高铁长大桥上不同无砟轨道无缝线路受力研究

研究目的:为对比桥上铺设不同无砟轨道时对应无缝线路受力规律,本文基于有限元方法及梁轨相互作用原理,分别建立大跨度桥上纵连板式、单元板式及双块式无砟轨道有限元模型,分析实测温度工况及制挠力耦合作用下,不同无砟轨道对应的无缝线路受力规律及桥梁理论最大温度跨度,并比较制动墩墩顶刚度、扣件阻力等参数对无缝线路受力及最大温度跨度的影响。研究结论:(1)相同桥梁温度跨度下,双块式无砟轨道钢轨附加应力最大,纵连板式无砟轨道钢轨附加应力最小,且纵连板式无砟轨道钢轨附加应力远小于铺设单元板式或双块式无砟轨道时对应钢轨附加应力;(2)采用常阻力扣件时,当制动墩墩顶刚度由1 500 k N/cm增大到8 000 k N/cm时,单元板式无砟轨道最大温度跨度由93.3 m增大到105 m,双块式无砟轨道最大温度跨度由60 m增大到75.8 m,而纵连板式无砟轨道钢轨附加应力受墩顶刚度的影响很小;(3)纵连板式无砟轨道对应桥梁最大温度跨度需同时考虑钢轨附加应力及墩顶纵向位移限值;(4)扣件阻力大小对单元板式及双块式无砟轨道钢轨附加应力影响较大,采用小阻力扣件后,两者对应最大温度跨度分别增大约1.5、2.0倍,小阻力扣件可以有效的减小单元板式及双块式无砟轨道钢轨附加应力;(5)本研究成果可为不同无砟轨道应用及对应桥梁跨度设计提供参考。     

城市轨道交通简支梁桥墩顶纵向刚度限值研究

为研究城市轨道交通简支梁桥墩顶纵向刚度限值,建立20孔跨度均为30 m简支梁桥无缝线路计算模型,以钢轨强度、梁轨(板)相对位移和钢轨断缝值为控制指标,分析了墩顶纵向刚度对桥上无缝线路受力特性的影响。研究表明:随着墩顶纵向刚度增大,钢轨伸缩附加力增大,钢轨制动附加力和梁轨(板)相对位移降低;对于简支梁桥,控制墩顶纵向刚度的决定性指标是梁轨(板)相对位移;考虑一定的安全余量,建议30 m简支梁桥墩顶纵向刚度限值为双线240 kN/cm。为降低工程造价,可基于梁轨相互作用原理确定桥墩纵向刚度限值。     

桥梁温度跨度对双块式无砟轨道无缝线路的影响研究

为研究桥梁温度跨度对桥上双块式无砟轨道无缝线路的影响,运用线板桥墩一体化模型,计算不同温度跨度下,分别采用常阻力和小阻力扣件时的钢轨纵向力、道床板纵向力、抗剪凸台纵向力、梁轨相对位移以及钢轨断缝,分析桥梁温度跨度对轨道结构强度与变形的影响。结果表明:(1)随着桥梁温度跨度的增加,钢轨伸缩、挠曲、制动附加力和梁轨相对位移均增大;道床板、抗剪凸台纵向力和钢轨断缝保持不变。(2)扣件阻力减小时,轨道结构纵向力均减小;但梁轨相对位移和钢轨断缝增大。(3)为保证钢轨强度要求,当桥上铺设常阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取135m;当桥上铺设小阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取250m。     

桥隧过渡段轨温与钢轨纵向位移的映射关系

研究目的:桥隧过渡段处钢轨在梯度温度力作用下将发生纵向爬行,影响无缝线路稳定性。本文以轨温过渡区钢轨为研究对象,建立钢轨位移微分方程,推导轨温分布与钢轨纵向位移的映射关系,从而揭示影响无砟轨道钢轨爬行的规律。研究结论:(1)考虑扣件阻力非线性的钢轨纵向位移量和变形范围均远大于线性阻力模型;对钢轨最大位移量而言,轨温非线性分布相较于线性分布高出5.3%～38.6%,建议同时考虑轨温和纵向阻力非线性以准确获得过渡段钢轨爬行位移;(2)轨温差一定时,随着最大温度力梯度倍数k从1.5变化至3.5,轨温过渡区长度为10 m时,钢轨最大纵向位移增加了7%,而过渡区长度为40 m和50 m时分别增加了26.7%和32.8%,因此对于轨温差大、轨温过渡区长的过渡段,更应关注轨温非线性分布;(3)扣件极限阻力增大将使钢轨爬行量显著降低,但影响程度有限,极限阻力从6.5 kN/(m·轨)增加至12 kN/(m·轨),钢轨位移量下降40.8%～49.2%,而从24 kN/(m·轨)增加至30 kN/(m·轨),仅下降12.8%～24.4%;(4)推导的解析表达式能够准确描述各参数与钢轨纵向位移的映射关系,对于进一步研究过渡段钢轨受力特性以及改善无缝线路稳定性具有参考价值。     

连续刚构桥桥墩刚度对桥上无缝线路的影响

基于梁轨相互作用原理,通过改变连续刚构桥墩的刚度值,计算不同桥墩刚度对钢轨伸缩附加力、梁轨快速相对位移和墩顶位移的影响。分析可得:有砟轨道结构中,刚构墩刚度取值的大小对梁轨快速相对位移影响最明显,在温度跨度较大的连续刚构桥中,应考虑到桥墩刚度对梁轨快速相对位移的影响。对于(64+4×116+64)m和(72+3×116+72)m刚构桥,桥墩刚度不宜小于750 kN/cm/线。对桥梁结构进行优化设计时,梁跨应尽可能对称布置,以降低桥墩刚度对钢轨纵向附加力的影响。     

桥墩温差荷载引起的桥上无缝线路钢轨附加力

采用单位荷载法计算桥墩温差荷载引起的墩顶纵向位移。根据梁轨相互作用原理,建立“轨—梁—墩”有限元模型,计算桥墩温差引起的桥上无缝线路钢轨附加力,研究桥墩温差引起的钢轨附加力的分布规律及其影响因素。研究表明:多跨简支梁桥墩温差引起的钢轨附加力的最大压力出现在右桥台处,最大拉力出现在靠近左桥台的边墩处,离桥台越远,钢轨附加力越小;随着墩高的增加,桥墩温差引起的钢轨附加力增大,建议在设计高墩桥上无缝线路时,应考虑桥墩温差引起的钢轨附加力,并与其他钢轨附加力叠加检算钢轨强度和无缝线路稳定性;桥墩温差引起的钢轨附加力,随着桥墩纵向水平线刚度的增加先快速增大,到一定程度后变缓;桥梁跨度对桥墩温差引起的钢轨附加力影响很小;钢轨附加力随着简支梁跨数的增加而增大,但逐渐变缓,当简支梁跨数超过18跨以后,钢轨附加力不再增长。     

专用铁路简支梁桥上铺设50 m长钢轨预留轨缝研究

为确定常用跨度简支梁桥上50 m长钢轨合理的预留轨缝,基于梁轨相互作用原理,建立了钢轨-接头-轨枕-桥梁-墩台一体化计算模型,并从5×32 m简支梁桥上梁轨相互作用引起的钢轨及桥墩纵向受力两方面验证了模型的正确性。以某专用线上的10×32 m简支梁桥为例,分析了轨温变化幅度、基本轨接头阻力、护轨阻力等对桥上50 m长钢轨接头轨缝改变量的影响。研究结果表明:梁轨相互作用对桥上50 m长钢轨接头轨缝会产生显著影响,并且影响程度与接头所处位置相关;轨缝改变量随着基本轨接头阻力和护轨扣件阻力的增加而降低,受护轨接头阻力和墩台纵向水平刚度的影响较小;跨度为24 m、32 m简支梁桥上铺设50 m长钢轨的接头螺栓扭矩应按照900N·m设计,且运营中还应该加强螺栓扭矩检查,确保降幅不超过15%。     

铁路32 m简支梁桥墩顶断轨力取值研究

针对现有规范中断轨力取值偏于保守的现状,以铁路常用跨度32 m简支梁桥为研究对象,运用ANSYS有限元软件,建立梁-轨相互作用三维模型,进行墩顶断轨力合理取值研究。结果表明:当考虑墩顶纵向线刚度、参与受力的钢轨股数、轨温差和活动支座摩阻力等因素影响时,计算得到的墩顶断轨力均小于规范值,其中影响最大的是参与受力的钢轨股数,活动支座摩阻力影响最小,可将其作为安全储备;参与受力的钢轨股数越多,墩顶断轨力比规范值小得越多;在钢轨极限轨温差为60℃时,无砟轨道墩顶断轨力仅为规范值的85%;在考虑单线2股钢轨和双线4股钢轨参与受力、参考规范(32+32)m单双线梁墩顶纵向线刚度分别取165～1 500和265～3 000 kN·cm~(-1)时,有砟轨道和无砟轨道桥梁墩顶断轨力均随着墩顶纵向线刚度增加而增大,有砟轨道和无砟轨道(32+32)m单线梁墩顶断轨力宜分别取规范值的28%～70%和15%～49%,(32+32)m双线梁墩顶断轨力宜分别取规范值的19%～65%和8%～40%。     

铁路桥梁墩台刚度对无缝线路的影响

基于梁轨相互作用原理,采用有限元方法建立线-桥-墩一体化计算模型,以多跨简支梁和连续梁为例,分析不同墩台刚度对桥上无缝线路计算的影响。计算结果表明:钢轨伸缩力与伸缩位移、墩台纵向力均随着墩台纵向水平刚度的增大而增大,但增加幅度逐渐减缓;墩台自身的纵向水平位移会改变梁轨系统的纵向受力情况,当桥梁墩台自身位移较大时,应在桥上无缝线路纵向力计算中考虑其作用;钢轨挠曲力随着墩台刚度增大而增大,桥墩纵向水平刚度对钢轨制动力及梁轨相对位移的影响较为明显,应据此设定其对墩台最小水平刚度的限值;墩台刚度越大,钢轨断缝值越小。为满足断缝值不超限,桥梁墩台设计时应合理确定其纵向水平刚度值。     

大号码无缝道岔温度力与变形的有限元计算

分析无缝道岔温度力传递机理,确定无缝道岔各部分在有限元模型中的合理模拟方式,并建立模型。应用模型,选取切合实际的计算参数对秦沈客运专线18号和38号无缝道岔进行温度力和变形计算。结果表明:无缝道岔的附加温度力与变形随轨温变化幅度的增大而增加;在同样的轨温变化幅度条件下,大号码无缝道岔的温度力与变形比小号码无缝道岔大,限位器承受的剪力也较大;半焊无缝道岔钢轨温度力及变形与全焊无缝道岔有较大差别,在数值上较全焊无缝道岔小,但其辙叉位置钢轨和轨枕的位移较为复杂。     

多线预应力混凝土斜拉桥上无缝线路纵向受力与变形

为探讨大跨度斜拉桥上无缝线路纵向受力与变形规律,以一座多线预应力混凝土斜拉桥为例,采用有限元法建立了"塔-索-梁-轨"空间耦合有限元模型,分析了温度荷载、列车荷载以及制动荷载对桥上无缝线路纵向受力与变形的影响。结果表明:当桥塔温度变化时,钢轨伸缩力、钢轨纵向位移和桥梁的纵向位移均无明显变化,钢轨伸缩力最大幅值出现在连续梁两部,并在简支梁梁缝处出现峰值;在列车荷载作用下,各条线路的钢轨挠曲力和钢轨纵向位移随着距加载线路距离的增大而逐渐减小,钢轨挠曲力最大幅值出现在连续梁端部;在制动荷载作用下,钢轨制动力最大幅值出现在连续梁端部,并在加载的起点与终点出现峰值突变,加载的起点或终点与连续梁端部重合时为最不利位置。研究结果可为大跨度斜拉桥上无缝线路设计提供理论参考。     

简支梁桥上无缝道岔温度力与位移影响因素分析

将道岔、梁和墩台视为一个系统,建立简支梁桥上无缝道岔的有限元模型。根据变分原理和“对号入座”法则建立有限元方程组。以铺设一组43号道岔的18跨32 m混凝土简支梁桥为例,研究影响简支梁桥上无缝道岔受力与位移的因素,如支座布置形式、轨温变化幅度、梁温差、扣件阻力、道床阻力、限位器间隙、岔枕刚度、限位器位置、梁跨长度和桥墩刚度等。计算结果表明,简支梁桥上无缝道岔在温度荷载作用下,钢轨温度力在限位器处和限位器前梁端处同时出现两个峰值;与桥上无缝线路相比,桥上无缝道岔桥墩处的最大受力显著增大;当梁与导轨同向伸缩时,岔区内钢轨位移较大;限位器应布置在梁跨中部;限位器间隙对桥上无缝道岔的受力与位移有双重影响;岔区内钢轨的受力与位移随桥墩刚度增大而减小;岔区内采用较大的扣件阻力和道床阻力,岔区外采用较小的扣件阻力和道床阻力,可以降低钢轨附加温度力。     

长联大跨连续梁桥无缝线路布置方案

西安机场线渭河特大桥采用长联大跨连续梁,主桥连续梁联长900 m,最大温度跨度715 m,具有温度跨度大且多跨连续梁相接的特点,需合理设计无缝线路。针对该工况提出5个无缝线路布置方案,采用有限单元法进行无缝线路附加力计算,从钢轨强度、桥墩受力两方面进行方案比选后,现场调研国铁类似工况,确定最终推荐方案。得出结论:(50+8×100+50)m连续梁两侧梁端布置单向钢轨伸缩调节器,满足钢轨强度检算的要求且能有效减小相邻连续梁固定墩受力,无需布置双向钢轨伸缩调节器。     

多跨简支梁桥上Ⅲ型板式无砟轨道制动力传递规律研究

为探究列车制动荷载作用下轨道、桥梁结构纵向受力特性及其影响因素,基于有限元法和梁-板-轨相互作用原理,建立多跨简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,对列车制动荷载作用下结构纵向受力特性、传递规律及其影响因素进行分析。结果表明:以全桥列车制动加载作为计算轨道及桥梁结构制动受力与变形时的最不利工况是偏安全的,并应以有载侧计算数据进行检算;桥上扣件需依据轨道板快速相对位移试算结果进行比选, WJ-8型小阻力扣件可适用于多跨简支梁桥且有较大安全冗余;桥上采用小阻力扣件或墩顶纵向刚度较小时均会使得列车制动荷载作用下的轨道板快速相对位移较大,不利于扣件的长期服役;轨道和桥梁结构制动检算过程中建议将桥跨数简化为10～15跨;需保证土工布隔离层的滑动性能,且应将其摩擦系数应控制在合理范围内。     

桥墩纵向水平线刚度对桥上无缝线路设计的影响

桥墩纵向水平线刚度是桥梁和无缝线路设计的关键技术参数,桥上无缝线路钢轨与墩台纵向力的分配以及梁、轨位移的大小很大程度上取决于桥墩纵向水平线刚度。结合工程实际,以客运专线常见的60 m 100 m 60m连续梁为例,分析桥墩纵向线刚度对钢轨、墩台纵向力及梁、轨位移的影响规律。     

跨兴闫公路特大桥无缝线路综合试验研究

跨兴闫公路特大桥无缝线路综合试验是秦沈客运专线跨区间无缝线路关键技术试验研究的内容之一,内容包括桥墩纵向刚度、梁体温度变化、道床纵向阻力、伸缩力、挠曲力、梁轨纵向相对位移等测试。总结了各项试验内容的试验方法和试验结果,采用实测参数计算了伸缩力和挠曲力的理论值。结果表明:理论值与试验值基本一致;试验经验和测试结果对于验证桥上无缝线路的理论分析模型,提高桥上无缝线路的设计水平具有重要意义。     

重载铁路非等跨简支梁桥上无缝线路纵向力研究

为研究重载铁路非等跨简支梁桥上无缝线路纵向力的分布规律,建立6-32 m+40 m+6-32 m(30 t轴重)重载铁路简支T梁与轨道相互作用有限元模型,与13-32 m简支梁桥相对比,研究温度、竖向活载、列车制动及地震作用下系统的受力和变形特征,探讨非等跨简支梁(40 m简支梁)对系统的影响规律。研究表明,各类荷载作用下,钢轨应力峰值多集中在各简支梁相接处及跨中位置;地震作用下,钢轨和墩底承受着极大的纵向力;非等跨简支梁桥对伸缩力和挠曲力影响较大,将使钢轨伸缩拉应力增大70%、钢轨挠曲应力增大50%、部分桥墩墩顶挠曲力增大50%;非等跨简支梁桥对制动力和地震力影响较小。     

准朔铁路黄河特大桥拱上简支T梁支座布置研究

研究目的:准朔铁路黄河特大桥是朔州至准格尔新建铁路重要工程,大跨度上承式拱桥拱上桥墩纵向位移由桥墩和拱肋变形两部分组成,拱上简支T梁支座布置对拱肋结构的受力影响较大,因此需要通过合理的支座布置方案降低拱上高墩的纵向水平位移,降低纵向水平力对拱肋产生的不利影响。研究结论:(1)相邻桥墩纵向最大相对位移发生在交界墩与拱脚G1和G12号墩之间;(2)拱脚第一孔简支梁梁端需要采取大位移量纵向活动支座和伸缩装置,并设置纵、横向防落梁措施;(3)大跨度拱上桥墩墩顶位移对桥上无缝线路的影响较大,桥上无缝线路应采取小阻力扣件来适应桥墩变形要求。     

大跨度混合梁斜拉桥上无砟轨道纵向力分析

以昌赣客运专线(35+40+60+300+60+40+35)m混合梁斜拉桥为例,建立了大跨度斜拉桥上无砟轨道精细化模型计算分析不同荷载作用下大跨度桥上无砟轨道纵向力。计算结果表明:在温度荷载作用下,钢轨纵向应力相对较大,最大拉应力为130.03 MPa,跨中轨道板纵向应力较小。在竖向荷载作用下,钢轨、轨道板和底座板的拉应力最大值出现在桥塔附近,压应力最大值出现在跨中附近,其中钢轨压应力最大值为15.02 MPa,底座板拉应力最大值为3.05 MPa。在列车制动作用下,钢轨、轨道板和底座板的拉应力最大值出现在跨中附近,压应力最大值出现在桥塔附近,轨道板和底座板纵向应力均较小。