南宁铁路局工务检测所 广西南宁 530029
摘要：通过对单元轨结、锁定轨温的合理设计，并选择合理的扣件类型和线路纵向阻力，采用在斜拉桥上不设钢轨伸缩调节器铺设无缝线路的方案。减小轨道部件的种类，能够节约轨道成本，降低造价并且利于线路的养护维修。
关鍵词：斜拉桥；无缝线路；纵向附加力；小阻力扣件；
1 前言
湘桂线河水河斜拉桥位于湘桂铁路下行线来宾～良江区间，是我国第一座预应力钢筋混凝土斜拉桥。全长409.1m，桥跨布置为：2×23.8＋3×31.7预应力钢筋混凝土简支梁＋(48＋96＋48)m预应力混凝土连斜拉桥＋1×31.7＋1×23.8预应力钢筋混凝土简支梁。桥墩采用明挖基础，主墩高约30m。主梁采用了塔梁固结的竖琴形方案。主梁为双室箱梁，高3.2m，底宽4.8m，固定支座设在6#桥墩，其余各墩设置活动支座，所有支座采用盆式橡胶支座。既有桥梁采用有碴轨道，P60钢轨，处于平坡、直线地段。
相比普通线路，无缝线路可减小列车-线路的相互作用，延长设备部件的使用寿命，列车运行更平稳，更安全、更舒适，线路及下部结构维修工作量小，养护维修费用更低。为适应运营形势变化，改善线路状况，提高轨道的平顺度，减小轨道的不平顺引起的列车振动、轮轨动力作用增大等因素对桥梁和轨道结构耐久性的影响，因此在桥上铺设无缝线路。
2 桥上无缝线路方案比选
方案一：桥梁位于无缝线路的固定区，桥上不设置钢轨伸缩调节器，采用普通扣件无缝线路。
方案二：桥梁位于无缝线路的固定区，桥上不设置钢轨伸缩调节器，采用小阻力扣件无缝线路。
方案三：桥梁位于无缝线路的伸缩区，在连续梁的跨中设置钢轨伸缩调节器。
钢轨伸缩调节器尖轨与基本轨间存在结构不平顺，根据铁道科学研究院实测资料，列车通过钢轨伸缩调节器时，其簧下竖下振动加速度（7.0g～8.0g）为通过平顺的焊接接头的簧下竖下振动加速度（2.5g～5.0g）的1.4～3.2倍，铺设钢轨伸缩调节器会对行车舒适性产生不利影响。另一方面，钢轨伸缩调节器是轨道的薄弱环节，在运营过程中，养护、维修作业量大，因此本次桥上无缝线路设计不采用方案三。
桥梁位于无缝线路的固定区，采用与桥梁两端一致的轨道结构。不设置钢轨伸缩调节器，减小轨道部件的种类，能够节约轨道成本，降低造价并且利于线路的养护维修，桥上不存在薄弱环节，但是长钢轨伸缩力比较大，对保证轨道结构强度和稳定性都不利，且断缝检算时断缝值较大。
桥上铺设无缝线路与路基上不同，无缝线路除承受温度力之外，桥梁和轨道的结构设计还应考虑桥梁与无缝线路的相互作用力。为了最大限度地减小梁轨相互作用力，并保持轨道有较好的承载能力，必须合理地选择钢轨的布置方式和线路纵向阻力参数。经计算比选，采用方案二在红水河斜拉桥无缝线路是可行的。
3 桥上无缝线路轨道结构方案
全桥铺设P60无缝线路。锁定轨温为36±5℃，区间单元轨节锁定温差不大于10℃。采用小阻力扣件，扣件扭矩80～100N.m。Ⅱ型桥枕，按1760根/km布置。
4 桥上无缝线路设计计算
桥上无缝线路除承受温度力作用外，还承受伸缩力、挠曲力、牵引（制动）力、断轨力的作用。桥梁因温度变化或列车荷载作用产生纵向位移，带动道床并通过扣件系统对长轨条施加纵向力；钢轨受力变形后，对桥梁作用大小相等、方向相反的反作用力。长轨条因列车起动（制动）、钢轨折断或位于无缝线路伸缩区产生纵向位移，通过扣件及道床对桥梁施加纵向作用力。
桥上无缝线路的附加纵向力基本计算模型是梁轨相互作用原理。采用有限元分析的方法，划分单元，将结点位移视为变量。在弹性范围内，运用叠加原理进行钢轨和梁体的位移以及钢轨纵向附加力的计算。采用ANSYS建立有限元模型进行钢轨纵向附加力的计算。
4.1 模型假定
（1）考虑一股道的两根钢轨，钢轨视为纵向支承于弹性地基上的有限长梁，能够承受拉、压作用，其拉、压刚度相等，且为常量。
（2）钢轨和两端路基、钢轨和桥梁之间的连接用非线性弹簧简化模拟。
（3）钢轨和桥梁产生纵向相对位移，二者通过线路纵向阻力相互作用，线路纵向阻力大小与二者间的相对位移为非线性关系，一般为扣件阻力和道床阻力的较小者。
（4）钢轨结点两端纵向力与线路纵向阻力相平衡，钢轨两相邻结点位移差与该钢轨单元释放的纵向力成正比。
（5）桥梁截面特性参数，主要截面按设计图纸计算，其余内插。
（6）由于几何非线性对中、小跨度桥梁的分析结果影响不大。对本桥只作线性分析。
（7）所有斜拉索一端铰接在桥塔上，另一端铰接在横梁端部结点。
（8）索的预应力用初应变来考虑。
4.2 模型建立
ANSYS有限元模型中，采用BEAM4单元来模拟全桥混凝土实体部分（纵梁、横梁、塔柱）以及钢轨；采用能模拟缆索承受拉力的LINK10单元模拟斜拉索；采用能模拟非线性弹簧的COMBIN39单元模拟纵向阻力。在模拟索塔、索梁锚固时，使索单元与桥梁混凝土实体（纵梁、横梁、塔柱）单元结点共用。
模型采用空间三维模型，线路方向为柳州至黎塘。从上到下依次为主梁、斜拉索、钢轨、道床、上刚臂，梁体，下刚臂。单个主塔从塔顶往下共设置6个张拉点，每侧3个，第个张拉点张拉2条斜索，单个主塔共有12条斜索，整个塔索结构共划分32个结点，46个单元。路基延长长度选取满足起点位移和钢轨力为0为准，在此桥梁模型中，两端各取100m路基长度，钢轨在线路方向划分1193个单元，1194个结点，每个单元长度0.5m。道床结点1194个，采用非线性弹簧单元模拟道路纵向阻力。梁体形心结点以中性轴所在位置选取，共792个结点，784个单元，每个单元长度0.5m用与中性轴垂直的上刚臂来模拟梁上高和桥梁上翼缘的挠曲，在支座处设置下刚臂模拟梁下高和桥墩纵向阻力的约束。在梁体温度变化过程中，拉索的力也在变化。梁体温度变化引起的作用和拉索力变化引起的作用可以相互叠加。
4.3 计算结果
根据计算的附加力，对红水河斜拉桥桥梁结构墩台、支座、钢轨断缝、轨道强度、稳定性进行检算，检算结果都符合相关规范、规定要求。可以采用方案二无缝线路轨道结构在红水河斜拉桥上铺设无缝线路。
5 结束语
红水河斜拉桥铺设无缝线路以来，桥梁结构完好，线路稳定。实践表明通过对单元轨结、锁定轨温的合理设计，并选择合理的扣件类型和线路纵向阻力，在斜拉桥上铺设无缝线路是可行的。
参考文献
[1] 李廉锟.《结构力学（第三版）》.北京：高等教育出版社，2002.
[2] 中华人民共和国铁道部.《铁路无缝线路设计规范》.2013.
[3] 广钟岩、高慧安.《铁路工无缝线路（第四版）》.北京：中国铁道出版社，2002.
[4] 中华人民共和国铁道部.《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》. 北京：铁道部，2003.
论文作者:庞芳伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/25
标签：钢轨论文; 线路论文; 纵向论文; 桥梁论文; 斜拉桥论文; 阻力论文; 扣件论文; 《建筑学研究前沿》2017年第20期论文;