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        多聯(lián)大跨度鋼桁橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案可行性研究

        2022-02-07 03:56:40郝曉成米洋
        鐵道建筑 2022年12期

        郝曉成 米洋

        中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300308

        無縫線路軌道結(jié)構(gòu)由于沒有鋼軌普通接頭,平順性大幅提高,軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性增強(qiáng),成為現(xiàn)代軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。隨著我國(guó)軌道設(shè)備質(zhì)量不斷提升,既有線軌道無縫化改造成為線路提質(zhì)增效的重要手段。既有線不可避免地存在多聯(lián)大跨度鋼桁橋,相比普通橋上無縫線路,其梁軌相互作用更為復(fù)雜。鋼桁橋橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案成為制約既有線軌道無縫化改造的主要因素。

        梁軌相互作用是橋上無縫線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4-5]通過鋼軌軸向平衡微分方程研究了橋上無縫線路的附加力。文獻(xiàn)[6-8]針對(duì)斜拉橋、懸索橋等不同橋型的橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究。既有研究大多針對(duì)新建線路橋上無縫線路,而鮮有既有線鋼桁橋明橋面橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案的研究。

        本文基于一多聯(lián)大跨度鋼桁橋上無縫線路,建立線-橋-墩一體化模型,提出全橋鋪設(shè)常阻力扣件、連續(xù)梁邊跨及相鄰簡(jiǎn)支梁鋪設(shè)小阻力、連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)零阻力扣件、連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器、連續(xù)梁跨中鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器五種設(shè)計(jì)方案。通過進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算,對(duì)比得出橋上無縫線路最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,以期為鐵路鋼桁橋上無縫線路設(shè)計(jì)檢算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

        1 模型及方案設(shè)計(jì)

        1.1 計(jì)算模型

        橋上無縫線路計(jì)算模型如圖1 所示。將鋼軌、橋梁離散成有限個(gè)梁?jiǎn)卧?;扣件及道床縱向阻力特征采用非線性彈簧單元來模擬;橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向剛度采用線性彈簧單元來模擬。模型中,考慮連續(xù)梁兩側(cè)各5 跨簡(jiǎn)支梁范圍內(nèi)的鋼軌及扣件單元,以消除邊界條件對(duì)橋上無縫線路縱向力和位移計(jì)算的影響。

        圖1 線-橋-墩一體化計(jì)算模型

        模型中,橋梁的縱向位移及制(啟)動(dòng)力是主動(dòng)作用,通過梁軌間的縱向約束帶動(dòng)長(zhǎng)軌條發(fā)生縱向位移,在長(zhǎng)軌條中產(chǎn)生縱向附加力;同時(shí)梁軌間的縱向約束力以相反方向作用在橋梁上,并傳遞至固定支座上,帶動(dòng)墩臺(tái)產(chǎn)生縱向位移,使橋梁翼緣的縱向位移發(fā)生改變。可見,線、橋、墩是相互作用的耦合系統(tǒng)。通過求解該系統(tǒng)的平衡位置,即可得到鋼軌中的縱向力、位移,橋梁縱向位移,墩臺(tái)縱向力及位移。

        1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

        1)軌道參數(shù):60 kg/m鋼軌;Ⅲ型混凝土軌枕;彈條Ⅴ型扣件及小阻力扣件;鋼橋明橋面采用木枕,K型扣件;最高軌溫60.9 ℃,最低軌溫-22.2 ℃,設(shè)計(jì)鎖定軌溫(29 ± 5)℃。

        2)溫度荷載:有砟軌道鋼梁溫差取25 ℃;混凝土梁溫差取15 ℃;無砟軌道混凝土梁溫差取30 ℃。

        3)列車設(shè)計(jì)荷載:既有鋼桁橋采用圖2 所示的中—活載;輪軌黏著系數(shù)取0.164,荷載加載長(zhǎng)度不超過400 m;設(shè)計(jì)軸重為25 t。

        圖2 中—活載(尺寸單位:m)

        4)道床及扣件縱向阻力:對(duì)于有砟橋,約束阻力為道床阻力;對(duì)于明橋面,約束阻力為扣件阻力??奂暗来沧枇⒖糡B 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》。

        1.3 設(shè)計(jì)方案

        該橋梁全長(zhǎng)2.883 km,孔跨布置為55 × 32 m簡(jiǎn)支T 梁+(48+3 × 64+48)m 連續(xù)鋼桁梁+24 × 32 m 簡(jiǎn)支T梁,橋梁位于直線及半徑1 000 m 的曲線上。為消除邊界效應(yīng)影響,按5 × 32 m+(48+3 × 64+48)m+5 × 32 m進(jìn)行計(jì)算。

        為得出多聯(lián)大跨度鋼桁梁橋上無縫線路最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,對(duì)五種方案(圖3)的鋼軌強(qiáng)度、軌道穩(wěn)定性和斷縫值進(jìn)行檢算。

        圖3 多聯(lián)大跨度鋼桁梁橋上無縫線路方案設(shè)計(jì)(單位:m)

        方案一:全橋鋪設(shè)常阻力扣件。

        方案二:連續(xù)梁邊跨及相鄰簡(jiǎn)支梁鋪設(shè)小阻力扣件,其余地段鋪設(shè)常阻力扣件方案。

        方案三:連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)零阻力扣件,其余地段鋪設(shè)常阻力扣件方案。

        方案四:連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器,其余地段鋪設(shè)常阻力扣件方案。

        方案五:連續(xù)梁跨中鋪設(shè)單向伸縮調(diào)節(jié)器,其余地段鋪設(shè)常阻力扣件。

        2 檢算及對(duì)比

        2.1 全橋鋪設(shè)常阻力扣件及局部鋪設(shè)小阻力扣件方案

        TB 10015—2012 規(guī)定,應(yīng)減少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置。因此首先對(duì)全橋鋪設(shè)常阻力扣件方案(方案一)及局部鋪設(shè)小阻力扣件方案(方案二)進(jìn)行檢算。

        2.1.1 鋼軌伸縮附加力

        方案一與方案二的鋼軌伸縮附加力計(jì)算結(jié)果見圖4??芍桨敢?、方案二的鋼軌伸縮附加力最大值分別為691.81、538.01 kN,鋪設(shè)小阻力扣件后鋼軌伸縮附加力明顯減小,均出現(xiàn)在連續(xù)梁右端的連續(xù)鋼桁橋與簡(jiǎn)支梁梁縫處,距左橋臺(tái)448 m。

        圖4 方案一與方案二鋼軌伸縮附加力

        2.1.2 制(啟)動(dòng)力

        由鋼軌伸縮附加力計(jì)算結(jié)果可知,最不利荷載位置為連續(xù)梁右端。計(jì)算制(啟)動(dòng)力時(shí)按最不利工況加載,列車從左側(cè)入橋,列車車頭在距左端橋臺(tái)448 m處,荷載作用在288 m 橋跨上。方案一與方案二的制(啟)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見圖5。可知,方案一、方案二的制(啟)動(dòng)力最大值分別為480.16、453.67 kN,采用小阻力扣件后制(啟)動(dòng)力略有減小。

        圖5 方案一與方案二制(啟)動(dòng)力

        2.1.3 斷縫值

        斷縫值的檢算關(guān)系到行車安全及是否需要采用伸縮調(diào)節(jié)器,是橋上無縫線路設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),橋上無縫線路兩股或多股鋼軌同時(shí)折斷的概率極小,因此只考慮單根鋼軌折斷情況。

        考慮最不利工況:鋼軌降溫56.9 ℃;斷縫設(shè)置在伸縮力較大的288 m 鋼桁梁右端(距左橋臺(tái)448 m)。方案一與方案二的斷縫值計(jì)算結(jié)果見圖6??芍?,方案一、方案二的斷縫值分別為50.26、69.60 mm。采用小阻力扣件后,由于阻力值變小,斷縫值增大,但均小于TB 10015—2012規(guī)定的70 mm。

        圖6 方案一與方案二斷縫值

        2.1.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算

        根據(jù)TB 10015—2012,鋼軌容許應(yīng)力為363 MPa。方案一與方案二鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性檢算結(jié)果分別見表1、表2??芍撥墢?qiáng)度不滿足要求,無縫線路穩(wěn)定性滿足要求。這說明鋪設(shè)常阻力或小阻力扣件鋼軌應(yīng)力較大,方案不可行。

        表1 方案一與方案二鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果

        表2 方案一與方案二穩(wěn)定性檢算結(jié)果

        2.2 連續(xù)鋼桁梁邊跨布設(shè)零阻力扣件方案

        零阻力扣件,顧名思義就是縱向阻力為0,只有垂向約束作用的扣件[9-10]?;跍p少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置數(shù)量的原則,對(duì)連續(xù)鋼桁梁邊跨布設(shè)零阻力扣件方案(方案三)進(jìn)行檢算。

        2.2.1 鋼軌伸縮附加力

        方案三的鋼軌伸縮附加力計(jì)算結(jié)果見圖7。可知,鋼軌伸縮附加力為383.32 kN,出現(xiàn)在連續(xù)梁右邊跨,明顯比方案一、方案二有所減小。

        初始階段。對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理操作,由Job-Client把數(shù)據(jù)集切片為 的形式并發(fā)送到JobTracker,Job1啟動(dòng)時(shí)從InputSplit中加載切片信息作為Map函數(shù)的輸入。

        圖7 方案三鋼軌伸縮附加力

        2.2.2 制(啟)動(dòng)力

        按照最不利工況加載,列車從左側(cè)入橋,整列車加載到連續(xù)梁上。方案三的制(啟)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見圖8??芍?,方案三制(啟)動(dòng)力最大值為341.39 kN,明顯比方案一、方案二有所減小。

        圖8 方案三制(啟)動(dòng)力

        2.2.3 斷縫值

        按照最不利工況加載計(jì)算方案三斷縫值,結(jié)果見圖9。可知,方案三斷縫值為102.27 mm,與方案一、方案二相比明顯增大,且大于TB 10015—2012 規(guī)定的一般值70 mm、困難值90 mm。

        圖9 方案三斷縫值

        2.2.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算

        對(duì)方案三鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性進(jìn)行檢算,結(jié)果表明:鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力、伸縮附加應(yīng)力、制動(dòng)應(yīng)力分別為124.9、141.1、49.5、44.1 MPa,應(yīng)力合計(jì)359.6 MPa,小于容許應(yīng)力(363 MPa),滿足要求;允許溫升59.5 ℃,實(shí)際溫升36.5 ℃,滿足要求。

        綜上,方案三的鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求,但鋼軌斷縫值不滿足要求。方案三不可行。

        2.3 鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案

        鋪設(shè)常阻力、小阻力及零阻力扣件方案均不可行,因此需進(jìn)行連續(xù)鋼桁梁鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案研究。連續(xù)梁鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器包括邊跨鋪設(shè)(方案四)及跨中鋪設(shè)(方案五)兩種方案。

        2.3.1 鋼軌伸縮附加力+基本溫度力

        圖10 方案四與方案五鋼軌伸縮附加力+基本溫度力

        2.3.2 制(啟)動(dòng)力

        鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器后,按最不利工況加載時(shí)制(啟)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見圖11??芍?,方案四、方案五的制(啟)動(dòng)力最大值分別為240.43、480.16 kN。

        圖11 方案四與方案五制(啟)動(dòng)力

        2.3.3 斷縫值

        鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器后,考慮斷縫出現(xiàn)在最不利工況下,斷縫值計(jì)算結(jié)果見圖12??芍桨杆?、方案五斷縫值分別為48.55、48.56 mm,滿足TB 10015—2012限值70 mm的要求。

        圖12 方案四與方案五斷縫值

        2.3.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算

        方案四與方案五的鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性檢算結(jié)果分別見表3、表4。可知,連續(xù)梁邊跨設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí),鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求,鋼軌斷縫值也滿足要求;連續(xù)梁跨中設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器時(shí),鋼軌強(qiáng)度不滿足要求。因此,連續(xù)梁邊跨鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案可行。

        表3 方案四與方案五鋼軌強(qiáng)度檢算

        表4 方案四與方案五穩(wěn)定性檢算

        3 結(jié)論

        1)全橋鋪設(shè)常阻力扣件,鋼軌強(qiáng)度不滿足要求,無縫線路穩(wěn)定性滿足要求,斷縫值滿足要求,故方案一不可行。

        2)鋼桁梁邊跨及相鄰簡(jiǎn)支梁鋪設(shè)小阻力扣件,其余地段鋪設(shè)常阻力扣件,鋼軌強(qiáng)度不滿足要求,無縫線路穩(wěn)定性、斷縫值均滿足要求,故方案二不可行。

        3)鋼桁梁邊跨鋪設(shè)零阻力扣件,其余地段鋪設(shè)小阻力扣件,鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求,但斷縫值不滿足要求,故方案三不可行。

        4)連續(xù)梁兩端鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器,鋼軌強(qiáng)度及無縫線路穩(wěn)定性均滿足要求,斷縫值滿足要求,故推薦連續(xù)梁兩端鋪設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器方案。

        5)連續(xù)梁跨中設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器,鋼軌強(qiáng)度不滿足要求,無縫線路穩(wěn)定性滿足要求,斷縫值滿足要求,故方案五不可行。

        本研究成果可為鐵路鋼桁橋上無縫線路設(shè)計(jì)檢算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

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