铁路桥梁墩台制动附加力规律研究

TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》规定墩台承受的制动附加力为竖向荷载的10%,不能很好地反映列车制动时墩台受力规律。建立重载铁路简支梁线桥模型,研究典型工况下墩台受力变化规律,并对主要影响因素进行分析。研究结果表明:满跨加载状态下,桥梁墩台整体承受约90%的轨面制动力,单墩最大制动附加力与对应单跨轨面制动力基本相等;单线加载单线受力对墩台受力更为不利,双线受力使约10%的轨面制动力沿另一线钢轨传入两侧路基;相邻墩顶线刚度差比值不超过10%时,桥墩承受的制动附加力基本不受影响;线路纵向阻力在一定范围内对墩台受力特征基本无影响。     

40t轴重重载铁路无缝线路纵向附加力研究

研究目的:利用国外某重载铁路荷载及参数,建立线-桥-墩纵向耦合无缝线路模型,计算分析40 t轴重重载铁路桥上无缝线路纵向附加力,掌握各设计参数对钢轨纵向附加力的影响,区别于常规铁路或客运专线无缝线路,以利于开展重载铁路的设计。研究结论:为确保40 t轴重重载铁路安全,应采用大断面高强度钢轨。在梁轨快速相对位移不大于4 mm的控制条件下,40 t轴重重载铁路桥梁合理跨度不宜超过40 m,其桥墩纵向线刚度最小限值大于《高速铁路设计规范》取值,桥墩刚度宜根据计算控制合理的纵向线刚度,钢轨和桥墩共同分配承担制动力。     

重载机车轮轨黏着利用技术研究综述

重载运输是除高速铁路以外,铁路现代化的又一标志,重载机车牵引与制动性能的发挥效果依赖于轮轨黏着利用状况。本文首先从黏着-蠕滑现象和黏着特性两方面,简要介绍黏着基本理论;然后着重围绕制约黏着利用性能提升的关键问题,从黏着系统建模、系数辨识、故障检测、黏着控制四个方面,系统综述重载机车轮轨黏着利用近年来的研究成果,并依据机车运行工况的特点,分别评述现有成果在实际应用中的优势与不足之处。最后从复杂多变条件下黏着系统建模、黏着微小故障在线检测和多牵引动力协同分配等角度,指出轮轨黏着利用研究的未来发展趋势。     

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。     

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。     

城市轨道交通简支梁桥桥墩纵向水平刚度限值研究

在考虑不同轨温幅度变化,且不考虑梁端铺设钢轨伸缩调节器的情况下,采用强度指标及变形指标对地铁简支梁桥桥墩纵向水平刚度限值进行研究。结果表明:线路纵向阻力参数、列车制动荷载和轮轨黏着系数对桥墩纵向水平刚度限值的影响较大。在1.8倍列车荷载下,采用0.164摩擦因数时,建议30 m简支梁单双线制动工况下桥墩纵向水平刚度限值分别取100,180 kN/cm;35 m简支梁桥墩纵向水平刚度限值分别取150,220 kN/cm。采用0.250摩擦因数时,建议30 m简支梁单双线制动工况下桥墩纵向水平刚度限值分别取250,500 kN/cm;35 m简支梁桥墩纵向水平刚度限值分别取300,500 kN/cm。由于该计算结果为理论分析结果,采用的阻力参数、荷载参数等与实际是否相符合还需要进一步验证。     

活塞式拉压限制器在高墩简支梁桥上的应用

研究目的:铁路简支梁桥上部结构纵向力通过梁体传递和分配到各墩,墩高较大时,墩顶变形较大,在遇到较大地震力作用时,墩顶变形过大会引起落梁甚至桥梁倒塌等严重灾害。因此,针对高墩谷架桥研发了一种既能传递拉力又能传递压力的连梁装置——活塞式拉压限制器,以期减小高墩的水平受力,从而控制墩顶的变形。研究结论:(1)活塞式拉压限制器将梁体在纵向上连接起来,并将纵向力传递至端部刚性桥台或中间刚性墩固定点,起到调节桥梁刚度,控制墩梁相对变形的作用;(2)活塞式拉压限制器的应用对桥墩及桥台均有一定的减震作用,且对高墩的减震效果更明显;(3)活塞式拉压限制器有良好的地震调节作用,对高墩简支梁桥桥墩的内力调节作用与其屈服刚度、游间量、墩高等因素密切相关;(4)活塞式拉压限制器的应用可使得桥梁设计不增加桥墩尺寸,并使各墩尺寸一致;(5)活塞式拉压限制器的研发及应用将会加速耗能型连梁装置及防落梁系统的实用化进程。     

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。     

40 t轴重列车作用下铁路简支梁桥的梁轨纵向相互作用

结合几内亚Simandou重载铁路项目,建立有砟轨道单线简支梁线桥模型,分析40 t轴重列车作用下线路纵向位移阻力曲线变化对重载铁路无缝线路纵向力的影响。研究结果表明:当墩顶线刚度较小时,钢轨制动附加应力随纵向阻力的增大而增大,随屈服位移的增大而减小;梁轨快速位移差随纵向阻力的增大而减小,随屈服位移的增大而增大;纵向阻力变化对桥上无缝线路纵向力的影响大于屈服位移变化对纵向力的影响。     

桥墩温度梯度对高墩大跨桥上无砟轨道影响研究

由于太阳光的辐射,桥墩的向阳和背阳侧就会存在温差,当桥墩高度较大时,墩顶就会产生较大的纵横向位移,带动梁体、轨道板、钢轨偏移,产生桥上无缝线路附加力。为了研究桥墩纵向温度梯度作用下对无砟轨道中轨道部件的受力和变形的影响,基于梁轨相互作用原理,利用有限元方法,建立线-桥-墩一体化模型,计算结果表明:仅考虑桥墩纵向温度梯度荷载时钢轨会产生较大的附加力,且随着桥墩刚度的增加,钢轨附加力也会增加。当同时考虑梁体升温和纵向温度梯度时产生的钢轨附加力小于两者单独作用产生的附加力。无论是仅考虑桥墩纵向温度梯度,还是同时考虑梁体温升和温度梯度,凸台受力和树脂变形均不会发生较大变化。     

双固定墩对市域铁路桥上无缝线路纵向力的影响研究

针对双固定墩对桥上无缝线路纵向力的影响开展研究，以某市域铁路为实际工程背景，基于梁轨相互作用原理、非线性有限单元法，建立线-桥-墩一体化计算模型，分析温度变化、列车制(启)动以及断轨工况下双固定墩简支梁桥上无缝线路纵向力变化规律，并以规范要求进行轨道力学检算。计算结果表明，相比普通桥上无缝线路而言，双固定墩对钢轨最大伸缩及制动拉力影响不大，但显著提高伸缩压力的峰值；双固定墩所受纵向力近似为0,但与双固定墩相邻桥墩承受的纵向力增幅达到50%左右；当钢轨在双固定墩处折断时，双固定墩对钢轨断缝有抑制作用；从桥上无缝线路受力角度考虑，当墩刚度低于500 kN/(cm·单线)时，双固定墩桥上无缝线路无需单独进行轨道力学检算，桥梁专业按规范取值进行桥墩检算即可满足工程设计需求。研究结果可为双固定墩桥上无缝线路轨道系统和墩台设计提供参考。     

重载铁路四线高墩大跨连续刚构设计研究

兴保铁路安家山河大桥为重载铁路四线桥,为跨越安家山河而设,主桥采用(80+130+80) m连续刚构,桥高达94 m。该桥面临多线、高墩、大跨等复杂问题,需对结构尺寸优化、主墩墩型比选、墩梁结合部位、中跨合龙顶力、施工阶段安全稳定性等方面开展研究。通过分析得出结论,中支点梁高采用9.2 m,跨中梁高采用4.8 m,梁部的刚度及强度均满足规范要求,整体指标较好;主墩采用空心墩与双薄壁墩组合,在保证足够刚度的前提下,有效降低刚度差;墩梁结合部位采用固结方式,节省大吨位支座及后期维修养护。经局部分析,梁体应力状态较合理;中跨合龙顶推力采用4 000 kN,改善了后期桥墩的受力及线形;主墩在梁体最大悬臂施工状态下安全性较好。     

重载铁路大跨刚构桥-轨道系统碰撞效应研究

为研究碰撞效应对重载铁路大跨连续刚构桥与轨道系统地震响应的影响,建立考虑碰撞的重载大跨连续刚构桥与轨道系统一体化仿真模型。以某4-32 m简支梁+(108+180+108)m连续刚构桥+4-32 m简支梁为例,研究碰撞效应对系统受力特性的影响,并探讨地震强度、碰撞单元刚度、梁端间距和小阻力扣件布置方案对碰撞效应和系统受力特性的影响。研究结果表明:钢轨地震应力最大值发生在简支梁与刚构桥交接处,刚构桥桥墩承受较大的墩顶水平力,考虑碰撞时的墩顶水平力最大值较忽略碰撞减少34.2%;增大地震强度,可显著增强碰撞效应,同时也使钢轨应力和墩顶水平力增大;增大碰撞单元刚度使梁体间的碰撞力增大,同时钢轨应力也有小幅度的减小;增大梁端间距使碰撞次数减小,但钢轨应力和墩顶水平力最大值均增大;布置小阻力扣件会减弱桥与轨道的非线性约束,碰撞效应加强,布置小阻力扣件路段的钢轨应力迅速减小,全线布置小阻力扣件较全线有砟轨道钢轨应力最大值减少了42.0%。     

牵引及制动操纵对重载机车轮轨动力作用的影响

基于列车纵向动力学理论和车辆—轨道耦合动力学理论,建立考虑钩缓系统中车钩纵向、横向和垂向作用力的重载列车—轨道耦合动力学模型。以机车牵引万吨列车为考核工况,分析牵引和制动时机车的受力特点,研究牵引力、制动力及车钩力对机车运行性能的影响过程和影响程度,并对理论模型进行试验验证。结果表明:在牵引、电制动及紧急制动工况下,直线线路上机车的轮重分别较惰行工况降低了约13,7和4kN,单纯的牵引或制动力可降低轮轨横向蠕滑力,间接造成轮轨横向力的小幅增大,但轮轴横向力基本不变;车钩力可通过车钩摆角产生横向分量,并传递到轮轨界面,改变轮轴横向力的整体变化趋势;若车钩偏转3°,在电制动工况下,前部机车承受的压钩力较大,引起的轮轴横向力增幅达18kN,在紧急制动工况下,机车上的压钩力幅值小,引起的轮轴横向力在8kN以内。     

重载铁路Ц形浅基高桥墩振动分析及加固技术

研究目的:Ц形浅基高桥墩是我国既有重载铁路中的一种常见类型,具有"头重脚轻"和刚度偏低的典型特点,是铁路基础设施中的薄弱环节。本文以某重载铁路浅基高桥墩为研究对象,针对重载列车通行引起的桥梁结构振动异常现象,采用现场试验和理论分析等技术手段,研究大轴重运输条件下的桥墩振动特性和减振加固技术,并进行实际工程应用研究。研究结论:(1)单线重载列车通过导致双线Ц形桥墩基础受到较大的偏心冲击,进而引起本线和临线桥梁振动增大,尤其是临线桥梁振动明显增大;(2)随速度和轴重增加,两线桥梁振动均呈现增大趋势,地基薄弱、桥墩刚度不足和基础结构缺陷是振动异常根本原因,大轴重列车偏心冲击是直接外因;(3)可采用"增补桩基+增大基础+墩身连接"组合加固方法进行实桥加固,加固后墩顶振幅降低300%,桥墩横向自振频率增加3倍,效果明显;(4)本研究成果可为既有铁路病害整治以及扩能改造提供借鉴。     

基于联动迭代及Heaviside函数的铁路桥墩刚度和位移计算方法

为提高铁路简支梁桥墩刚度及墩顶位移计算的准确度及通用性，克服桥墩及桩基设计中无法实时考虑桩-土耦合作用对刚度的影响，提出一种基于联动迭代及利用Heaviside函数的铁路桥墩刚度及位移计算的广义柔度矩阵法。该算法通过将桩基计算“m”法相关参数代入广义柔度矩阵，实现瞬态反馈桩长及地质变化对桥墩刚度的影响；基于力学等效原则推导集中荷载与分布荷载的等效节点力表达式，并通过将各荷载工况边界条件与Heaviside函数等效置换，得到桥墩单元作用任意形式集中荷载或分布荷载的等效节点力通用完备解；将该算法编入设计程序，实现铁路桥梁桩长、刚度、墩顶位移等参数的精准耦合计算。以变截面圆端形空心桥墩共同作用制动力、纵向风力及土压力为算例，计算结果表明，该算法与3种有限元软件计算的墩顶位移最大误差均在0.600%以内，计算精度高。     

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%。     

偏载工况下多线大跨系杆拱连续梁桥梁轨相互作用

为研究偏载工况对大跨度桥梁与多线轨道相互作用的影响,以某4线(77+3×156.8+77)m钢管混凝土系杆拱-预应力混凝土连续梁组合结构桥梁为例,采用带有刚臂的梁单元模拟主梁,用带组合截面信息的梁单元模拟钢管混凝土拱肋,用非线性杆单元模拟线路纵向阻力,建立可考虑吊杆、支座和轨道空间位置,以及钢轨伸缩调节器影响的大跨度系杆拱连续梁桥与多线轨道相互作用空间分析模型。在此基础上,研究多线活载(挠曲和制动)偏载工况下,钢轨纵向力的分布情况,以及墩顶所受水平力和扭矩。研究结果表明:由于主梁刚度较大,有载与无载线路间相互影响较小;竖向活载作用下,有载和无载线路挠曲力相仿;重载线路侧双线列车逆向制动时,在本桥墩顶产生的扭矩可超过8 000 k N·m,在墩台设计时应予以考虑。     

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。     

纵向力作用下重载机车运行安全性试验

为研究纵向力作用下重载机车运行安全性,通过对比分析重载机车在不同线路工况、不同车钩力状态、不同车钩转角下的动力学性能,得到了纵向力作用下重载机车运行安全性与车钩力状态、线路工况以及车钩转角的对应关系。结果表明:机车运行安全性指标随着线路曲率的增大而增大;机车在曲线上运行时,在压钩力作用下的机车运行安全性指标明显增大;压钩力作用时无论在直线还是在曲线线路上,机车车钩都会出现不同程度的水平偏转,车钩角明显增大。建议在纵向力作用下重载机车通过小半径曲线时要合理控制机车再生制动力,从而避免出现机车车钩受压失稳的危险。