不同列车荷载下简支梁桥参数对桥上无缝线路纵向力影响分析

滕明智，郝浩业，叶秋杰

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

相比于路基上的无缝线路，桥上无缝线路涉及到桥梁与轨道的相互作用，而引起纵向附加力。我国的学者对桥上无缝线路的纵向力进行了大量研究，基本形成了成熟的纵向力计算理论与方法，唐乐等对连续梁桥上无缝线路伸缩附加力进行了计算研究[1]；徐庆元等对高速铁路桥上无缝线路纵向附加力进行了研究[2]；陈鹏等对连续梁桥上无缝线路附加纵向力的变化规律问题做了研究[3]；蔡敦锦等分析了桥梁参数对桥上无缝线路伸缩力的影响[4]；徐浩等分析了桥墩纵向水平刚度对简支梁桥桥上无缝线路的影响[5]。以往的研究关于列车荷载大多采用中—活载，而中—活载与新发布《铁路列车荷载图式》存在一定的差异，列车荷载主要与桥上无缝线路挠曲力、制动力的计算直接相关，朱彬分析了列车荷载图式对桥上无缝线路纵向力的影响，并与中—活载的计算结果进行对比[6]，但未考虑桥梁参数的影响，因此有必要进一步研究不同列车荷载作用下的纵向力分布规律以及桥梁参数对纵向力的影响。

本文利用Ansys有限元软件建立线-桥-墩一体化桥上无缝线路计算模型，根据不同列车荷载图式，以5×32m简支梁桥为例，计算分析无缝线路挠曲力和制动力的变化规律，并分析桥梁跨度、桥墩纵向水平刚度对挠曲力和制动力的影响，为采用新的荷载图式进行无缝线路纵向力计算提供支持。

1 计算模型及参数

1.1 计算模型

采用Ansys有限元软件，在满足工程的前提下，通过一定的简化处理，建立的线-桥-墩一体化桥上无缝线路计算模型[7]如图1所示。

1.2 基本计算参数

以直线上5×32m钢筋混凝土简支梁桥为例，固定支座位于简支梁左侧，如图2所示。

图2 简支梁布置

钢轨采用60kg/m钢轨，桥上均铺设有砟轨道，采用Ⅲ型混凝土轨枕，线路阻力按图3取值。

图3 Ⅲ型混凝土轨枕道床纵向阻力

桥台的纵向水平刚度为1 500kN/cm·单线，桥墩纵向水平刚度为220kN/cm·单线。计算中为消除边界效应，保证桥上无缝线路处于固定区，简支梁桥两端的路基长度取为120m[8]。

1.3 列车荷载计算参数

以往根据TB1002.1-2005《铁路桥涵设计基本规范》铁路列车竖向静活载必须采用中华人民共和国铁路标准活载，即“中—活载”(图4)。

图4 中—活载图示

根据新发布的TB10002-2017《铁路桥涵设计规范》铁路桥涵结构设计采用的列车荷载标准应符合《铁路列车荷载图示》的规定。高速铁路采用ZK标准活载(图5)；城际铁路采用ZC标准活载(图6)；客货共线铁路采用ZKH标准活载(图7)。

图5 ZK活载标准活载计算图式

图6 ZC活载标准活载计算图式

图7 ZKH活载标准活载计算图式

2 纵向力分布规律

2.1 挠曲力分布规律

中—活载入桥类型为从左至右，ZK、ZC、ZKH活载按中间4轴动车荷载及两侧对称拖车荷载考虑，荷载作用范围为第一、二跨简支梁满载。不同荷载类型下钢轨挠曲力如图8所示。

图8 钢轨挠曲力

由图8中可以看出，在不同类型列车荷载作用下简支梁上钢轨挠曲力分布规律相同，在左桥台处钢轨承受最大挠曲拉力，在满载的第二跨简支梁中部钢轨承受最大挠曲压力。由于ZKH活载量值较大，在其作用下桥上无缝线路挠曲力计算结果大于中—活载，因此采用《铁路列车荷载图式》计算结果更安全。

2.2 制动力分布规律

荷载入桥类型为从左至右，作用于钢轨上的制动力方向也是从左至右，荷载作用范围全桥简支梁满载，计算得到的钢轨制动力如图9所示。

图9 钢轨制动力

由图9可以看出，全桥钢轨承受从左至右的列车制动荷载时，带动各跨桥梁发生向右的纵向位移，在右桥台附近钢轨制动压力最大，在左桥台及第一跨简支梁梁缝处钢轨制动拉力最大。

3 桥梁跨度的影响

3.1 桥梁跨度对挠曲力的影响

假设简支梁桥跨度从24m变化至64m，其他参数不变，不同荷载类型下钢轨最大挠曲压力随桥梁跨度的变化如图10所示。

图10 简支梁桥钢轨挠曲力随跨度的变化

从图10中可见，不同类型荷载下，简支梁桥上钢轨挠曲力随桥梁跨度的增加而近似呈线性增加，说明桥梁跨度是影响桥上无缝线路挠曲力极为重要的因素。中—活载作用下挠曲压力较大，ZKH活载作用下挠曲拉力较大。

3.2 桥梁跨度对制动力的影响

假设简支梁桥跨度从24m变化至64m，其他参数不变，不同荷载类型下钢轨最大制动压力随桥梁跨度的变化如图11所示。

图11 简支梁桥钢轨制动力随跨度的变化

从图11中可见，不同类型荷载下，因为加载长度的改变，简支梁桥上钢轨挠曲力随桥梁跨度的增加而近似呈线性增加。

4 桥墩纵向刚度的影响

4.1 桥墩纵向刚度对挠曲力的影响

随着桥梁墩台纵向水平刚度的变化，简支梁桥上钢轨最大挠曲压力、拉力的变化见表1。

表1 墩台纵向水平刚度对挠曲力的影响 kN

由表1可以看出，随着桥梁墩台纵向水平刚度的增大，简支梁上的钢轨挠曲力也随之增大，采用刚性墩比弹性墩挠曲力大，因此在检算时采用刚性墩更安全。

4.2 桥墩纵向刚度对制动力的影响

随着桥梁墩台纵向水平刚度的变化，简支梁桥上钢轨最大制动压力、拉力的变化见表2。

由表2可以看出，随着桥墩纵向水平刚度的增大，简支梁上的钢轨制动力随之减小，且桥墩纵向水平刚度对钢轨受力影响较大。

5 结论

(1)在ZK、ZC、ZKH活载作用下简支梁桥上钢轨挠曲力、制动力分布规律与中—活载相同，但ZKH活载作用下计算结果大于中—活载，因此采用《铁路列车荷载图式》计算结果更安全。

(2)钢轨挠曲力、制动力随桥梁跨度的增加近似呈线性增加，ZKH活载与中—活载作用下计算结果较接近，但ZKH活载作用下拉力较大，中—活载作用下压力较大。

表2 墩台纵向水平刚度对制动力的影响 kN

(3)随着桥墩纵向水平刚度的增大，钢轨的挠曲力随之增大，刚性墩比弹性墩挠曲力大，计算时采用刚性墩更安全；而钢轨制动力随桥墩纵向水平刚度的增加而减小，在计算钢轨制动力时应按TB10015-2012《铁路无缝线路设计规范》的最小刚度进行取值。