大轴重重载铁路简支梁桥梁轨相互作用研究

桥 梁 建 设 ２０１４ 年 第 ４４ 卷源自第 ５ 期 （总 第 ２２８ 期 ）
Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．５，２０１４ （Ｔｏｔａｌｌｙ Ｎｏ．２２８）
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文 章 编 号 ：１００３－４７２２（２０１４）０５－００２７－０６
大轴重重载铁路简支梁桥梁轨相互作用研究
戴 公 连 ，朱 俊 樸 ，闫 斌
ｔｒａｃｋ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
１ 引 言 近年 来，我 国 的 重 载 铁 路 建 设 进 入 了 迅 速 发 展
的阶段。继大秦、大准铁路 上 成 功 运 行 ２５ｔ重 载 列 车后，我国正在规划和建设 运 行 轴 重 ３０ｔ列 车 的 重 载运输通道［１］，如山西晋煤－渤海湾铁路、山西 中 南 部铁路通道和蒙西至华中运煤通道。但温度和活载 作用下重载铁路简支梁桥上无缝线路钢轨所受纵向 应力分布规律及关键参数的取值方法规范中尚无明 确规定。因此，对３０ｔ轴 重 重 载 铁 路 梁 轨 相 互 作 用 的研究有较强的现实意义。
考虑到桥梁－无缝线路间存在的非线性相互作 用，本文采用一种非线性杆系模拟 方 式 建 立 轴 重 ３０ ｔ货运双线 铁 路 桥 的 梁 轨 相 互 作 用 计 算 模 型，研 究 重载铁路简支梁桥无缝线路上钢轨应力的分布特点 与下部结构所受纵 向 力 的 分 配 规 律，不 同 跨 数 对 简 支梁上无 缝 线 路 钢 轨 所 受 纵 向 应 力 分 布 的 影 响 规 律，以及在检算钢 轨 应 力 时，挠 曲 力、制 动 力 组 合 方 式的合理性。
２ 简 支 梁 上 纵 向 力 计 算 模 型 本文以我国在建 的 ３０ｔ轴 重 重 载 铁 路 双 线 ３２
ｍ 简支梁为 研 究 对 象，简 支 梁 由 ４ 片 Ｔ 梁 组 成 ， ［２］ 其截面形式见图１，截面面积 为 ６．０９５ ７ ｍ２，惯 性 矩 为 ５．７７３ ｍ４。
图 ２ 重 载 铁 路 简 支 梁 梁 轨 共 同 作 用 计 算 模 型 Ｆｉｇ．２ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｂｅａｍ ａｎｄ Ｔｒａｃｋ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ
收 稿 日 期 ：２０１４－０２－２５ 基金项目：国家自然科学基金资 助 项 目 （５１３７８５０３）；高 速 铁 路 基 础 研 究 联 合 基 金 项 目 （Ｕ１３３４２０３）；中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目
（２０１４Ｍ５５２１５８） Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｆｕｎｄｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （５１３７８５０３）；Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｊｏｉｎｔ Ｆｕｎｄ ｆｏｒ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｒａｉｌｗａｙ （Ｕ１３３４２０３）；Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｆｕｎｄｅｄ ｂｙ Ｃｈｉｎａ Ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ （２０１４Ｍ５５２１５８） 作 者 简 介 ：戴 公 连 ，教 授 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄａｉｇｏｎｇ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ。 研 究 方 向 ：大 跨 度 桥 梁 极 限 承 载 力 、高 速 铁 路 梁 轨 相 互 作 用 。
无缝线路分析模型。由于有砟轨道扣件阻力大于道 床阻力，国内外桥上 无 缝 线 路 计 算 规 范 中 均 将 有 砟
图 ３ ３０ｔ轴 重 重 载 铁 路 活 载 示 意 Ｆｉｇ．３ Ｌｉｖｅ Ｌｏａｄｓ ｏｆ ３０ｔＡｘｌｅ Ｌｏａｄ Ｈｅａｖｙ Ｈａｕｌ Ｒａｉｌｗａｙ
大 轴 重 重 载 铁 路 简 支 梁 桥 梁 轨 相 互 作 用 研 究 戴 公 连 ，朱 俊 樸 ，闫 斌
将列 车 活 载 加 至 桥 上 时，默 认 加 载 方 向 为 从 左
图１ 重载铁路３２ｍ 简支梁截面示意 Ｆｉｇ．１ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ３２ｍＳｉｍｐｌｙ－Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ
Ｂｅａｍ Ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｈａｕｌ Ｒａｉｌｗａｙ
２．１ 有 限 元 模 型 采用通用有限元软件 ＡＮＳＹＳ建立简支梁桥上
（中南大学土木工程学院，湖南 长沙 ４１００７５）
摘 要：为探明大轴重重 载 铁 路 简 支 梁 桥 上 无 缝 线 路 钢 轨 纵 向 应 力 和 墩 顶 水 平 力 的 分 布 规 律，以我国在建的３０ｔ轴重重载铁路双线３２ｍ 简支 Ｔ 梁为例进行梁轨相互作用分析。 采用 ＡＮ－ ＳＹＳ建立多跨重载简支梁桥－无缝线路一体化分析模型（桥梁与轨道的非线性连接采 用 非 线 性 杆 单元模拟），研究温度和活载作用下钢轨纵向应力与墩顶水平力 的 分 布 特 点，分 析 简 支 梁 跨 数 对 纵 向 力 分 布 的 影 响 。 在 此 基 础 上 ，探 讨 检 算 钢 轨 应 力 时 ，挠 曲 力 与 制 动 力 组 合 方 式 的 合 理 性 。 分 析 表 明：重载铁路简支梁桥上无缝线路钢轨所受纵向应力普遍比客货共线铁路大 ９．８％～３１％；简支梁 跨 数 增 加 至 ８ 跨 时 ，钢 轨 和 墩 顶 的 受 力 逐 渐 趋 近 于 稳 定 ；在 检 算 墩 顶 水 平 力 时 ，采 用 挠 曲 力 、制 动 力 耦合的方式进行计算较为安全。
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Ｓｉｍｐｌｙ－Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｅａｍ Ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｈａｕｌ Ｒａｉｌｗａｙ
２．２ 计 算 荷 载 及 参 数 ３０ｔ轴重重载 铁 路 上 可 运 营 轴 重、运 量 更 大 的
货运列车，我国《重 载 铁 路 设 计 规 范 （征 求 意 见 稿）》 规定：轴重３０ｔ重载铁路的重载等级系数为 １．２，即 为１．２倍的ＺＨ 标准活载（图３），相当于１．２倍 ＵＩＣ 标准活载 。 ［４］ 其最大轴重是我国客货共线铁路 中 － 活载的１．２倍，是高速铁路 ＺＫ 活载的１．５倍。
关 键 词 ：铁 路 桥 ；简 支 梁 桥 ；重 载 铁 路 ；梁 轨 共 同 作 用 ；纵 向 力 分 布 ；有 限 元 法
中 图 分 类 号 ：Ｕ４４８．１３
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｂｅａｍ ａｎｄ Ｔｒａｃｋ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｉｍｐｌｙ－Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｅａｍ Ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ａｘｌｅ Ｌｏａｄ Ｈｅａｖｙ Ｈａｕｌ Ｒａｉｌｗａｙ
ＤＡＩ Ｇｏｎｇ－ｌｉａｎ，ＺＨＵ Ｊｕｎ－ｐｕ，ＹＡＮ Ｂｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ａｓｃｅｒｔａｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｗｅｌｄｅｄ ｒａｉｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｔｏｐ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ ｈｅａｖｙ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｈｅａｖｙ ｈａｕｌ ｒａｉｌｗａｙ，ａ ｄｏｕｂｌｅ－ｔｒａｃｋ ３２ ｍｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｔ－ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ ３０ｔａｘｌｅ ｌｏａｄ ｈｅａｖｙ ｈａｕｌ ｒａｉｌｗａｙ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ｂｅｉｎｇ ｂｕｉｌｔ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅａｍ ａｎｄ ｔｒａｃｋ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ（ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｉｎｋ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｍ ａｎｄ ｔｒａｃｋｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｉｎｋ ｅｌｅｍｅｎｔ）ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｐａｎ ｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｗｅｌｄｅｄ ｒａｉｌｓ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｔｏｐ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｉｖｅ ｌｏａｄｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｎ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗａｙｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅ－ ｖｅａｌ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｗｅｌｄｅｄ ｒａｉｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ ｈｅａｖｙ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｈｅａｖｙ ｈａｕｌ ｒａｉｌｗａｙ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ９．８％ ～３１％ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ａｎｄ ｆｒｅｉｇｈｔ ｒａｉｌｗａｙ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐａｎ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｂｙ ８ ｓｐａｎｓ，ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｉｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｔｏｐ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｔｅｎｄ ｔｏ ｂｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｉｅｒ ｔｏｐ
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桥 梁 建 设 Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
２０１４，４４（５）
ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｃｈｅｃｋｅｄ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｗａｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｂｒａ－
ｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｓ ｓａｆｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌｗａｙ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ；ｈｅａｖｙ ｈａｕｌ ｒａｉｌｗａｙ；ｂｅａｍ ａｎｄ
轨 道 线 路 阻 力 简 化 为 道 砟 阻 力［３］，即 计 算 模 型 中 不 考 虑 轨 枕 ，也 不 考 虑 道 砟 的 具 体 结 构 ，仅 将 桥 梁 与 钢 轨间的相互作用简化为道砟纵向阻力。采用非线性 杆单元模拟道砟纵 向 阻 力，非 线 性 杆 单 元 面 积 取 为 １ｍ２，长度取为１ｍ，每隔１ｍ 设置一杆单元。非线 性杆单元属于材料 非 线 性，其 功 能 与 非 线 性 弹 簧 类 似，其弹性模量按照梁 轨 相 对 位 移 ｕ 和 线 路 纵 向 阻 力ｐ 的关系曲线 进 行 换 算。以 竖 向 刚 臂 模 拟 梁 高， 轨道与梁体之间的竖向连接刚度主要由扣件提供， 采用线性弹簧模拟扣件竖向刚度。为研究纵向力传 递，４片 Ｔ 梁之间的联系采用近似的处理方法，按照 固结计算，而不 考 虑 其 间 的 相 互 作 用。 重 载 铁 路 简 支 梁 梁 轨 共 同 作 用 计 算 模 型 见 图 ２。