高速铁路系杆拱连续梁桥上钢轨伸缩量研究.pdf

文章编号202.03-0027-06NO.3(Ser.294)JOURNAL OFRAILWAY ENGINEERING SOCIETY第3 期（总2 9 4）Mar2023报程学道铁2023年3 月高速铁路系杆拱连续梁桥上钢轨伸缩量研究黄杰谢浩然2刘从新间斌（1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，兰州7 3 0 0 3 0；2.中国铁路设计集团有限公司，天津3 0 0 3 0 8；3.中南大学，长沙410 0 7 5）摘要：研究目的：为研究温度和活载作用对四线铁路系杆拱连续梁桥上钢轨伸缩量的影响，采用非线性杆单元模拟有硫轨道线路纵向阻力（该模拟方法已经过UIC774-3算例验证），建立考虑钢管混凝土拱、吊杆、梁体、支座、桥墩、桩基础、四线轨道结构、钢轨伸缩调节器的一体化空间分析模型，在此基础上分析多种钢轨伸缩调节器设置方案下钢轨应力和变形、墩顶水平力的分布规律，探讨拱、吊杆和主梁温度发生变化，以及多种制挠力组合工况对钢轨伸缩量和下部结构受力的影响。研究结论：（1)将钢轨伸缩调节器设置在边跨跨中可保证钢轨伸缩量相对较小的情况下大幅度减少钢轨应力；（2）主梁温度变化对钢轨伸缩量影响显著，考虑拱温度变化后，钢轨应力可增大40 MPa；（3）制挠力对钢轨伸缩量的影响较小，多线加载时，有载和无载线路制挠力峰值均出现在路基相邻段；（4）多线对向加载时，在桥墩顶产生的扭矩可达8 0 3 3 kNm；（5）本研究成果可为大跨度拱桥上轨道结构的设计提供借鉴和参考。关键词：大跨度桥梁；系杆拱连续梁；无缝线路；钢轨伸缩量中图分类号：U213.9文献标识码：AResearch on the Track Expansion Value on Tied-arch Continuous Bridge forHigh-speed RailwayHUANG Jie,XIE Haoran,LIU Congxin,YAN Bin?(1.CSCEC AECOM Consultants Co.Ltd,Lanzhou,Gansu 730030,China;2.China Railway Design Corporation,Tianjin 300308,China;3.Central South University,Changsha,Hunan 410075,China)Abstract:Research purposes:In order to study the effect of temperature and live load on track expansion value on tiedarch continuous bridge for four-line railway,the line resistance in ballast track was simulated with nonlinear barelements(the method was already confirmed by UIC774-3 case),the integrated 3D model was established consideringthe concrete-filled steel tube arch,suspender,beam,bearing,pier,pile foundation,four-line track structure andtrack expansion device.Based on this,the distribution for track stress and deformation and pier-top horizontal forcewas analyzed in a variety of arrangements for track expansion devices.And it was explored that the arch,suspender andgirder temperature variation,as well as combined cases of various braking bending forces made the impact on trackexpansion value and substructure.Research conclusions:(1)Track expansion device is set at side span mid-span to be able to greatly reduce trackstress in the case of relatively small track expansion value.(2)The temperature variation of girder has a significant米收稿日期：2 0 2 2-0 1-10基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（52 2 7 8 47 0）；湖南省自然科学基金资助项目（2 0 2 2 JJ30741）*作者简介：黄杰，19 9 5年出生，男，工程师。2023年3 月程报学道铁28effect on the track expansion value,and the track stress can increase by 40 MPa after considering arch temperaturevariation.(3)The effect of braking bending force on the track expansion value is less,and the braking bending forcepeaks of load and no-load line appear in adjacent embankment segments when considering the multi-line load.(4)At the time of multi-line face-to-face load,the torque generated at the top of the pier can reach 8 033 kN m.(5)The research results can provide a reference for the design of track structures on long-span arch bridges.Key words:long-span bridge;tied arch continuous bridge;continuous welded rail;track expansion value大跨度高速铁路桥梁温度跨度大，梁体温度变形显著，为减小桥梁一无缝线路之间的相互作用，往往需设置钢轨伸缩调节器（以下简称TED）。T ED 结构破坏了无缝线路的连续性，显著改变了桥上轨道和桥梁下部结构的受力情况，同时也降低了线路平顺性，成为无缝线路中的薄弱环节。TED处钢轨伸缩量则成为控制TED选型、影响其耐久性的关键指标。我国学者已研究了独塔斜拉桥和上承式拱桥上无缝线路断缝值的变化情况1,2 ,对长联大跨度连续梁和连续刚构桥无缝线路上TED的选型和设置方案进行了一定的探讨 3,41。而对于铺设四线轨道的大跨度钢管混凝土系杆拱一预应力混凝土连续梁组合结构桥梁而言，由于结构体系特殊、活载工况繁多，桥梁四线无缝线路相互作用规律复杂，设置TED后其钢轨伸缩量的变化规律及影响因素尚不明确。本文基于大跨度桥梁与轨道相互作用原理，采用经验证的桥上伸缩区无缝线路分析方法，以某（7 7+3156.8+77）m 四线大跨系杆拱连续梁桥为例，建立了考虑钢管混凝土拱、横撑、吊杆、梁体、桥墩、桩基的系杆拱连续梁桥与设有TED的四线轨道一体化空间有限元分析模型，分析温度作用下钢轨应力和变形规律。在此基础上分析TED布置方案、各构件温度变化，以及多种列车制动工况对系杆拱连续梁桥上钢轨伸缩量的影响。1桥上伸缩区无缝线路计算模型建立桥上无缝线路计算模型时，用带刚臂的空间梁单元模拟梁体，采用非线性杆单元模拟线路纵向阻力，采用断开钢轨并在钢轨中施加温度荷载的方法来考虑TED的影响。使用该模型分析UIC774-3规范附录C5：3 6 0 m连续梁桥，制动墩纵向刚度9 0 0 kN/mm，不考虑滑动支座摩阻力，混凝土弹性模量2 110 kN/m，桥梁截面惯性矩2.59 m，截面积0.7 4m，梁高6.0 m，梁体中性轴至桥面距离为1.2 1m。桥梁一端设固定支座，另一端设置TED。线路纵向阻力r（k N/m）与梁轨相对位移u（m m）的关系为10uu2mm无载20u2mm无载(1)20uu2mm有载40u2mm有载在计算伸缩力时，按轨道升温50、梁体升温3 0 考虑；制动力按2 0 kN/m满跨加载，计算结果如表1所示。表1本文计算结果与UIC算例对比伸缩力制动力项目UIC本文误差UIC本文误差固定支座处60.151.050.80.4%轨道应力/MPa一滑动支座处000000轨道应力/MPa固定墩墩顶955.0947.60.7%2800.02793.20.2%水平力/kN本文计算所得钢轨应力和墩台水平力误差小于1%，证明该模型可正确考虑TED对桥上无缝线路纵向力的影响 52四线大跨系杆拱连续梁桥计算模型某（7 7+3 156.8+7 7)m四线钢管混凝土系杆拱连续梁桥，主梁采用单箱四室箱形截面，跨中梁高4.2m，高跨比1/3 7.3 3；中支点梁高8.6 m，高跨比1/18.23。横桥向采用三片不等高拱加劲，拱肋为圆端形钢管混凝土结构，拱肋中心距12.2 m，拱脚与主梁间圆弧过渡，拱管内灌注C50补偿收缩（微膨胀）混凝土。边主跨边拱矢高2 6 m，矢跨比1/6,中拱矢高3 1m，矢跨比1/5.0 3；中主跨边拱矢高3 4m，矢跨比1/4.59，中拱矢高3 9 m，矢跨比1/4。拱肋间密布钢管横撑，对应每根吊杆布置。桥面宽2 9.4m，桥上铺设4线有诈轨道（1 4号线）,其中12 号线为客货共线铁路（中活载），34号线为客运专线（ZK活载），其截面形式如图1所示。在主梁单元相应位置建立刚臂以准确模拟拱脚、吊杆、支座和轨道的空间位置（刚臂刚度取为主梁的40倍）。为获得墩顶水平力和（偏载情况下的）扭矩，杰刘从新等：高速铁路系杆拱连续梁桥上钢轨伸缩量研究谢浩然黄第3 期29150/200S1201220中拱拱脚横向刚臂梁体中性轴402.360/21图1跨中截面示意图（单位：cm）桥墩按实际情况使用梁单元建模，采用等效刚度矩阵模拟桩土共同作用。采用线性弹簧模拟扣件竖向刚度，有硫轨道线路纵向阻力采用理想弹塑性模型6 23.2uu.2 mm机车下46.4u 2 mm机车下r=(2)15uu 2 mm车辆下或无载30u2mm车辆下或无载在桥梁两端各建立2 0 0 m路基上的轨道，所建立的系杆拱连续梁桥与轨道相互作用计算模型如图2所示。坐标0中拱非线性杆单元扣件竖向刚度钢轨边拱吊杆路基刚臂#1#23梁体中性轴吊杆刚臂等效刚度矩阵77156.8156.8/2边主跨中主跨图2系杆拱连续梁桥与轨道相互作用计算模型（单位：m）3桥上无缝线路TED布置方案比选本桥温度跨度达到390.6 m，按梁体升降温1 5计，该桥梁端钢轨伸缩（附加）应力达95.4MPa和129.4MPa，钢轨将失稳或被拉断，因此需设置TED，其布置方案如表2 所示。以钢轨降温40，梁体降温1 5计，分析各方案下钢轨应力、钢轨纵向位移和墩顶水平力，如图3所示。在温度作用下，各TED设置方案均可大幅度降低钢轨应力，满足钢轨强度和稳定性要求，钢轨伸缩量和制动墩水平力为主要控制性指标。过大的伸缩量将导致TED选型困难，同时引起轨道不平顺表2TED布置方案比较编号TED布置方案示意图不设TED1号线2号线3号线4号线1号线2号线方案一3号线4号线1号线方案二2号线3号线4号线1号线方案三2号线3号线4号线在本桥梁端设置双TED时（方案一），钢轨伸缩量达7 8 mm；在边主跨拱脚处设置TED时（方案二），钢轨伸缩量最小，仅为33mm，但制动墩水平力相对较大，达1 444kN；在边跨跨中设置TED时（方案三），钢轨伸缩量为6 2 mm，制动墩水平力为8 44kN。250注：不设TED;方案二；/200方案二方案三150100500-2000200400600800坐标/m（a）钢轨应力80注：一-不设TED；/方案一；60方案二；40方案三200-20-40V-2000200400600800坐标/m（b）钢轨纵向位移2.5002.0942.0001.500144410008445001190不设TED方案一方案二方案三方案编号（c）墩顶最大水平力2023年3月报程学道铁30注：一边拱：不设TED；一O一中拱：不设TED;边拱：方案一；-.中拱：方案一;7 000 r一边拱：方案二；一一中拱：方案二;一边拱：方案三：一一中拱：方案三6 000500040003000#1#2#3#4#5#6拱脚编号（d）拱脚最大轴力图3钢轨伸缩调节器布置方案比选TED的布置方式对拱脚受力的影响相对较小。考虑本类桥梁竖向刚度大、梁端转角较小（无需设置平衡梁），因此建议在边跨跨中设置TED。4桥上钢轨伸缩量影响因素4.1各构件温度荷载关于温度荷载的取值，UIC规范中认为梁体和轨道间温差不超过2 0，规范6 建议有诈轨道混凝土梁应按升降温1 5计，此处将梁体温度变化幅度取为155;既有研究表明桥梁表面日温差最大可达40 7 ,由于钢材导热率极高，此处偏安全地将拱肋和钢吊杆温度变化幅度取为40；钢轨温降仍取为40。四条线路均在两边跨跨中设置TED，分析主梁、吊杆、拱肋单独降温对系杆拱连续梁桥上钢轨温度力的影响，如图4所示，140r注：梁体降温1 5；-拱降温40；吊杆降温40；梁体降温1 5、拱和吊杆降温40 1201008060402002000200400600800坐标/m(a)钢轨应力140注：一一梁体降温；120一一拱降温；一一吊杆降温100806040842000-10-20-30-40降温幅度/(b)钢轨伸缩量图4各构件降温对钢轨伸缩量和温度应力的影响由图4(a）可知，设置TED后钢轨温度应力得以释放，桥梁主跨范围内钢轨应力水平相对较低且分布均衡。吊杆降温作用相当于竖向挠曲力，将增大跨中钢轨应力，但由于系杆拱连续梁桥刚度较大，其对钢轨应力的影响较小；拱降温对钢轨应力有较大影响，桥梁范围内钢轨应力增幅达40 MPa，在设计中须予以考虑。吊杆和拱肋温度变化对伸缩量的影响并不明显。由于梁体温度变化对梁轨纵向相对位移影响较大，梁体温度对钢轨伸缩量影响显著。钢轨伸缩量G(mm）与梁体温降t（）基本呈线性关系，其拟合公式为G=-2.9t+22.6(3)4.2列车制挠作用本文将列车在桥上制动产生的挠曲力和制动力统称为“制挠力”。对多线铁路桥梁而言，应考虑双线同时加载的情况，由于列车运行速度极高，本文假设同时在桥上通过并制动的列车数不超过2 列。分别设置表3所示六种工况，分析各工况下钢轨应力、钢轨伸缩量和制动墩受力情况。表3制挠加载工况设置编号加载线路1号线2号线工况一3号线4号线1号线2号线工况二3号线4号线1号线2号线工况三3号线4号线1号线2号线工况四3号线4号线1号线2号线工况五3号线4号线1号线2号线工况六3号线4号线杰刘从新等：高速铁路系杆拱连续梁桥上钢轨伸缩量研究谢浩然黄第3 期31计算时，1 2 号线竖向活载选用中活载,34号线选用ZK活载，制动力率偏安全地取为0.2 5，加载长度2 0 0 ml8,加载步长5m,列车逐步通过全桥并在桥上制动时产生的钢轨纵向力、钢轨伸缩量、墩顶水平力和扭矩，其包络如图5所示。1520/1010500-5-10-10注：1 号线；-2,3,4号线注：一-1,4号线；-2 号线；3号线-15-20-2000200400600800-2000200400600800坐标/m坐标/m(a)工况一(e)工况五15201010500-5-10-10注2 号线;*-1,3,4号线注：一-1号线；-2,3号线；4号线-20-15-2000200400600800-2000200400600800坐标/m坐标/m(b)工况二(f)工况六注：一一左端；154.5右端/104.0503.5-5-103.0-15注：1 号线；-2 号线；3.4号线2.5-2000200400600800工况一工况二工况三工况四工况五工况六坐/m标工况序号(c)工况三（g）钢轨最大伸缩量注：一墩顶景大水平力；20注：1 号线；-2,4号线；3号线墩顶最大扭矩(uN)/联800080001060006000040004000-102 0002000-200-2000200400600800工况一工况二工况三工况四工况五、工况六坐标/m方案编号(d)工况四（h）墩顶最大水平力和扭矩图5加载工况的影响各工况中，梁轨相对位移均小于3.5mm，证明制挠力并非本桥控制性荷载。有载线路承受制挠力时，梁体发生纵向变形，影响到无载线路，在无载线路中也产生了钢轨应力，各线钢轨应力峰值均出现在梁端，主跨、边主跨范围内钢轨应力分布较均匀。工况一有载线路钢轨应力最大值为1 4.0 MPa，无载线路为1 1.6 MPa。由于存在偏载效应，制动墩除承受431 6.9kN水平力外，还承受了56 95.8 kNm扭矩。工况二中，有载线路和无载线路应力峰值极为接2023年3月程报学道铁32近，为1 4.1 MPa和1 4.3MPa，由于力臂较工况一略小，制动墩承受扭矩减小至2 544.2 kNm。双线同向加载时（工况四），有载和无载线路钢轨应力增大至2 2.2 MPa和1 9.7 MPa，制动墩水平力最大,达7 8 7 9.3kN。双线对向加载时（工况三、工况五、工况六），有载和无载线路钢轨应力峰值基本相当，为1 4.2 MPa和2 2.5MPa。其中,工况三墩顶扭矩达到最大值，为8033.0kNm，在下部结构检算中应予以考虑。5结论本文通过建立考虑钢管混凝土拱、吊杆、梁体、支座、桥墩、桩基础、四线轨道结构、钢轨伸缩调节器的一体化空间分析模型，研究了多种钢轨伸缩调节器设置方案下钢轨应力和变形、墩顶水平力的分布规律，探讨拱、吊杆和主梁温度发生变化，以及多种制挠力组合工况对钢轨伸缩量和下部结构受力的影响，主要得出如下结论：(1)此类大跨度桥梁上钢轨温度应力为主要控制荷载，在两边跨跨中处设置TED后，可同时减小钢轨应力和钢轨伸缩量，改善TED工作性能，提高线路平顺性。（2)梁体温降幅度对钢轨伸缩量影响显著，二者呈反比例关系，拱肋温度变化对钢轨应力和伸缩量均有一定影响，应予以考虑（3）制挠力对钢轨伸缩量影响较小，为2 4mm。多线加载时，有载线路和无载线路制挠力峰值基本相同,均出现在梁端与路基相接处，桥梁范围内钢轨应力分布较为均衡，无载线路钢轨应力为有载线路的2 0%。（4）由于四线大跨度铁路桥梁出现的偏载现象，制挠力不仅在墩顶产生纵向水平力，还产生较大扭矩。双线对向加载时，其扭矩最大值超过8 0 33.0 kNm，在下部结构设计中须予以考虑。参考文献：1郑鹏飞，闫斌，戴公连高速铁路斜拉桥上无缝线路断缝值研究J.华中科技大学学报，2 0 1 2（9）：8 5-8 8.Zheng Pengfei,Yan Bin,Dai Gonglian.Rail BrokenGap Study on Continuous Welded Rail on Cable-stayed Bridge of High-speed Railway J.Journal ofHuazhong University of Science and 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