好地解決重載鐵路墩頂線剛度限值偏大的問(wèn)題，可以采用在跨中專門設(shè)置制動(dòng)墩或變多跨簡(jiǎn)支梁為連續(xù)梁等方法，從整體上優(yōu)化橋梁-軌道縱向受力。

表3 不同縱向阻力下的墩頂線剛度限值

表4 不同屈服位移下的墩頂線剛度限值

4 結(jié)論

1）當(dāng)墩頂線剛度較小時(shí)，同一剛度下鋼軌制動(dòng)附加壓應(yīng)力最大值隨縱向阻力的增大而增大，隨屈服位移的增大而減小。

2）同一剛度下，梁軌快速位移差最大值隨縱向阻力的增大而減小，隨屈服位移的增大而增大。

3）同一剛度下，縱向阻力變化對(duì)橋上無(wú)縫線路縱向力的影響大于屈服位移變化對(duì)縱向力的影響。