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大跨度双线简支钢桁梁梁轨相互作用关系研究
发布日期:2018-01-23    来源:铁道标准设计   浏览次数:29
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关于桥上无缝线路纵向力的分布规律,国内学者做了较为广泛的研究[1-8]。近年来,随着铁路建设的发展,特殊桥梁结构如钢桁梁、斜拉桥、拱桥等在铁路上得到了广泛应用,且朝着大跨度的方向发展。对于大跨度简支钢桁梁,梁轨相互作用的研究较少,且大多只分析了轨道和墩底纵向受力,而对梁体受力变化的研究较少。
本文在前人研究的基础上,建立了考虑轨道空间位置的梁轨一体化简支钢桁梁模型,以深茂线上某134m双线简支钢桁梁为工程背景,研究该简支钢桁梁上无缝线路纵向力的分布规律,以及其对梁体受力的影响。
1 梁轨计算模型和参数
本工程位于深茂铁路线上,钢桁梁计算跨度为134m,梁全长136.6m,节间长度13.4m,桁高16m,两主桁中心距13.2m,下弦杆各节点处设置大横梁,节间均匀设置4道小横梁,采用带纵肋的桥面板,桥上铺设双线有砟轨道,线间距为4.4m,轨道采用60kg/m的钢轨。
梁轨相互作用模型的关键,在于轨道与桥梁接触方式的模拟。本文假设轨道横向和竖向与桥梁不发生相对位移,采用梁单元模拟主桁、横梁、平联、横联、钢轨,采用板单元模拟桥面板,采用非线性弹簧模拟线路纵向阻力。桥梁范围外两端各建100m路基段来减少边界条件的影响,建立的有限元模型如图1所示。


图1 梁轨相互作用有限元模型(单位:m)

对于有砟轨道,线路纵向阻力取道床阻力,线路纵向阻力模型采用《铁路无缝线路设计规范》中有砟轨道理想弹塑性模型,即认为当梁轨纵向相对位移超过2mm后,线路纵向阻力保持不变,线路纵向阻力:
r=
式中:r为线路纵向阻力(kN/m/线),u为梁轨纵向相对位移(mm)。
计算钢轨伸缩力时,考虑钢桁梁升温30℃;计算钢轨挠曲力时,采用中—活载中80kN/m均布荷载分单双线整线加载;计算钢轨制动力时,制动力率取0.164,加载位置同挠曲力,分左侧入桥和右侧入桥两种情况进行计算。
2 钢桁梁上无缝线路纵向力特点
2.1 钢轨伸缩力
钢桁梁整体升温30℃时,钢轨伸缩力分布特征如图2所示,梁轨纵向位移如图3所示。

图2 钢轨伸缩应力
由计算可知,钢轨最大伸缩拉应力为64.0MPa,出现在第4个节间;钢轨最大伸缩压应力为122.9MPa,出现在钢桁梁右侧活动支座端。该大跨度简支钢桁梁钢轨伸缩力分布规律与一般简支箱梁上钢轨伸缩力分布规律一致,但由于其跨度较大,桥跨范围内一定长度的钢轨伸缩应力保持不变,即出现拉力平台。

图3 梁轨纵向位移
由图3可知,钢桁梁的纵向位移在活动支座端达到最大值,其值为44.4mm,而钢轨最大纵向位移为25.6mm,发生在靠近活动支座的第三个节间内。在钢桁梁范围内,有一段长度钢轨位移和梁位移相等,对应钢轨伸缩应力的拉力平台。
2.2 钢轨挠曲力
挠曲力分为单线加载和双线加载,加载范围取整个模型钢轨范围,共336.6m。列车竖向荷载取中—活载中的均布荷载80kN/m。钢轨挠曲力分布特征如图4所示。

图4 钢轨挠曲应力
单线加载时,有载侧钢轨挠曲拉应力最大值为19.2MPa,发生在跨中,压应力最大值出现在活动支座端,其值为80.0MPa;无载侧钢轨同样有挠曲应力,但变化趋势与有载侧不一致。双线加载时,活动支座端钢轨最大挠曲压应力达到110.4MPa,其分布规律与单线加载时有载侧钢轨一致。
2.3 钢轨制动力
制动力分单线制动和双线制动,只考虑相同方向制动,分左侧入桥和右侧入桥两种情况,制动力加载范围同挠曲力,列车制动力大小取13.12kN/m,钢轨制动力分布特征如图5所示。

图5钢轨制动应力
不论单线制动还是双线制动,钢轨制动力最大值均发生在钢桁梁活动支座处。单线制动时,有载侧钢轨最大制动压应力为12.8MPa,无载侧钢轨最大制动压应力为4.7MPa;反向加载时,钢轨制动应力大小保持不变,符号相反;双线制动时,钢轨最大制动压应力为18.8MPa。
2.4 钢轨强度
根据我国《铁路无缝线路设计规范》[9],对钢轨强度进行检算,其检算公式为:

式中:—轨底边缘动弯应力(MPa);
—钢轨最大温度应力(MPa);
—钢轨最大附加应力,取桥上无缝线路伸缩附加应力和挠曲附加应力的较大值(MPa);
—钢轨制动(牵引)应力(MPa);
—钢轨容许应力(MPa);
—钢轨钢屈服强度,对于U75V钢轨,其屈服强度为472MPa;
—安全系数,取1.3。
由《铁路无缝线路设计规范》及既有文献[10]可知可取为114.1MPa;,考虑钢轨升降温40℃,可得=97.2MPa;取钢轨最大伸缩应力,为122.9MPa;取钢轨最大制动应力,=18.8MPa;=353.0MPa,钢轨容许应力=363.1MPa,因此不设钢轨伸缩调节器,能满足钢轨强度要求。
3 轨道作用对梁受力的影响
3.1 横梁面外弯矩
在温度荷载、列车竖向荷载、列车制动力作用下,钢轨中会产生纵向力,即上述钢轨伸缩力、挠曲力、制动力。钢轨纵向力又会反作用于梁体,因此考虑轨道作用与否对钢桁梁的横梁面外弯矩会产生一定影响。

图6温度荷载下横梁面外弯矩
钢桁梁升温30℃时,各横梁面外弯矩最大绝对值均发生在横梁与下弦杆连接处,各横梁该位置面外弯矩如图6所示。从图中可以看出轨道作用对横梁面外弯矩影响较大,考虑轨道作用时,横梁最大面外弯矩绝对值为6.2 kN.m,不考虑轨道作用时其值为3.6 kN.m,均发生在靠近梁端节间内的第一片横梁。
 
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