铁路路桥过渡段合理长度研究

崔春霞 段树金 孙建刚

(1.天津铁道职业技术学院 建筑工程系，天津 300240;2.石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043;3.天津铁道职业技术学院 铁道工程系，天津 300240)

由于桥上和路基上轨道的轨下支承条件不同，其轨下基础乃至轨道整体刚度及其变形就不会相同，致使路桥连接部分产生不均匀沉降等现象。在路基与桥梁之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减少路基与桥梁之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路结构的变形，保证列车安全，达到平稳、舒适运行的目的。尽管国外铁路轨道过渡段早有设置，但是过渡段有多长才合理，国内外都没有一个统一的、通用的理论依据［1］。

本文中利用离散化模型模拟轨道系统，建立了有砟轨道结构路桥过渡段的有限元计算模型，利用通用有限元程序ANSYS进行轨道结构过渡段的动力分析，重点研究了基础刚度变化、列车运行速度以及过渡段长度对过渡段钢轨的动位移、由沉降差引起的钢轨转角以及路基基床表面应力的影响，由此，可得出确定路桥过渡段长度的部分理论依据。

1 计算模型的建立

1.1 基本假设

本文中将轨道系统模型模拟为离散化模型，在采用有限元建立轨道系统竖向振动模型时假设如下:

1)仅考虑轨道竖向动力效应;

2)轨道和上部结构沿线路方向左右对称，可取其一半结构进行研究;

3)钢轨被视为支承在弹性支座上的 Euler梁，轨下垫层和枕下道床的支承弹性及阻尼分别用等效弹性系数 kp，kb和阻尼系数 cp，cb表示;

4)轨枕的质量作为集中质量处理，施加于各支座节点上;

5)道砟的质量简化为集中质量并仅考虑竖向振动效应;

6)道砟下路基的支承弹性刚度和阻尼系数分别用ks和cs表示。桥台刚度为10 ks，并假设路基与桥台间的刚度在过渡段范围内是线性变化的［2］，如图1所示。

图1 过渡段轨道路基刚度变化示意

1.2 有限元模型

钢轨采用有限元程序ANSYS中BEAM4梁单元，轨枕和道床采用MASS21质点单元，垫板及扣件采用弹簧—阻尼 COMBIN14单元，模型中考虑了道床、基床的弹性和阻尼对轨道系统动力特性的影响，用弹簧—阻尼COMBIN14单元来模拟。轨道沿线路方向取100跨计算，其中40跨作用于刚性路基上，60跨作用于普通路基上。钢轨两端简化为固定约束。列车行驶方向是从路基驶向桥台。荷载采用德国ICE高速列车荷载，简化为移动荷载作用于轨道上。轨道系统计算模型［3-4］如图 2 所示。

图2 有限元计算模型

1.3 计算方案

为了分析路桥过渡段的动力学特性，主要考虑了轨道基础刚度变化、行车速度等因素的影响，并制订了如表1所列的计算方案。计算参数选取了60 kg/m轨道结构竖向振动分析模型的基本计算参数和德国ICE高速列车荷载。计算参数见参考文献［3］和文献［5］。

表1 路桥过渡段动力学计算条件

2 路桥过渡段的动力学计算结果及分析

2.1 基床刚度变化及过渡段长度不同对过渡段动力学特性的影响(见表2)

路基刚度与桥台刚度比为 1∶5、1∶10 和 1∶100，行车速度v为160 km/h的条件下，过渡段长度分别为0、10 m、15 m、20 m和30 m对钢轨竖向最大位移、最大转角以及基床表面应力的影响。图3、图4分别为相应的钢轨最大竖向位移、钢轨最大转角的时程曲线。

2.2 行车速度及过渡段长度不同对过渡段动力学特性的影响(见表3)

行车速度v分别为80 km/h和250 km/h，路基刚度与桥台刚度比为1∶10的条件下，过渡段长度分别为0、10 m、15 m、20 m和30 m对钢轨竖向位移、钢轨转角和基床表面应力的影响。图5～图7分别为相应的钢轨最大竖向位移，钢轨最大转角和基床表面应力时程曲线。

图3 过渡段长度对钢轨竖向位移的影响

图4 过渡段长度对钢轨转角的影响

表2 基床刚度比及过渡段长度不同时动力分析结果

表3 速度及过渡段长度不同时动力分析结果

图5 过渡段长度对钢轨竖向位移的影响

图6 过渡段长度对钢轨转角的影响

图7 基床表面应力时程曲线

3 结论

1)过渡段长度对过渡段钢轨的竖向位移和转角是有影响的。过渡段长度越长，最大位移和最大转角曲线越平缓。钢轨竖向最大位移和转角并不出现在过渡段内，而是出现在未进入过渡段的1～2 m内。

2)设置过渡段后，钢轨竖向位移和转角明显减小。过渡段＞15 m时，钢轨最大竖向位移和转角有所减小，但幅度不大。

3)设置过渡段后，基床表面应力明显减小。速度为80 km/h和160 km/h时，过渡段＞15 m时，基床表面应力减小幅值均 ＜3%。速度为250 km/h时，过渡段长度＞20 m时，基床表面应力减小幅值均＜3%。

4)当路基与桥台刚度比，过渡段长度一定时，速度对过渡段内钢轨竖向位移和转角影响不大，但对基床表面应力影响很大。

［1］王于，翟婉明，王其昌，等.一种确定轨道过渡段长度的新方法［J］.铁道工程学报，1999(4):25-28.

［2］雷晓燕.轨道过渡段刚度突变对轨道振动的影响［J］.中国铁道科学，2006，27(5):42-45.

［3］雷晓燕.轨道力学与工程新方法［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［4］罗强，蔡英.高速铁路路桥过渡段变形限值与合理长度研究［J］.铁道标准设计，2000(20):2-4.

［5］雷晓燕，刘朝阳，刘林芽.提速线路轨道结构竖向振动分析［J］.交通运输工程与信息学报，2003，1(1):57-63.