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吉林铁道勘察设计院有限公司 吉林 132001
摘要：基于梁轨相互作用原理，应用有限元软件ANSYS建立了连续梁桥上无缝线路纵向附加力计算模型。计算出钢轨纵向伸缩附加力和挠曲附加力，其最大伸缩附加力和挠曲附加力分别为330.21 kN和161.84 kN，为桥上无缝线路相关内容设计提供了参考。
关键词：铁道工程;连续梁;无缝线路;纵向附加力
Abstract：Based on principle that interaction between beam and rail of CWR.The finite element model of the CWR on Bridge with Continuous Beam has been established via ANSYS.The maximum expansion and contraction force is 330.21 kN and the maximum flexibility force is 161.84 kN.The results provide the reference for the design of CWR on Bridge.
Key words：railway engineering;continuous beam;CWR;additional longitudinal force
0 引言
近几年我国铁路发展迅速，列车运行速度不断提高、时间间隔日益变短，为了提高列车运行的安全性，桥梁被广泛使用。在桥梁上铺设无缝线路可以减轻列车对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运营条件，延长设备使用寿命。桥上无缝线路受力情况比照路基上受力有很大不同，除受到列车荷载、温度力的作用外，还受到由于桥梁的伸缩或挠曲变形而产生的纵向附加力作用[1]。
因此在设计桥上无缝线路时，为了保证轨道及桥梁的安全，必须充分考虑无缝线路与桥梁的相互作用，计算出桥上无缝线路的纵向附加力，特别是对长大跨度的桥梁而言，这一项工作更加重要。本文以某新建铁路一长大跨度连续梁桥为例，基于梁轨相互作用原理，应用通用有限元软件ANSYS建立该桥的有限元模型，求解桥上无缝线路纵向附加力，为该桥无缝线路后续设计提供数据。
1 工程概况
该桥为双线铁路桥，线路等级为Ⅰ级，设计时速为160 km/h。桥体为钢筋混凝土结构，全桥长224 m，桥跨布置为2×24 m简支梁+（32 m+64 m+32 m）连续梁+2×24 m简支梁，梁缝为0.3 m，其布置图如图1所示。轨道采用60 kg/m U75V钢轨，采用碎石道床，III混凝土枕，每公里铺设1667根，轨枕间距为600 mm，采用弹条Ⅱ型扣件。
图1 梁跨布置图
2 纵向附加力有限元模型
2.1 计算模型
桥上无缝线路是一个复杂的结构体系，为简便计算，基于梁轨相互作用原理将轨道结构、桥梁梁体和墩台基础作为一个整体来考虑，建立桥上无缝线路线—桥—墩一体化计算模型。钢轨采用Euler梁模型，用BEAM3单元模拟，理论上钢轨视为无限长梁，计算时两端固结。扣件和道床整体考虑，其纵向阻力采用非线性弹簧单元，用COMBIN39单元模拟，弹簧单元上下分别与钢轨和梁体对应位置相连。桥梁梁体用平面应力二维梁单元BEAM54来模拟。桥梁下部结构纵向刚度用线性弹簧单元COMBIN14来模拟。
为了消除边界条件对计算结果的影响，考虑桥梁两端路基上一定长度范围内的钢轨及扣件（道床）单元，文中桥梁两端各取路基长度100 m，模型总长度为424 m。为了便于控制节点编号，采用直接法建立有限元模型，即先建立节点，再由节点生成单元，模型示意图如图2所示。
图2 计算模型纵断面示意图
计算参数
钢轨。
60 kg/m U75V钢轨，横截面面积A=77.45×10-4 m2，弹性模量E=2.06×1011 Pa，泊松比
μ=0.3，线膨胀系数α=11.8×10-6 /℃。
线路纵向阻力[2]。
伸缩力计算时，纵向阻力值为70 N/cm;挠曲力计算时，无列车荷载段为70 N/cm，机车作用段为110 N/cm，车辆作用段为70 N/cm。 梁体。
预应力钢筋混凝土梁，弹性模量E=3.6×1010 Pa，泊松比μ=0.3，线膨胀系数α=1.0×10-5 /℃;
24 m梁梁高h=3.08 m，上翼缘到中性轴的距离h1=1.08 m，下翼缘到中性轴的距离h2=2 m，截面惯性矩I=2.75 m4;32 m梁梁高h=3.05 m，上翼缘到中性轴的距离h1=1.46 m，下翼缘到中性轴的距离h2=1.59 m，截面惯性矩I=5.29 m4。
（4）墩台纵向刚度。
k=3.0×103 N/m。
（5）梁体温度差[2]。
有砟轨道混凝土梁为15℃。
（6）列车荷载。
采用中活荷载，不考虑列车速度的冲击作用。
3 纵向附加力计算
根据梁轨相互作用原理，计算时作如下假设：
（1）桥上无缝线路位于整个无缝线路的固定区。
（2）计算伸缩力时，假设梁跨伸缩不受桥面轨道的约束和活动支座的阻碍，固定支座不发生变形，温度变化时，桥跨结构相对固定支座自由伸缩。
（3）梁体的温度变化仅为单纯的升温或降温，不考虑梁温升降的交替变化。
（4）单独计算钢轨的伸缩力和挠曲力，不考虑相互叠加的影响。
3.1 伸缩附加力计算
基于上述计算模型，对梁体施加15℃的温度力，得到钢轨纵向伸缩附加力和钢轨纵向位移如图3～4所示，钢轨最大伸缩附加拉力为330.21 kN，出现在连续梁右侧梁端;钢轨最大伸缩附加压力为230.84 kN，出现在邻近固定端墩台梁跨。钢轨最大纵向位移为7.84 mm，出现在连续梁右侧。
图3 钢轨伸缩附加力 图4 钢轨纵向位移
3.2 挠曲附加力计算
列车荷载采用中活荷载，不考虑列车速度的冲击作用，以最不利情况下列车荷载从活动端进入梁体计算，钢轨纵向挠曲附加力和纵向变形如图5～6所示，钢轨最大挠曲力为161.81 kN，
摘要：基于梁轨相互作用原理，应用有限元软件ANSYS建立了连续梁桥上无缝线路纵向附加力计算模型。计算出钢轨纵向伸缩附加力和挠曲附加力，其最大伸缩附加力和挠曲附加力分别为330.21 kN和161.84 kN，为桥上无缝线路相关内容设计提供了参考。
关键词：铁道工程;连续梁;无缝线路;纵向附加力
Abstract：Based on principle that interaction between beam and rail of CWR.The finite element model of the CWR on Bridge with Continuous Beam has been established via ANSYS.The maximum expansion and contraction force is 330.21 kN and the maximum flexibility force is 161.84 kN.The results provide the reference for the design of CWR on Bridge.
Key words：railway engineering;continuous beam;CWR;additional longitudinal force
0 引言
近几年我国铁路发展迅速，列车运行速度不断提高、时间间隔日益变短，为了提高列车运行的安全性，桥梁被广泛使用。在桥梁上铺设无缝线路可以减轻列车对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运营条件，延长设备使用寿命。桥上无缝线路受力情况比照路基上受力有很大不同，除受到列车荷载、温度力的作用外，还受到由于桥梁的伸缩或挠曲变形而产生的纵向附加力作用[1]。
因此在设计桥上无缝线路时，为了保证轨道及桥梁的安全，必须充分考虑无缝线路与桥梁的相互作用，计算出桥上无缝线路的纵向附加力，特别是对长大跨度的桥梁而言，这一项工作更加重要。本文以某新建铁路一长大跨度连续梁桥为例，基于梁轨相互作用原理，应用通用有限元软件ANSYS建立该桥的有限元模型，求解桥上无缝线路纵向附加力，为该桥无缝线路后续设计提供数据。
1 工程概况
该桥为双线铁路桥，线路等级为Ⅰ级，设计时速为160 km/h。桥体为钢筋混凝土结构，全桥长224 m，桥跨布置为2×24 m简支梁+（32 m+64 m+32 m）连续梁+2×24 m简支梁，梁缝为0.3 m，其布置图如图1所示。轨道采用60 kg/m U75V钢轨，采用碎石道床，III混凝土枕，每公里铺设1667根，轨枕间距为600 mm，采用弹条Ⅱ型扣件。
图1 梁跨布置图
2 纵向附加力有限元模型
2.1 计算模型
桥上无缝线路是一个复杂的结构体系，为简便计算，基于梁轨相互作用原理将轨道结构、桥梁梁体和墩台基础作为一个整体来考虑，建立桥上无缝线路线—桥—墩一体化计算模型。钢轨采用Euler梁模型，用BEAM3单元模拟，理论上钢轨视为无限长梁，计算时两端固结。扣件和道床整体考虑，其纵向阻力采用非线性弹簧单元，用COMBIN39单元模拟，弹簧单元上下分别与钢轨和梁体对应位置相连。桥梁梁体用平面应力二维梁单元BEAM54来模拟。桥梁下部结构纵向刚度用线性弹簧单元COMBIN14来模拟。
为了消除边界条件对计算结果的影响，考虑桥梁两端路基上一定长度范围内的钢轨及扣件（道床）单元，文中桥梁两端各取路基长度100 m，模型总长度为424 m。为了便于控制节点编号，采用直接法建立有限元模型，即先建立节点，再由节点生成单元，模型示意图如图2所示。
图2 计算模型纵断面示意图
计算参数
钢轨。
60 kg/m U75V钢轨，横截面面积A=77.45×10-4 m2，弹性模量E=2.06×1011 Pa，泊松比
μ=0.3，线膨胀系数α=11.8×10-6 /℃。
线路纵向阻力[2]。
伸缩力计算时，纵向阻力值为70 N/cm;挠曲力计算时，无列车荷载段为70 N/cm，机车作用段为110 N/cm，车辆作用段为70 N/cm。 梁体。
预应力钢筋混凝土梁，弹性模量E=3.6×1010 Pa，泊松比μ=0.3，线膨胀系数α=1.0×10-5 /℃;
24 m梁梁高h=3.08 m，上翼缘到中性轴的距离h1=1.08 m，下翼缘到中性轴的距离h2=2 m，截面惯性矩I=2.75 m4;32 m梁梁高h=3.05 m，上翼缘到中性轴的距离h1=1.46 m，下翼缘到中性轴的距离h2=1.59 m，截面惯性矩I=5.29 m4。
（4）墩台纵向刚度。
k=3.0×103 N/m。
（5）梁体温度差[2]。
有砟轨道混凝土梁为15℃。
（6）列车荷载。
采用中活荷载，不考虑列车速度的冲击作用。
3 纵向附加力计算
根据梁轨相互作用原理，计算时作如下假设：
（1）桥上无缝线路位于整个无缝线路的固定区。
（2）计算伸缩力时，假设梁跨伸缩不受桥面轨道的约束和活动支座的阻碍，固定支座不发生变形，温度变化时，桥跨结构相对固定支座自由伸缩。
（3）梁体的温度变化仅为单纯的升温或降温，不考虑梁温升降的交替变化。
（4）单独计算钢轨的伸缩力和挠曲力，不考虑相互叠加的影响。
3.1 伸缩附加力计算
基于上述计算模型，对梁体施加15℃的温度力，得到钢轨纵向伸缩附加力和钢轨纵向位移如图3～4所示，钢轨最大伸缩附加拉力为330.21 kN，出现在连续梁右侧梁端;钢轨最大伸缩附加压力为230.84 kN，出现在邻近固定端墩台梁跨。钢轨最大纵向位移为7.84 mm，出现在连续梁右侧。
图3 钢轨伸缩附加力 图4 钢轨纵向位移
3.2 挠曲附加力计算
列车荷载采用中活荷载，不考虑列车速度的冲击作用，以最不利情况下列车荷载从活动端进入梁体计算，钢轨纵向挠曲附加力和纵向变形如图5～6所示，钢轨最大挠曲力为161.81 kN，