肖治群

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室 湖北武漢 430063)

1 引言

隨著我國城市軌道交通的迅速發(fā)展，在特殊情況下，為了降低工程造價，有時需要將地鐵線路建設(shè)于橋梁上，并鋪設(shè)橋上無縫線路[1]。對于鋼桁梁橋等大跨度橋梁，在溫度荷載的作用下往往會導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力增加，嚴(yán)重時會使鋼軌位移超限甚至斷軌，因此需要在地鐵鋼橋上布設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，以緩解溫度應(yīng)力等附加應(yīng)力對橋上無縫線路的影響[2－3]。

目前，對于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的影響，現(xiàn)有學(xué)者往往采用有限元或者解析算法進(jìn)行研究，并偏重于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對鋼軌應(yīng)力與位移的影響研究。段翔遠(yuǎn)[4]采用有限元靜力學(xué)分析的方法，研究了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對有砟軌道橋上道岔的影響，表明鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置可以保證橋上無縫道岔的穩(wěn)定性。呂關(guān)仁[5]以現(xiàn)場實測的方式，對京滬高速鐵路黃河特大橋在鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置條件下，鋼軌的位移變化進(jìn)行了試驗與分析。郭輝等[6]通過對高速鐵路大跨度鋼橋梁端伸縮裝置進(jìn)行設(shè)計研究，以靜力驗算的方法提出了設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的重要性。高洪濤等[7]基于滬昆客專湘江特大橋無砟軌道設(shè)計與施工背景，分析并提出了在此線路曲線地段鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的重要性和必要性，并驗證了該區(qū)域使用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的安全性與可行性。曾志平等[8]通過現(xiàn)場實測的方式，對跨興閆公路橋鋼軌伸縮器的動力特性進(jìn)行了現(xiàn)場實測，分析了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置后不同行車速度條件下車輛與軌道的動力學(xué)效應(yīng)。

通過現(xiàn)有文獻(xiàn)分析可見，對于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的研究主要集中于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置對于鋼軌的靜力安全檢算以及鋼軌累積位移數(shù)據(jù)的采集，而對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對車輛－軌道系統(tǒng)動力效應(yīng)的研究較少，尤其對于地鐵鋼橋列車動力效應(yīng)的影響方面尚無相關(guān)研究。

鑒于此，本文以道慶洲跨江大橋為例，通過建立地鐵列車－軌道－鋼橋耦合動力學(xué)模型，分析了列車以80 km/h、100 km/h和120 km/h三種速度通過橋梁時，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器兩種工況下車體加速度以及不同激勵條件下的輪軌垂向力，進(jìn)而對地鐵列車行車安全性進(jìn)行了評估，同時通過提取鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器處結(jié)構(gòu)的不同節(jié)點的動力響應(yīng)值，對梁端結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行研究，并對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)隨速度與梁縫間距的變化規(guī)律進(jìn)行了探索。

2 基本結(jié)構(gòu)與設(shè)計方案

道慶洲跨江大橋長2.7 km，為鋼桁組合梁，橋跨布置為85 m＋85 m＋(121＋276＋121)m主橋＋7×85 m＋7×85 m＋2×85 m＋84 m＋73 m鋼桁結(jié)合梁。主橋采用主跨276 m的變高度預(yù)應(yīng)力鋼桁結(jié)合梁方案，跨徑組成為(121＋276＋121)m。公路橋面采用鋼－混組合結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)桁高9.5 m，主墩處桁高為23 m。主墩處變桁高區(qū)段下弦桿采用鋼－混組合截面，以提高結(jié)構(gòu)剛度，控制鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸。上層公路橋面寬度31 m，下層輕軌橋面采用正交異性整體鋼橋面系[9－10]。橋式布置見圖1。

圖1 道慶洲跨江大橋立面布置(單位:m)

3 動力分析模型與參數(shù)設(shè)置

3.1 軌道及鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器模型

隔振墊減振型軌道結(jié)構(gòu)采用“梁－體”模型，鋼軌采用自定義截面梁單元，可用于模擬鋼軌拉、壓、彎、扭等變形；扣件采用垂向彈簧單元，用于模擬扣壓件和軌下支撐膠墊的綜合節(jié)點剛度和阻尼；道床采用三維實體單元模擬；隔振墊采用彈簧模擬。本模型采用有限元方法建模，鋼軌為60 kg/m；軌枕布置為1 667根/km；彈性扣件剛度為35 kN/mm，阻尼為0.075 kN·s/mm；道床板長度取6 m，厚度為0.28 m，寬為2.8 m，采用C40混凝土，彈性模量取為34 000 MPa；隔振墊剛度為0.025 N/mm。由于模型中三塊道床板長度相同，并且道床板間均留有20 mm伸縮縫，縫間填充彈性材料，模型中采用弱彈簧模擬。對梁端軌道結(jié)構(gòu)，鋼軌、鋼梁、軌枕、鋼枕結(jié)構(gòu)均采用梁單元建模，扣件采用彈簧建模。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的間隙設(shè)置在梁端處，如圖2所示。

圖2 梁端軌道結(jié)構(gòu)與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器模型

3.2 地鐵列車－減振墊無砟軌道－鋼桁橋耦合動力學(xué)模型

本文為了更好地分析地鐵列車－減振墊無砟軌道－鋼桁橋耦合動力響應(yīng)，以全橋為基礎(chǔ)，采用地鐵B2型車，軸重14 t，并考慮橋梁的預(yù)平衡區(qū)以及動力響應(yīng)記錄區(qū)段，如圖3所示。利用所建立的仿真分析模型，模擬列車以80 km/h、100 km/h和120 km/h三種等級的速度通過橋梁時，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器兩種工況條件下車輛和軌道的動力響應(yīng)。

圖3 列車運(yùn)行示意

4 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響分析

4.1 地鐵列車行車安全性分析

本文模擬了列車以80 km/h、100 km/h和120 km/h三種速度通過橋梁時，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器兩種工況下車體垂向加速度、輪軌垂向力等指標(biāo)變化情況，其中軌下墊層剛度選取0.025 N/mm。列車速度為100 km/h時，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器兩種工況下車輛的動力響應(yīng)指標(biāo)車體加速度如圖4所示，不同激勵條件下列車速度100 km/h時輪軌垂向力響應(yīng)波形對比如圖5所示。

圖4 列車速度100 km/h條件下車輛動力響應(yīng)波形對比

圖5 不同激勵條件下列車速度100 km/h時輪軌垂向力響應(yīng)波形對比

由圖4～圖5可知，車體加速度在設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器前后變化不大，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器相比，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對車輛動力學(xué)性能影響在無軌道不平順時較為明顯。輪軌垂向力在設(shè)置伸縮器工況下，均有增大的趨勢(主要表現(xiàn)在進(jìn)入鋼軌伸縮器區(qū)段和離開兩個階段)，但當(dāng)施加軌道不平順后，輪軌垂向力在有無伸縮器的情況下差異減小。實際列車運(yùn)行中，軌道存在一定的幾何不平順，故可以認(rèn)為在軌道不平順的激勵下，鋼軌伸縮器對車輛運(yùn)行品質(zhì)的影響力會大大下降。

列車以80 km/h、100 km/h和120 km/h三種速度通過橋梁時的車體加速度與輪軌垂向力最大值見表1。設(shè)置鋼軌伸縮器后，三處鋼軌垂向位移與未設(shè)置前比較基本不變。設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對中間點鋼軌垂向加速度影響較大，左右端點的影響相對較小，但均在限值范圍以內(nèi)[11－12]。

表1 車體垂向加速度與輪軌垂向力最大值匯總

由表1結(jié)果可知，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器相比，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對車輛動力學(xué)性能的影響在無軌道不平順時較為明顯。輪軌垂向力在設(shè)置伸縮器工況下，均有增大的趨勢(主要表現(xiàn)在進(jìn)如鋼軌伸縮器區(qū)段和離開兩個階段)，但當(dāng)施加軌道不平順后，車體加速度和輪軌垂向力在有無伸縮器的情況下差異減小，對車輛動力學(xué)性能指標(biāo)幾乎沒有影響。通過相關(guān)規(guī)范可知，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器后，行車舒適性指標(biāo)和行車安全性指標(biāo)均在限值范圍內(nèi)，所以行車舒適性和安全性均滿足要求。

4.2 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)隨速度的變化規(guī)律

為了研究鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器梁縫區(qū)域的結(jié)構(gòu)受力與變形隨速度變化規(guī)律，設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的梁端調(diào)整間距為1 000 mm，提取在80 km/h、100 km/h、120 km/h行車速度下鋼軌、鋼枕、縱向鋼梁、扣件支點處的動力響應(yīng)進(jìn)行對比分析。不同行車速度作用下各節(jié)點鋼枕垂向位移時程曲線如圖6所示。

圖6 不同行車速度下鋼軌節(jié)點1垂向位移時程曲線

由圖6的鋼軌垂向位移幅值可知，不同車速下，同一節(jié)點的垂向位移變化幅值差異不大。不同節(jié)點的位移響應(yīng)波形較接近，其中120 km/h時鋼軌位移幅值最大，隨著距離梁端間隙距離的增大，鋼軌節(jié)點幅值逐漸減小。

5 結(jié)論

本文以鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器為研究對象，通過建立地鐵列車－軌道－鋼橋耦合動力學(xué)模型，對列車以不同速度通過鋼橋時的車－軌－橋耦合動力效應(yīng)進(jìn)行分析，并得出了以下結(jié)論:

(1)車體加速度在設(shè)置鋼軌伸縮器前后變化不大，輪軌垂向力在設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器后，均有增大的趨勢(主要表現(xiàn)在進(jìn)入鋼軌伸縮器區(qū)段和離開兩個階段)，但當(dāng)施加軌道不平順后，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的影響會被掩蓋，可以認(rèn)為鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對于列車實際運(yùn)營狀況下的安全平穩(wěn)性影響較小。

(2)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)對于緩解梁縫位置處的鋼軌變形具有一定的作用，且該作用隨著梁縫長度增大而變得更加顯著。

(3)整體而言，梁縫位置的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器為主要受力結(jié)構(gòu)，依然對橋梁上的鋼軌、扣件、縱向鋼梁以及懸吊的鋼枕在受力方面有一定輔助作用。