縱向附加力分布規律
鑒於變數阻力模型的計算量大, 耗時較長, 而常量阻力的計算則較為簡便, 便於工程套用 ,為“暫規”所推薦, 故以下規律的探討均在常量阻力模型的條件下進行.
計算分析採用的鋼軌類型為 CHN60 ,豎向荷載採用高速鐵路 ZK 荷載 ,且荷載均布於橋上, 溫度變化值取 25 ℃.當連續梁的組合形式為 2 ×24 m +3×24 m +2 ×24 m 時(固定支座靠中布置).
線路縱向阻力的影響
對24 m +32 m +48 m +20 m 的連續梁進行計算.其中, Q 為線路縱向阻力,P拉為鋼軌最大拉力,P壓為鋼軌最大壓力, P墩為橋墩最大受力.可知:①鋼軌最大伸縮和撓曲拉、壓力隨著線路縱向阻力的增加近似呈線性增加.②橋跨相對於固定支座不對稱時, 橋墩伸縮力及撓曲力均隨線路縱向阻力的增大而增大.橋跨相對於固定支座對稱布置時,若豎向荷載亦對稱,橋樑兩端處的鋼軌附加力基本一致,橋墩受力接近於零.
同橋長與不同跨數的影響
梁長擬定為120 m ,連續梁跨長分別取24 m 、30 m 、40 m 、60 m(固定支座均靠中布置).由BCWR 計算得到的結果.其中,3 跨和5 跨時固定支座均布置在第二跨右側.可知:①不同跨長的鋼軌最大伸縮拉、壓力的最大值大致一樣,均在250 kN左右.②橋跨相對於固定支座對稱布置時, 橋樑兩端鋼軌附加力方向相反,大小基本相同,使得橋墩受力趨於零. 不對稱布置時, 橋墩的伸縮、撓曲力均隨跨數的增加而減小,尤其撓曲力更是急劇降低,其伸縮力的降低是由於跨長減小後使得固定支左兩側的橋長差值減小(40 m跨長時, 固定支座兩側相差40 m;24 m跨長時, 兩側相差34 m), 梁端的伸長量也減小的緣故.撓曲力的減小是由於隨著跨長減小,橋墩數量增加,致使橋樑整體剛度得到提高,橋樑上翼緣的縱向位移減小, 且梁軌位移的分布更有利於橋墩撓曲力的降低.③橋跨對稱布置的橋樑, 隨著跨長的減小, 跨數的增加,鋼軌的最大撓曲拉、壓力降低很快.對於橋跨相對於固定支座不對稱布置的橋樑也有此特點.④橋跨對稱布置時, 可有效降低鋼軌撓曲力.當2 ×60 m 梁變為3 ×40 m 梁或者由4 ×30 m 的梁變為5 ×24 m 梁後,橋跨由對稱變為不對稱,雖然跨長減小, 跨數增加,但鋼軌的最大撓曲力卻有所增加.
固定支座布置位置的影響
以跨長為24 m ,4 跨一聯和5 跨一聯為例, 若固定支座儘量靠中布置, 除可有效降低墩台力外, 還可有效改善鋼軌的伸縮和撓曲力.本計算中, 5跨連續梁的鋼軌伸縮拉、壓力分別降低了12.47 %和24.32 %,鋼軌撓曲拉、壓力分別降低了36.40 %和33.49 %;4 跨連續梁的鋼軌伸縮拉、壓力分別降低了11.35%和37.27%,鋼軌撓曲拉、壓力分別降低了53.90 %和30.58 %.
跨長的影響
以3 跨連續梁為例,由BCWR 計算得到的結果可見:①對於跨數一定的連續梁,鋼軌最大伸縮力、撓曲力隨跨長的增加近似呈線性增加.②對於橋跨不對稱布置的橋樑,橋墩伸縮力隨跨長的增加呈遞增趨勢, 但增長率較鋼軌最大伸縮力小.橋墩撓曲力隨跨長的增加近似呈線性急劇增加,增長率較鋼軌最大撓曲力大很多.
聯數的影響
取每聯橋跨結構為對稱布置和不對稱布置兩種形式,對稱時每聯為兩跨, 不對稱時每聯取三跨, 每跨跨長均擬定為24 m .
(1)橋跨對稱布置.由BCWR計算得到的結果可見:①鋼軌最大伸縮和撓曲拉、壓力基本不受橋樑聯數的影響,2聯以後其值變化幅度已非常小, 且拉壓力趨於一致.故在進行多聯對稱布置的連續梁鋼軌撓曲和伸縮力計算時, 按2聯來考慮已足夠.②由於橋跨結構和荷載布置均對稱,橋樑墩台所受縱向力接近於零,且基本不受橋樑聯數的影響.
(2)橋跨不對稱布置.由BCWR計算得到的結果可見:①鋼軌最大伸縮和撓曲拉、壓力均隨聯數的增加呈遞增趨勢,但有一定限度,到3聯時分布曲線均已趨於平緩,到第4聯以後變化值已非常小.此特點對於不等跨長或每聯更多跨數的連續梁情況同樣成立.故多於3聯的連續梁鋼軌伸縮和撓曲力的計算可按3 聯或最多按5聯計算即可.②對於橋樑墩台受到的最大伸縮和撓曲力而言,當連續梁聯數由1聯增為2聯時急劇降低,聯數再增加時伸縮和撓曲力分布曲線漸趨於平緩.故多於3聯的連續梁進行墩台伸縮和撓曲力計算時,按3聯考慮已足夠.
縱向附加力的計算模型
鋼桁梁計算有限元模型,鋼軌不考慮空間特性按平面梁單元處理,橋面係為橫縱梁體系,設伸縮縱梁,它吸收了混凝土梁和鋼桁梁的優點,能夠較為精確的計算鋼桁橋和組合梁橋的縱向附加力。本文模型的一個中心環節,就是採用非線性彈簧模擬道碴層。很明顯,這些“彈簧”只起著縱向力的傳遞作用,而自身並不具備獨立向橋外傳遞縱向力的能力, 這樣的簡化與實際道碴層的縱向傳力作用情況是基本相近的。道碴層傳遞縱向力主要是靠剪下作用, ORE的縱向力試驗證明,道碴層本身能夠傳向橋外路堤的縱向力一般只占縱向力總量的3 %左右,這一點從理論上也可以給出很好的解釋,因為由散體構成的道碴層其縱向剛度即使與鋼軌相比較,也要小15-25倍,顯然絕大部分的縱向力將由剛度要大得多的橋樑和鋼軌來承受。利用上述有限元模型,使用對號入座法則建立方程根據橋上無縫線路鋼軌縱向力的基本原理編制了計算程式, 方便以後工程設計。
梁—軌縱向作用有限元力學模型
高速鐵路橋樑空間力學模型有空間梁單元模型、板單元模型及實體單元模型, 筆者曾用空間梁單元及剛臂模擬橋樑, 用板單元模擬橋樑墩台, 對梁—軌縱向相互作用機理進行了研究。在計算中發現, 對於高速鐵路雙線箱形梁橋, 一方面空間梁單元橋樑模型不能很好地反映高速鐵路箱形梁橋的空間力學特性, 用空間梁單元橋樑模型計算撓曲力有較大的誤差;另一方面, 橫向剛臂剛度很大, 與橫向剛臂連線各點具有幾乎相同的轉角, 導致箱形梁頂板同一斷面各點縱向位移幾乎相等, 不能很好反映雙線鐵路橋樑的梁—軌縱向相互作用。筆者在對空間板單元和實體單元橋樑模型進行的比較研究中發現, 採用空間板單元橋樑模型在速度上僅比實體單元橋樑模型快2 倍,且實體單元橋樑模型能更好反映梁體的空間力學特性, 因此本文採用實體單元模擬橋樑。同樣的理由, 本文亦採用實體單元模擬橋樑墩台。梁單元可以很好模擬鋼軌受力特性, 本文採用空間梁單元模擬鋼軌。
對於橋樑支座約束的模擬, 用Ansys的自由度耦合功能可方便地實現 , 但這樣不能直接得到作用在墩台上的縱向作用力。本文模型採用在支座處設定縱向 、 豎向及橫向線性彈簧單元, 用以連線橋樑與墩台 , 可直接得到作用在墩台上的縱向作用力。
類似於橋樑支座模擬 , 亦用縱向、 豎向及橫向彈簧單元模擬線路與橋樑相互作用 。不過, 線路縱向阻力模擬採用的是理想彈塑性線路縱向阻力模型, 需要用 Ansys 提供的非線性彈簧單元模擬。橋外路基上鋼軌長度L1 >L0 +40 m (L0 為各孔梁單孔跨度的平均值)時 , 可滿足計算精度的要求。長鋼軌在路基上的長度取為300m , 以減少邊界條件對計算精度的影響。
無碴軌道作為有碴軌道的一種特殊形式, 區別在於沒有道床, 在實際計算時, 可以將道床縱向阻力取為充分大 (可取為扣件縱向阻力 10 倍), 此時計算結果趨向於僅考慮扣件縱向阻力模型結果。因此 , 本文力學模型既適用於有碴軌道 , 也適用於無碴軌道 , 具有廣泛的通用性 。
研究縱向附加力的意義
目前由於我國客運專線、高速鐵路的興建,既有線路的提速,城市軌道交通的發展,越來越多的鐵路橋樑上鋪設或者計畫鋪設跨區間無縫線路, 且橋型越來越多變。我國對混凝土簡支梁橋橋上無縫線路附加力的分析已取得了較為豐富的理論成果, 但對於鋼橋和大跨度連續梁橋, 由於其結構的特殊性, 如鋼桁梁橋和連續鋼桁梁橋, 給橋上無縫線路的研究帶來了新的課題,同時也要求橋上無縫線路技術向更深的層次發展。在橋上鋪設無縫線路, 可以在結構上消除鋼軌接頭, 減少列車在接頭區的衝擊與振動,改善橋樑的運營條件, 減少軌道的維修工作量,延長軌道部件和橋樑的使用壽命。鑒於橋上無縫線路眾多的工程意義, 更應該加快研究橋上無縫線路的步伐,加快對橋上無縫線路設計計算軟體的編制。研究橋上無縫線路縱向力的計算模型, 特別是鋼桁梁橋, 尋找更好、更快、更精確的計算方法來計算縱向力。這樣不但使無縫線路理論得到擴充,而且使橋上無縫線路設計得到最佳化,創造出更多的經濟和社會價值。
