馬戰(zhàn)國,許紹輝,尤瑞林

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,長沙 410000)

梁端位移對明橋面橋扣件受力的影響分析

馬戰(zhàn)國1,許紹輝1,尤瑞林2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,長沙 410000)

在城市鐵路大跨度明橋面橋上采用新型樹脂軌道結(jié)構(gòu),可以避免木枕明橋面橋曲線超高和豎曲線調(diào)整比較難的缺點(diǎn)。結(jié)合城市鐵路大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了新型樹脂軌枕軌道結(jié)構(gòu)梁體位移對梁端扣件受力計(jì)算模型,分析計(jì)算了梁端轉(zhuǎn)角以及錯(cuò)臺對扣件的影響。計(jì)算結(jié)果表明,梁端位移對扣件受力影響范圍較短,一般不超過 6～8組扣件;當(dāng)梁端產(chǎn)生轉(zhuǎn)角時(shí),梁端兩側(cè)第一組扣件受到的壓力或拉力最大,隨著梁端轉(zhuǎn)角的增大,最大拉力、壓力均隨之增大。當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角為 3‰rad時(shí),扣件所承受的最大拉力達(dá) 18.78 kN。建議城市鐵路大跨度橋梁梁端轉(zhuǎn)角應(yīng)小于 2.5‰rad,最大不超過 3.0‰rad,梁端負(fù)轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過 1.5‰rad,梁端錯(cuò)臺控制在 1.5mm以內(nèi)。

樹脂軌枕 明橋面 梁體位移 扣件 垂向力

我國鐵路明橋面橋一般采用木枕,扣件采用 K型扣件。《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50090—2006)第3.1.10條規(guī)定[1],明橋面橋不應(yīng)設(shè)置在反向曲線上,也不宜設(shè)置在緩和曲線上。明橋面橋如設(shè)在曲線上,曲線超高也較難處理。明橋面橋曲線超高主要靠橋枕調(diào)整,或部分通過橋梁調(diào)整,其余超高通過橋枕調(diào)整。當(dāng)橋枕高度不夠時(shí),還需將兩根橋枕重疊做成楔形。豎曲線不應(yīng)設(shè)在明橋面上,明橋面上不應(yīng)設(shè)置變坡點(diǎn),豎曲線也不應(yīng)伸入橋面。明橋面上如有豎曲線,其曲率需用木楔調(diào)整,每根木枕的厚度都不一樣,給施工養(yǎng)護(hù)帶來困難。木枕在使用中,易出現(xiàn)墊板空吊、橋枕歪斜、線路爬行等問題[2]。

對于城市鐵路而言,由于受地形條件的限制,明橋面橋上需設(shè)置平面曲線和豎曲線?？紤]到木枕明橋面橋難于調(diào)整曲線超高和豎曲線,且施工以及養(yǎng)護(hù)維修困難,在大跨度明橋面橋上可采用新型樹脂軌道結(jié)構(gòu),扣件采用 K型扣件或彈條扣件。

1 新型樹脂軌枕軌道結(jié)構(gòu)

樹脂合成軌枕是一種以玻璃長纖維和硬質(zhì)聚氨酯樹脂復(fù)合材料合成軌枕,其復(fù)合材料簡稱 FFU(Fiber Reinforced Formed Urethane)。合成樹脂材料 FFU外形與木材相似,但具有現(xiàn)代合成材料的優(yōu)點(diǎn),它可以生產(chǎn)出各種尺寸和長度。合成樹脂軌枕具有耐腐蝕、耐氣候變化、耐疲勞、耐電氣絕緣和易加工等特點(diǎn)。在自然環(huán)境下無腐蝕,因此可以確保長期具有良好精度。其電氣的絕緣阻抗較高,使用它不必考慮絕緣因素。同時(shí)可以像加工木材那樣去加工合成枕。利用傳統(tǒng)加工木材的設(shè)備就可對其進(jìn)行鉆孔、鋸切加工。合成樹脂材料熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性能較低。由于聚亞氨脂和玻璃纖維的分子結(jié)構(gòu)排列緊密,使其吸水率很低[3]。

合成樹脂材料甚至于在長期侵蝕的使用條件下,其材料性能穩(wěn)定可靠。在長期露天使用后,材料的機(jī)械性能無明顯降低。合成樹脂軌枕機(jī)械性能穩(wěn)定,其彎曲強(qiáng)度可達(dá) 100 MPa,螺栓抗拔力(螺紋道釘)可達(dá)60 kN。

合成樹脂軌枕已在日本東海道新干線、臺灣新干線、維也納地鐵、廣州地鐵等鐵路上使用。在日本東海道新干線主要應(yīng)用于明橋面橋,在臺灣新干線應(yīng)用于道岔,廣州地鐵主要用于車輛段有砟軌道小半徑曲線地段和小號碼道岔,曲線半徑最小為 65m[4]。維也納地鐵主要用于明橋面橋,其 Zollamt橋就采用了合成樹脂軌枕[5]。

樹脂合成軌枕具有易修復(fù)的特點(diǎn),一旦孔位錯(cuò)誤,可用專用膠水迅速在原位補(bǔ)孔修復(fù)。新修復(fù)的孔位仍具有足夠的錨固力。在樹脂軌枕需要調(diào)整超高或高低時(shí),可采用調(diào)整枕底襯墊厚度的方式(見圖 1)或采用四級調(diào)整方式,在樹脂軌枕下設(shè)置鋼墊塊,可根據(jù)線路不同超高或豎曲線位置,采用不同厚度的鋼墊塊,可通過鋼墊塊、鋼墊板、枕木高度、扣件調(diào)高墊板來進(jìn)行四級調(diào)整,保證施工精度。在施工中通過調(diào)整鋼墊板、鋼墊塊的方式,使軌枕的厚度基本保持一致,便于養(yǎng)護(hù)維修及更換。

圖1 樹脂軌枕軌道結(jié)構(gòu)示意

2 計(jì)算模型和參數(shù)

橋梁在溫度變化及列車荷載作用下或由于基礎(chǔ)沉降、路基下沉等,將引起梁端位移,包括豎向位移和轉(zhuǎn)角,對軌道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的影響,使鋼軌產(chǎn)生變形和附加力[6]。計(jì)算模型見圖 2。

模型中采用以下假設(shè)：①在端部一定長度范圍內(nèi),視梁為一剛性體,僅發(fā)生剛體位移;②假設(shè)樹脂軌枕與梁體之間無相對位移;③考慮扣件系統(tǒng)的垂向和縱向約束能力,并將其簡化為一非線性彈簧。

2.1 梁體位移

梁體的位移考慮以下三種工況：梁端轉(zhuǎn)角,錯(cuò)臺和坡道梁(見圖 3)。

1)梁端轉(zhuǎn)角。由于梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件支座位移為：xi=θh,yi=θLi,式中,xi、yi分別為扣件支座水平位移和垂直位移(mm),h為橋梁支座至扣件支座高度(mm);Li為扣件支座至橋梁支座的水平距離(mm);θ為梁端轉(zhuǎn)角(rad)。

2)錯(cuò)臺。由于錯(cuò)臺和橋梁水平位移引起的扣件支座位移為 ：xi=δx,yi=δy,式中 ,δx、δy分別為梁端錯(cuò)臺的水平位移和垂向位移。

3)坡道梁。坡道上橋梁由于溫度變化 Δt引起伸縮時(shí)相當(dāng)于在活動(dòng)端支座位置上產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角,由此引起的扣件支座位移 xi=ΔsL+θph,yi=θpLi,梁體平移s=LaΔt,梁體轉(zhuǎn)角 θp=-aiΔt,i為坡度。

圖2 計(jì)算模型

圖3 梁端位移示意

2.2 扣件節(jié)點(diǎn)參數(shù)

扣件采用非線性彈簧模擬,以扣件節(jié)點(diǎn)間距為彈簧間距。彈條扣件剛度曲線根據(jù)扣件工作狀態(tài)分為壓力狀態(tài)和拉力狀態(tài),根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,扣件垂向剛度曲線如圖 4所示。

3 梁端轉(zhuǎn)角影響分析

以梁端產(chǎn)生轉(zhuǎn)角 1.0‰、2.0‰、3.0‰、4.0‰、-3.0‰和 -1.0‰rad分別進(jìn)行計(jì)算。模型中左側(cè)為路基,右側(cè)為橋梁,梁體向下彎曲產(chǎn)生的梁端轉(zhuǎn)角為正,梁體向上拱曲產(chǎn)生的梁端轉(zhuǎn)角為負(fù);扣件受拉力為負(fù),受壓力為正;垂向位移以向上為正,向下為負(fù);扣件以梁端第一個(gè)扣件編號為 0,左側(cè)路基端編號為負(fù),右側(cè)橋梁端扣件編號為正。梁端發(fā)生不同轉(zhuǎn)角情況下,扣件產(chǎn)生的最大拉力、壓力以及位移見表 1。梁端轉(zhuǎn)角為 4‰ rad時(shí),扣件垂向力以及位移計(jì)算結(jié)果見圖5,圖 6。梁端轉(zhuǎn)角為 -1‰ rad和 -3‰ rad時(shí),扣件垂向力以及位移變化見圖 7和圖 8。

圖4 扣件剛度曲線

表1 扣件的最大受力及鋼軌的垂向相對位移

圖5 梁端轉(zhuǎn)角由 1‰ rad變化到4‰ rad時(shí)扣件垂向力變化

可以看出當(dāng)梁端發(fā)生正的轉(zhuǎn)角時(shí),右側(cè)梁端第一個(gè)扣件受到的壓力最大,左側(cè)路基段第一個(gè)扣件受到的拉力最大;當(dāng)梁端發(fā)生負(fù)的轉(zhuǎn)角時(shí),右側(cè)梁端第一個(gè)扣件受到的拉力最大,左側(cè)路基段第一個(gè)扣件受到的壓力最大。梁端發(fā)生轉(zhuǎn)角時(shí),對梁體兩端各 4～6組扣件受力產(chǎn)生一定的影響,對其余扣件受力的影響則很小。

當(dāng)右側(cè)橋梁發(fā)生正轉(zhuǎn)角時(shí),由于梁縫右側(cè)扣件推動(dòng)鋼軌向上運(yùn)動(dòng),從而使得 0號扣件存在較大壓力,而 -1號和 -2號扣件則產(chǎn)生較大拉力。右側(cè)橋梁產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)角時(shí),0號扣件受到較大拉力,最大壓力則出現(xiàn)在 -1號扣件。隨著梁端轉(zhuǎn)角的增大,最大拉、壓力均隨之增大。

圖6 梁端轉(zhuǎn)角由 1‰ rad變化到 4‰ rad時(shí)梁端鋼軌的垂向相對位移變化

圖7 梁端轉(zhuǎn)角由 -1‰ rad變化到-3‰ rad時(shí)扣件垂向力變化

圖8 梁端轉(zhuǎn)角由 -1‰ rad變化到 -3‰ rad時(shí)梁端鋼軌的垂向相對位移變化

當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角為 3‰rad時(shí),扣件的最大拉力已達(dá)18.78 kN,最大壓力達(dá) 52.74 kN。扣件的最大拉力以及最大壓力均較大,對扣件的受力不利,在反復(fù)荷載作用下,易使扣件產(chǎn)生殘余變形與殘余應(yīng)力。

梁端轉(zhuǎn)角對扣件受力影響范圍較短,一般不超過6組扣件,故橋上設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí),不會影響由于梁端轉(zhuǎn)角而引起的扣件受力的大小。

4 梁端錯(cuò)臺影響分析

梁端錯(cuò)臺考慮 5種工況,分別是梁端錯(cuò)臺 0.5 mm、1.0mm、1.5mm、2.0 mm、3.0mm;不同工況下梁端部扣件節(jié)點(diǎn)最大拉力和最大壓力見表 2。

錯(cuò)臺為 3.0mm時(shí),不同扣件節(jié)點(diǎn)受力以及位移變化見圖 9～圖 11?？梢钥闯霎?dāng)右側(cè)發(fā)生向下錯(cuò)臺時(shí),右側(cè)梁端第一個(gè)扣件受到的拉力最大,左側(cè)路基段第一個(gè)扣件受到的壓力最大。

表2 不同梁端錯(cuò)臺下扣件所受垂向力和位移最大值

圖9 梁端錯(cuò)臺 3.0mm時(shí)扣件垂向力計(jì)算結(jié)果

圖10 梁端錯(cuò)臺 3.0mm時(shí)梁端鋼軌垂向位移計(jì)算結(jié)果

圖11 梁端錯(cuò)臺位移對扣件最大拉力值的影響

當(dāng)梁端錯(cuò)臺為 1.5 mm時(shí),扣件的最大拉力達(dá)15.88 kN,最大壓力達(dá) 16.83 kN?？奂淖畲罄σ约白畲髩毫^大,對扣件的受力不利,在反復(fù)荷載作用下,易使扣件產(chǎn)生殘余變形與殘余應(yīng)力。因此,應(yīng)控制梁端錯(cuò)臺的大小。

5 結(jié)論

樹脂軌枕具有耐水和耐腐蝕性,加工便利,在明橋面橋可替代木枕。在城市鐵路大跨度明橋面橋上采用樹脂軌枕軌道結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)考慮梁端位移對扣件受力的影響。

1)當(dāng)梁端發(fā)生正的轉(zhuǎn)角時(shí),右側(cè)梁端第一個(gè)扣件受到的壓力最大,左側(cè)路基段第一個(gè)扣件受到的拉力最大;當(dāng)梁端發(fā)生負(fù)的轉(zhuǎn)角時(shí),右側(cè)梁端第一個(gè)扣件受到的拉力最大,左側(cè)路基段第一個(gè)扣件受到的壓力最大。隨著梁端轉(zhuǎn)角的增大,扣件中最大拉、壓力均隨之增大。

2)橋上線路采用彈條扣件,當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角為 3‰rad時(shí),扣件的最大拉力達(dá) 18.78 kN,最大壓力達(dá)52.74 kN。為減小梁端扣件的上拔力,可減小橋梁梁端轉(zhuǎn)角,建議城市鐵路大跨度明橋面橋梁端轉(zhuǎn)角應(yīng) ＜2.5‰rad,困難條件下最大不超過 3.0‰ rad,梁端負(fù)轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過 1.5‰rad。

3)當(dāng)右側(cè)梁體發(fā)生向下錯(cuò)臺時(shí),右側(cè)梁端第一個(gè)扣件受到的拉力最大,左側(cè)路基段第一個(gè)扣件受到的壓力最大。橋上采用彈條扣件,當(dāng)梁端錯(cuò)臺為 2.0 mm時(shí),扣件的最大拉力達(dá) 18.02 kN,最大壓力達(dá) 21.49 kN。為控制扣件垂向力的大小,建議梁端錯(cuò)臺控制在1.5mm以內(nèi)。

4)梁端位移對扣件受力影響范圍較短,一般不超過 6組扣件,故橋上設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí),不會影響由于梁端轉(zhuǎn)角而引起的扣件垂向力的大小。

[1]中華人民共和國鐵道部.GB 50090—2006 鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

[2]耿家文.明橋面K型分開式扣件的養(yǎng)護(hù)方法探討[J].鐵道建筑,1999(12)：12-13.

[3]崔幼飛.樹脂合成軌枕的測試與應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2008(1)：39-42.

[4]劉苑.玻璃纖維增強(qiáng)塑料在地鐵中的應(yīng)用[J].新型建材,2008(6)：12-14.

[5]Austrian Bridge Fitted with composite sleeper[Z],2004.

[6]趙坪銳,肖杰靈,劉學(xué)毅.梁端位移對無砟軌道扣件系統(tǒng)的影響分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2008(10)：68-73.

U213.5+3;U 213.2+4;U443.31+2

A

1003-1995(2010)02-0117-04

2009-09-30;

2009-11-20

馬戰(zhàn)國(1970— ),男,山西芮城人,副研究員。

(責(zé)任審編 王 紅)