论文部分内容阅读
摘要：重载铁路长大桥梁上铺设无缝线路具有十分重要的意义。本文基于有限元软件ANSYS，考虑轨道-桥梁的相互作用关系，建立长大桥上无缝线路模型，对桥上无缝线路伸缩力、挠曲力、制动力进行计算。计算分析表明：设置伸缩调节器可有效减小桥上无缝线路的纵向力；设置小阻力扣件会减小纵向力，但会增加断缝值；长大桥上无缝线路受力情况非常复杂，需综合考虑各种因素确定最优结构设计方案。
关键词：重载铁路；桥上无缝线路；伸缩调节器；纵向力
Abstract: overloaded railway bridge the laying of seamless track grew up to have the extremely vital significance. This paper, based on the finite element software ANSYS, considering the interaction of track-bridge relationship, establish long bridge seamless track model of CWR expansion force, braking force and braking force to calculate. Calculation analysis shows that the adjustable adjuster can effectively reduce set the CWR longitudinal force; Set up small resistance will reduce the longitudinal strength fastener, but broken seam will increase value; Long bridge seamless route is very complex force, need to comprehensive consideration of the various factors determine the optimal structure design.
Keywords: overloaded railway; CWR; Adjustable adjuster; Longitudinal force
中图分类号：U213.9文献标识码：A 文章编号：
随着无缝线路技术的推广应用，寒冷地区重载铁路也逐渐铺设无缝线路[1]。重载铁路长大桥梁上无缝线路设计面临多个难题，如：轨温差大、列车轴重大、钢轨断面大等。重载列车在减速制动或加速启动时，将在轨道上产生很大的纵向力，对轨道结构产生很大影响，严重时会危及行车安全[2]。因此，合理进行重载铁路长大桥梁无缝线路设计，确保桥上无缝线路强度、稳定性等满足运营维护需要显得尤为重要。
本文以大准至朔黄铁路联络线前窑子水库大桥为例，运用有限元软件ANSYS对长大桥上无缝线路进行设计分析，通过多个方案的对比，确定最优方案。
1 工程概况
本线为双线I级铁路，电力牵引。全桥长468m，位于直线地段，桥梁梁跨布置为：2×32m简支梁+（58+3×96+58）m连续梁。
轨道为特重型，采用75kg/m钢轨，弹条Ⅱ型扣件。轨枕采用Ⅲa型钢筋混凝土枕，设护轮轨的地段铺设新Ⅲ型钢筋混凝土桥枕，均按1680根/km铺设。
锁定轨温：（16±5）℃。历年最高轨温Tmax和历年最低轨温Tmin分别按下面取值：Tmax=57.9℃，Tmin=-27.9℃。
2 无缝线路设计方案与参数
2.1 设计方案
连续梁与路基相邻区段温度跨度为250m，连续梁与简支梁相邻区段温度跨度为186m。两个区段温度跨度均较大，因此在方案设计时进行着重考虑。拟定了三个方案。
方案一：不设钢轨伸缩调节器，桥梁位于无缝线路固定区。
方案二：设置一组单向伸缩调节器。考虑伸缩调节器不应设置在不同下部结构过渡段范围，所以伸缩调节器未设置在梁端，在路桥过渡段50m范围内设置了小阻力扣件[3]。
方案三：在方案二的基础上，在连续梁小里程活动端边跨与相邻简支梁上设置了小阻力扣件。
图1三种设计方案示意图
2.2计算参数
有砟轨道扣件竖向静刚度70kN/mm，轨枕间距a=595mm。根据《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》 [4]，扣件或道床阻力取值列于如表1。
表1 扣件或道床阻力（暂规）
本桥为有砟轨道桥梁，桥梁温差采用15℃。进行轨道强度检算时，采用中－活载。
3 计算模型及计算结果分析
3.1计算模型
基于ANSYS有限元软件，建立桥上无缝线路空间耦合计算模型。模型中，桥梁的纵向位移及制（启）动力是主动作用，通过梁轨间的纵向约束带动长轨条发生纵向位移，产生纵向附加力，纵向力又反作用在梁体，并传递至固定支座上，带动墩台产生纵向位移。模型见图2所示。
(a) (b)
图2桥上无缝线路模型图
模型考虑了影响纵向力分布的两个重要因素：线路纵向阻力、桥梁下部结构的纵向水平刚度。桥梁梁体采用实体单元建模，截面按实际设计截面。扣件系统采用非线性弹簧单元模拟。
3.2 计算结果
对三種设计方案的伸缩力、挠曲力、断轨力进行了计算。由于设置了伸缩调节器，钢轨温度力发生了变化，所以计算伸缩力时，同时考虑温度荷载和列车荷载。
3.2.1伸缩力分析
桥上无缝线路伸缩力计算结果如图3所示。由图可得三种方案钢轨受力最大值，见表2所示。
图3纵向力分布图（温度荷载作用下）
表2三种方案钢轨受力最大值单位：kN
由图3及表2分析可得，方案一钢轨纵向力最大值为1624.5kN，位于连续梁与路基相邻位置。方案二设钢轨伸缩调节器后，钢轨纵向力最大值为1317.5kN，位于连续梁与简支梁相邻位置，相对方案一减小307.0kN，约19%，说明伸缩调节器的设置在很大程度上减小了桥上无缝线路钢轨受力。方案三在方案二的基础上加设了一段小阻力扣件，钢轨纵向力最大值为1265.1kN，位于连续梁与简支梁相邻位置，相对方案二减小52.4kN，约4%，说明加设小阻力扣件能够减小钢轨受力，但效果有限。
3.2.2 挠曲力计算结果
在列车荷载和钢轨温度荷载作用下，三种方案钢轨受力见图4所示。由图可得三种方案钢轨受力最大值，见表3所示。
图4纵向力分布图
表3三种方案钢轨受力最大值单位：kN
由图4及表3分析可得，在列车荷载桥和钢轨温度荷载作用下，方案一钢轨纵向力最大值为1195.5kN，位于连续梁和路基相邻位置。方案二设钢轨伸缩调节器后，钢轨纵向力最大值为1115.2kN，位于4#墩附近，相对方案一减小80.3kN，约6.7%。方案三和方案二钢轨受力最大值基本相同，说明小阻力扣件的设置对于钢轨挠曲力的影响不大。与表2结果对比可知，钢轨挠曲力明显小于伸缩力，在重载铁路长大桥上无缝线路设计时，伸缩力往往作为控制条件，与一般桥上无缝线路相同[5]。
3.2.3 断轨力计算结果
方案一在进行钢轨强度检算时未能满足要求，因此方案一断轨力在此不做计算。在本桥上无缝线路小里程活动端发生断轨时[6]，断缝值见图5所示。
图5钢轨断缝值分布图
由图5可以看出，方案二钢轨断缝值为49.2mm，方案三钢轨断缝值为58.1mm，断缝小于限值80.0mm，均满足要求。方案三在连续梁小里程活动端设置小阻力扣件后，由于扣件阻力较小，在温度荷载作用下，钢轨位移有所增加，但与限值80mm相比，仍有较大的安全空间。
4 方案分析
方案一不设置伸缩调节器，能够节约桥上无缝线路成本，降低造价并提供良好的轨道平顺性。但由于伸缩附加力较大，不能满足钢轨强度检算要求。
方案二设一组单向伸缩调节器后，相对方案一，钢轨伸缩纵向受力减小307.0kN，约19%；钢轨挠曲纵向受力减小80.3kN，约6.7%。说明伸缩调节器的设置在很大程度上减小了桥上无缝线路钢轨受力。钢轨断缝值检算满足要求。
方案三在加设一组单向伸缩调节器后，在连续梁小里程活动端加设了小阻力扣件，钢轨伸缩纵向力相对方案二减小52.4kN，约4%，说明加设小阻力扣件能够减小钢轨受力，但效果有限。钢轨断缝值检算虽较方案二大，但与限值80mm相比，仍有较大的安全空间。
综合考虑以上三个方案，确定方案三为最优方案。
5 结论
本文建立了重载铁路长大桥上无缝线路模型，对长大桥上重载铁路无缝线路不设钢轨伸缩调节器、设置钢轨伸缩调节器和加设小阻力扣件进行了计算分析。得出以下结论：
1）由于重载铁路采用75kg/m钢轨，钢轨截面面积大，温度荷载作用下受力较大，所受伸缩附加力也较大。因此，对于重载铁路长大桥上无缝线路，当温度跨度较大时，一般均需设置钢轨伸缩调节器，以满足钢轨受力检算要求。设置伸缩调节器有利于减小纵向力，达到强度和稳定性检算的需要。
2）重载铁路长大桥上无缝线路设一组伸缩调节器后，能够有效减小钢轨所受的伸缩力和挠曲力，有利于桥上无缝线路受力。
3）为减小长大桥上无缝线路75轨受力，设置钢轨伸缩调节器后，在钢轨受力较大处设置小阻力扣件，有利于达到减小钢轨受力，满足重载铁路长大桥上无缝线路的各项要求。小阻力扣件可减小受力，但会增加断缝值。
参考文献
[1] NI, M. M., Energy Efficient Transmission in Wireless Sensor Network for Heavy Haul Railway Transportation[J]. Wireless Communication Networking and Mobile Computing(WICOM). 2010(9):23-25.
[2] LIU, J. X., WANG, K. Y., ZHANG, B., NONG, H. B. and WANG, J. Dangerous Condition Monitoring Technology of Heavy-haul Train[J]. Logistics for Sustained Economic Development. 2010, 1939-1944.
[3] 廣钟岩，高慧安．铁路无缝线路[M]．北京：中国铁道出版社，2001．
[4] 铁建设函[2003]205号，新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定[S].
[5] 李艳．大跨度多跨连续梁桥上无缝线路设计方法研究[J]．铁道工程学报，2004(12)：81-83.
[6] 王平，陈小平．桥上无缝线路钢轨断缝计算方法的研究[J]．交通运输工程与信息学报，2004，(6)：47-52.
关键词：重载铁路；桥上无缝线路；伸缩调节器；纵向力
Abstract: overloaded railway bridge the laying of seamless track grew up to have the extremely vital significance. This paper, based on the finite element software ANSYS, considering the interaction of track-bridge relationship, establish long bridge seamless track model of CWR expansion force, braking force and braking force to calculate. Calculation analysis shows that the adjustable adjuster can effectively reduce set the CWR longitudinal force; Set up small resistance will reduce the longitudinal strength fastener, but broken seam will increase value; Long bridge seamless route is very complex force, need to comprehensive consideration of the various factors determine the optimal structure design.
Keywords: overloaded railway; CWR; Adjustable adjuster; Longitudinal force
中图分类号：U213.9文献标识码：A 文章编号：
随着无缝线路技术的推广应用，寒冷地区重载铁路也逐渐铺设无缝线路[1]。重载铁路长大桥梁上无缝线路设计面临多个难题，如：轨温差大、列车轴重大、钢轨断面大等。重载列车在减速制动或加速启动时，将在轨道上产生很大的纵向力，对轨道结构产生很大影响，严重时会危及行车安全[2]。因此，合理进行重载铁路长大桥梁无缝线路设计，确保桥上无缝线路强度、稳定性等满足运营维护需要显得尤为重要。
本文以大准至朔黄铁路联络线前窑子水库大桥为例，运用有限元软件ANSYS对长大桥上无缝线路进行设计分析，通过多个方案的对比，确定最优方案。
1 工程概况
本线为双线I级铁路，电力牵引。全桥长468m，位于直线地段，桥梁梁跨布置为：2×32m简支梁+（58+3×96+58）m连续梁。
轨道为特重型，采用75kg/m钢轨，弹条Ⅱ型扣件。轨枕采用Ⅲa型钢筋混凝土枕，设护轮轨的地段铺设新Ⅲ型钢筋混凝土桥枕，均按1680根/km铺设。
锁定轨温：（16±5）℃。历年最高轨温Tmax和历年最低轨温Tmin分别按下面取值：Tmax=57.9℃，Tmin=-27.9℃。
2 无缝线路设计方案与参数
2.1 设计方案
连续梁与路基相邻区段温度跨度为250m，连续梁与简支梁相邻区段温度跨度为186m。两个区段温度跨度均较大，因此在方案设计时进行着重考虑。拟定了三个方案。
方案一：不设钢轨伸缩调节器，桥梁位于无缝线路固定区。
方案二：设置一组单向伸缩调节器。考虑伸缩调节器不应设置在不同下部结构过渡段范围，所以伸缩调节器未设置在梁端，在路桥过渡段50m范围内设置了小阻力扣件[3]。
方案三：在方案二的基础上，在连续梁小里程活动端边跨与相邻简支梁上设置了小阻力扣件。
图1三种设计方案示意图
2.2计算参数
有砟轨道扣件竖向静刚度70kN/mm，轨枕间距a=595mm。根据《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》 [4]，扣件或道床阻力取值列于如表1。
表1 扣件或道床阻力（暂规）
本桥为有砟轨道桥梁，桥梁温差采用15℃。进行轨道强度检算时，采用中－活载。
3 计算模型及计算结果分析
3.1计算模型
基于ANSYS有限元软件，建立桥上无缝线路空间耦合计算模型。模型中，桥梁的纵向位移及制（启）动力是主动作用，通过梁轨间的纵向约束带动长轨条发生纵向位移，产生纵向附加力，纵向力又反作用在梁体，并传递至固定支座上，带动墩台产生纵向位移。模型见图2所示。
(a) (b)
图2桥上无缝线路模型图
模型考虑了影响纵向力分布的两个重要因素：线路纵向阻力、桥梁下部结构的纵向水平刚度。桥梁梁体采用实体单元建模，截面按实际设计截面。扣件系统采用非线性弹簧单元模拟。
3.2 计算结果
对三種设计方案的伸缩力、挠曲力、断轨力进行了计算。由于设置了伸缩调节器，钢轨温度力发生了变化，所以计算伸缩力时，同时考虑温度荷载和列车荷载。
3.2.1伸缩力分析
桥上无缝线路伸缩力计算结果如图3所示。由图可得三种方案钢轨受力最大值，见表2所示。
图3纵向力分布图（温度荷载作用下）
表2三种方案钢轨受力最大值单位：kN
由图3及表2分析可得，方案一钢轨纵向力最大值为1624.5kN，位于连续梁与路基相邻位置。方案二设钢轨伸缩调节器后，钢轨纵向力最大值为1317.5kN，位于连续梁与简支梁相邻位置，相对方案一减小307.0kN，约19%，说明伸缩调节器的设置在很大程度上减小了桥上无缝线路钢轨受力。方案三在方案二的基础上加设了一段小阻力扣件，钢轨纵向力最大值为1265.1kN，位于连续梁与简支梁相邻位置，相对方案二减小52.4kN，约4%，说明加设小阻力扣件能够减小钢轨受力，但效果有限。
3.2.2 挠曲力计算结果
在列车荷载和钢轨温度荷载作用下，三种方案钢轨受力见图4所示。由图可得三种方案钢轨受力最大值，见表3所示。
图4纵向力分布图
表3三种方案钢轨受力最大值单位：kN
由图4及表3分析可得，在列车荷载桥和钢轨温度荷载作用下，方案一钢轨纵向力最大值为1195.5kN，位于连续梁和路基相邻位置。方案二设钢轨伸缩调节器后，钢轨纵向力最大值为1115.2kN，位于4#墩附近，相对方案一减小80.3kN，约6.7%。方案三和方案二钢轨受力最大值基本相同，说明小阻力扣件的设置对于钢轨挠曲力的影响不大。与表2结果对比可知，钢轨挠曲力明显小于伸缩力，在重载铁路长大桥上无缝线路设计时，伸缩力往往作为控制条件，与一般桥上无缝线路相同[5]。
3.2.3 断轨力计算结果
方案一在进行钢轨强度检算时未能满足要求，因此方案一断轨力在此不做计算。在本桥上无缝线路小里程活动端发生断轨时[6]，断缝值见图5所示。
图5钢轨断缝值分布图
由图5可以看出，方案二钢轨断缝值为49.2mm，方案三钢轨断缝值为58.1mm，断缝小于限值80.0mm，均满足要求。方案三在连续梁小里程活动端设置小阻力扣件后，由于扣件阻力较小，在温度荷载作用下，钢轨位移有所增加，但与限值80mm相比，仍有较大的安全空间。
4 方案分析
方案一不设置伸缩调节器，能够节约桥上无缝线路成本，降低造价并提供良好的轨道平顺性。但由于伸缩附加力较大，不能满足钢轨强度检算要求。
方案二设一组单向伸缩调节器后，相对方案一，钢轨伸缩纵向受力减小307.0kN，约19%；钢轨挠曲纵向受力减小80.3kN，约6.7%。说明伸缩调节器的设置在很大程度上减小了桥上无缝线路钢轨受力。钢轨断缝值检算满足要求。
方案三在加设一组单向伸缩调节器后，在连续梁小里程活动端加设了小阻力扣件，钢轨伸缩纵向力相对方案二减小52.4kN，约4%，说明加设小阻力扣件能够减小钢轨受力，但效果有限。钢轨断缝值检算虽较方案二大，但与限值80mm相比，仍有较大的安全空间。
综合考虑以上三个方案，确定方案三为最优方案。
5 结论
本文建立了重载铁路长大桥上无缝线路模型，对长大桥上重载铁路无缝线路不设钢轨伸缩调节器、设置钢轨伸缩调节器和加设小阻力扣件进行了计算分析。得出以下结论：
1）由于重载铁路采用75kg/m钢轨，钢轨截面面积大，温度荷载作用下受力较大，所受伸缩附加力也较大。因此，对于重载铁路长大桥上无缝线路，当温度跨度较大时，一般均需设置钢轨伸缩调节器，以满足钢轨受力检算要求。设置伸缩调节器有利于减小纵向力，达到强度和稳定性检算的需要。
2）重载铁路长大桥上无缝线路设一组伸缩调节器后，能够有效减小钢轨所受的伸缩力和挠曲力，有利于桥上无缝线路受力。
3）为减小长大桥上无缝线路75轨受力，设置钢轨伸缩调节器后，在钢轨受力较大处设置小阻力扣件，有利于达到减小钢轨受力，满足重载铁路长大桥上无缝线路的各项要求。小阻力扣件可减小受力，但会增加断缝值。
参考文献
[1] NI, M. M., Energy Efficient Transmission in Wireless Sensor Network for Heavy Haul Railway Transportation[J]. Wireless Communication Networking and Mobile Computing(WICOM). 2010(9):23-25.
[2] LIU, J. X., WANG, K. Y., ZHANG, B., NONG, H. B. and WANG, J. Dangerous Condition Monitoring Technology of Heavy-haul Train[J]. Logistics for Sustained Economic Development. 2010, 1939-1944.
[3] 廣钟岩，高慧安．铁路无缝线路[M]．北京：中国铁道出版社，2001．
[4] 铁建设函[2003]205号，新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定[S].
[5] 李艳．大跨度多跨连续梁桥上无缝线路设计方法研究[J]．铁道工程学报，2004(12)：81-83.
[6] 王平，陈小平．桥上无缝线路钢轨断缝计算方法的研究[J]．交通运输工程与信息学报，2004，(6)：47-52.