廣珠城際鐵路無(wú)軌道梁端轉(zhuǎn)角與梁端軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析

廣珠城際鐵路無(wú)軌道梁端轉(zhuǎn)角與梁端軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析

受列車荷載、基礎(chǔ)沉降、線路縱梁等因素的影響，橋梁端位移（包括旋轉(zhuǎn)角和垂直相對(duì)位移）。在有砟軌道結(jié)構(gòu)上,由于道砟是散料體結(jié)構(gòu),對(duì)梁端軌道結(jié)構(gòu)傳力有一定的放散作用,橋梁微小的變形一般不會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響;但是在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)上,軌道系統(tǒng)與橋梁處于較大剛性連接狀態(tài),橋梁的微小變形將對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響,影響列車運(yùn)營(yíng)的平順性。引起梁端支座截面產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角的主要因素有:①列車豎向靜活載作用引起的梁端轉(zhuǎn)角;②徐變上拱引起的梁端轉(zhuǎn)角;③相鄰墩臺(tái)的不均勻沉降差異引起的梁端轉(zhuǎn)角;④橋梁上下梁面的梯度溫差引起的梁端轉(zhuǎn)角;⑤軌道板(道床板)溫度梯度引起的轉(zhuǎn)角等。本文針對(duì)廣珠城際軌道交通實(shí)際情況,分析研究梁端軌道結(jié)構(gòu)受力變形情況,為城際軌道交通梁端軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。1梁端位移對(duì)無(wú)軌道軌道的影響有限元分析橋梁梁端位移對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力變形影響涉及的因素很多,為了充分考慮這些影響因素,更加準(zhǔn)確地計(jì)算出梁端位移對(duì)無(wú)砟軌道的受力影響,本文建立了有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算。1.1anasas單元梁端位移與無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力變形相互影響的分析模型,采用“鋼軌—軌道板—橋梁”一體化全橋模型,如圖1所示。模型中假設(shè)如下:①鋼軌為有限長(zhǎng);②在端部一定長(zhǎng)度范圍內(nèi),認(rèn)為梁體為一剛性體,橋梁的轉(zhuǎn)角同梁端轉(zhuǎn)角一致,梁端轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致一定長(zhǎng)度范圍的扣件支座發(fā)生按線性變化的豎向位移;③在無(wú)砟軌道承載層和梁體之間無(wú)相對(duì)位移;④僅考慮扣件系統(tǒng)的豎向約束能力,并將其簡(jiǎn)化為一分段線性彈簧;⑤轉(zhuǎn)角方向規(guī)定:如圖2所示,梁縫左側(cè)梁體順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)(-),逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正(+);梁縫右側(cè)梁體順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正(+),逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)(-)。采用有限元軟件ANSYS對(duì)受力模型進(jìn)行計(jì)算分析,ANSYS單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。其中1、2、3分別為鋼軌、扣件、軌道板單元,5為支承層單元,6、7為橋梁?jiǎn)卧?8為梁高單元。梁縫處梁端轉(zhuǎn)角位移引起無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)受力的計(jì)算模型如圖4所示。1.2模量、豎向抗彎慣性矩鋼軌采用60kg/m鋼軌,彈性模量E=2.06×1011Pa,豎向抗彎慣性矩J=3217cm4,其扣件采用客專WJ-7B扣件。1.2.1彈性墊板失效階段扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)由鐵墊板、軌下彈性墊板、彈條及緊固螺栓構(gòu)成,其節(jié)點(diǎn)剛度是影響梁端軌道結(jié)構(gòu)受力的重要因素,扣件系統(tǒng)受力情況分析如下。扣件系統(tǒng)受力狀態(tài)可分為三個(gè)階段(圖5),扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)剛度記為KF,彈性墊板剛度記為KP,單側(cè)彈條剛度記為Ks,初始扣壓力記為F0。第一階段:在扣件系統(tǒng)受力的情況下,當(dāng)彈性墊板壓縮量大于彈條有效彈程F0/2Ks時(shí),扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)彈性僅由彈性墊板提供,扣件節(jié)點(diǎn)剛度為彈性墊板剛度KP。第二階段:當(dāng)扣件系統(tǒng)受力方向由向下往向上逐漸變化時(shí),鋼軌由下壓作用逐漸向上抬作用過(guò)渡,此時(shí)扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)彈性由彈條及彈性墊板共同提供,扣件節(jié)點(diǎn)剛度為KP+2Ks。第三階段:當(dāng)扣件系統(tǒng)所承受的上拔力大于扣件的扣壓力,鋼軌與彈性墊板脫開(kāi)時(shí),彈性墊板失效。扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)彈性僅由彈條提供,扣件節(jié)點(diǎn)剛度為彈條剛度2Ks。綜上所述,扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)剛度KF、彈性墊板剛度KP、單側(cè)彈條剛度Ks、初始扣壓力F0、鋼軌豎向位移Δy滿足式(1)。KF=?????KPKP+2Ks2KsΔy＜?F0/(2Ks)?F0/(2Ks)＜Δy＜F0/KPF0/KP＜Δy(1)ΚF={ΚΡΔy＜-F0/(2Κs)ΚΡ+2Κs-F0/(2Κs)＜Δy＜F0/ΚΡ2ΚsF0/ΚΡ＜Δy(1)1.2.2其他參數(shù)，請(qǐng)忽略扣件其它主要參數(shù)如表1所示。1.2.3梁端位移參數(shù)廣珠城際軌道交通梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對(duì)位移,如表2所示。2梁段軌道結(jié)構(gòu)的加固2.1計(jì)算噪聲按廣珠城際梁縫處最不利的軌道結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)情況進(jìn)行檢算,共分三種工況。1縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距橋梁懸臂長(zhǎng)度為500mm,按最不利情況取梁縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距700mm,軌道板扣件節(jié)點(diǎn)間距636mm,板端第一個(gè)扣件距梁端距離225mm,梁縫寬度250mm,如圖6所示。2縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距橋梁懸臂長(zhǎng)度為500mm,按最不利情況取梁縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距700mm,軌道板扣件節(jié)點(diǎn)間距623mm,板端第一個(gè)扣件距梁端距離225mm,梁縫寬度250mm,如圖7所示。3軌道板扣件間距橋梁懸臂長(zhǎng)度為500mm,按最不利情況取梁縫處扣件節(jié)點(diǎn)間距670mm,軌道板扣件節(jié)點(diǎn)間距636mm,板端第一個(gè)扣件距梁端距離225mm,梁縫寬度300mm,梁縫處一側(cè)軌道板懸出梁端80mm,如圖8所示。2.2梁端扣件系統(tǒng)上拔力根據(jù)以上有限元模型,對(duì)不同梁端轉(zhuǎn)角引起的扣件上拔力進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖9～圖11所示。根據(jù)廣珠城際軌道交通實(shí)際橋梁梁端轉(zhuǎn)角的位移值,梁端扣件系統(tǒng)上拔力按“?1+?3+?4+δ1+δ2”的計(jì)算組合工況。在計(jì)算工況組合下,無(wú)砟軌道梁端扣件系統(tǒng)上拔力最大值和允許值如表3所示。3梁端偏轉(zhuǎn)各因素對(duì)扣件系統(tǒng)的影響通過(guò)廣珠城際梁端軌道結(jié)構(gòu)受力變形計(jì)算分析,主要得到以下結(jié)論:1)橋梁無(wú)論發(fā)生何種形式的轉(zhuǎn)角,無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)的受力和鋼軌附加彎矩都隨梁端轉(zhuǎn)角的增大而增大,為保證扣件系統(tǒng)正常工作,應(yīng)限制梁端轉(zhuǎn)角的大小,尤其橋梁兩側(cè)非對(duì)稱轉(zhuǎn)動(dòng)的限制應(yīng)最為嚴(yán)格。2)梁縫兩側(cè)鋼軌支點(diǎn)豎向相對(duì)位移對(duì)扣件系