大跨度尼尔森体系钢箱提篮拱桥桥上无缝线路计算分析

2011-07-27徐井芒

铁道建筑 2011年11期

徐井芒，刘丹，王平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

随着我国高速铁路客运专线及城市轨道交通快速发展，出现了多种形式大跨度特殊桥型。尼尔森体系提篮拱桥就是其中比较独特的一种。尼尔森体系拱桥是指具有斜吊杆的拱桥，采用斜吊杆使拱桥具有较大的纵向刚度。提篮拱是指将通常的中(下)承式平行肋拱的拱肋向桥轴线方向倾斜，甚至在拱顶合龙，形成空间的拱式结构，采用提篮形式能增强横向稳定且形式极富美学价值，尼尔森体系提篮拱是综合两者的特点形成的。因而尼尔森体系提篮拱在铁路桥梁中很有发展前景[1]。然而，目前该形式拱桥在我国高速铁路或者城市轨道交通中建成的很少，实际应用经验甚少。因此，有必要对其进行研究。本文以某轨道交通中尼尔森体系提篮拱桥为例，利用有限元软件对其进行计算研究，旨在获得接近实际的计算结果，用于指导该桥型桥上无缝线路的设计。

1 计算原理及计算方法

1.1 计算原理

桥上无缝线路与路基上不同，其钢轨除受温度力外，还受桥上附加纵向力作用。梁因温度变化而产生伸缩，在列车荷载作用下梁因挠曲而产生位移。由于梁上翼缘的这种纵向变形，将通过梁轨间的联结约束，使钢轨受到纵向力的作用。此外，在桥上发生断轨或是无缝线路的伸缩区设在桥上，钢轨的伸缩也会通过梁轨间的约束使墩台受到断轨力作用。所有这些互为因果的作用即为梁轨相互作用[2-3]。桥上无缝线路计算分析就是以分析梁轨相互作用为基础进行的。

1.2 计算模型

由梁轨相互作用的特点可知，钢轨、桥梁及墩台是一个相互作用、相互影响的耦合系统，由此建立“线—桥—墩”纵向相互作用一体化计算模型，如图1所示。

图1 “线—桥—墩”纵向相互作用一体化模型

1.3 计算方法

桥上无缝线路纵向力包括伸缩力、挠曲力、制动力和断轨力[4]。以往桥上无缝线路纵向力计算时，通常要借助桥梁专业软件进行辅助计算，如计算梁轨相对位移时，需借助桥梁专业软件计算出桥梁上翼缘位移，再与钢轨位移相减进行计算得到。挠曲力的计算更为复杂，挠曲力是由于列车荷载产生的桥梁挠曲变形而引起的钢轨附加力，其计算通常需借助桥梁专业软件计算，并对桥梁上翼缘位移进行梁轨相互作用分析得到的[5]。

本文根据梁轨相互作用的特点，利用大型有限元分析元件ANSYS进行有限元建模，对桥上无缝线路进行计算分析。其中利用 ANSYS软件中Beam54单元模拟桥梁可以方便计算出桥梁上翼缘位移，从而进行桥上无缝线路的计算。Beam54单元为单轴且能承受拉压与弯曲，该单元允许具有不对称的端面结构，并且允许端面节点偏离截面形心位置。建模时就是利用Beam54该特点将梁体截面的上下翼缘节点作为单元节点，进而建立桥上无缝线路有限元计算模型。

2 计算实例

2.1 计算参数

某新建城市轨道交通大跨度尼尔森体系钢箱提篮拱桥，计算跨径220 m，矢高44 m，系梁采用预应力混凝土梁，为(25+220+25)m连续梁，吊杆采用高强平行钢丝吊杆。桥上铺设无砟轨道无缝线路，全桥铺设常阻力扣件，不设伸缩调节器，见图2。

图2 主桥立面图(单位:m)

2.2 模型建立

模型建立时，为减小边界条件的影响，取实际的桥跨布置进行计算。考虑了影响纵向力分布的两个重要因素:线路纵向阻力及桥梁下部结构的纵向水平刚度，模型建立的坐标原点取主桥左端墩台处。主桥有限元计算模型见图3。

图3 主桥计算模型示意

2.3 计算结果分析

2.3.1 伸缩力计算

钢轨伸缩力计算时，混凝土无砟桥梁温差变化为±20℃，现行规范中没有涉及到拱桥结构拱肋及吊杆的温差变化，故计算时拱肋及吊杆的温差变化暂取为±25℃。伸缩力计算结果如图4所示，梁轨相对位移如图5所示。

由图4和图5可知，考虑拱肋和吊杆温度变化时，钢轨最大伸缩力为799.516 kN，最大梁轨相对位移为22.194 mm;不考虑拱肋和吊杆温度变化时，即桥梁升温时，钢轨最大伸缩力为789.988 kN，最大梁轨相对位移为22.976 mm。

2.3.2 挠曲力计算

图4 钢轨伸缩力

图5 梁轨相对位移

轨道交通列车采用B2型车，其列车荷载可以简化为均布荷载28.7 kN/m/线，长度不超过117 m。计算两种工况:工况一为荷载位于拱桥左支座以右117 m范围;工况二为荷载位于拱桥右支座以左117 m范围，计算两种布载工况下相同跨度连续梁桥的挠曲力，并且进行比较。挠曲力计算结果如图6所示，梁轨相对位移如图7所示。

图6 钢轨挠曲力曲线

由图6和图7可知，对于拱桥，工况一最大挠曲拉力为56.097 kN，最大挠曲压力为59.728 kN，最大梁轨相对位移为0.185 mm;工况二最大挠曲拉力57.065 kN，最大挠曲压力为75.144 kN，最大梁轨相对位移为0.117 mm。对于连续梁桥，工况一最大挠曲拉力为349.914 kN，最大挠曲压力为243.062 kN，最大梁轨相对位移为0.494 mm;工况二最大挠曲拉力354.447 kN，最大挠曲压力为241.329 kN，最大梁轨相对位移为0.606 mm。