[科普中国]-无缝线路纵向力

简介

国内铁道科学研究院、中南大学（原长沙铁道学院）、西南交通大学、北京交通大学对该问题有过一定的研究和探讨。

对于无缝线路纵向力，国内外学者进行了广泛的研究。关于其力学模型，通常采用纵向非线性弹簧模拟梁轨之间的非线性作用，采用带刚臂的梁单元模拟桥梁，该模型被证明可以正确模拟无缝线路与桥梁之间的相互作用问题。

文献还对斜拉桥上无缝线路的纵向力进行了分析，探讨了纵向阻力模型、斜拉桥结构体系、温度荷载与风荷载等设计参数对钢轨纵向力的影响。

铁路斜拉桥上无缝线路纵向力规律分析可将斜拉桥简化为跨中设置固定支座的连续梁进行钢轨伸缩力计算；计算钢轨挠曲力时，可在斜拉桥主跨及其邻跨上布置荷载，或仅在斜拉桥主跨上布置荷载，而且不必考虑列车入桥方向的变化；铁路斜拉桥需设置速度锁定器以有效限制列车制动作用下的主梁纵向位移，减小线路受力变形；斜拉桥上铺设无缝线路应采用梁轨相互作用法以精确计算钢轨断缝值。1

钢轨伸缩力分析由于现有规范中没有关于主塔墩和斜拉索日温差的规定，考虑主塔墩和斜拉索日温差依次为0、15、20、25℃四种工况，钢轨伸缩力及桥面纵向位移，四种工况下钢轨最大伸缩力分别为1406.6、1411.1、1412.6、1414.1kN，说明主塔墩和斜拉索温差对钢轨伸缩力几乎无影响，这是因为钢轨伸缩力主要是由梁体的纵向伸缩位移引起的，而钢桁斜拉桥的斜拉索刚度和主梁刚度悬殊，主塔墩的伸缩变形又发生在竖向，主梁在温度作用下伸缩变形几乎不受斜拉索约束和主塔墩变形的影响，从四种工况下的桥面纵向位 移看出来，主梁位移零点位于跨中附近，基于这一点，就可将该钢桁斜拉桥主桥简化为跨中设置固定支座等。1

此桥需设置伸缩调节器以避免轨道强度及稳定性问题，伸缩调节器设置可在主梁两端各设一组单向伸缩调节 器，其中伸缩调节器尖轨指向主桥以外。1

钢轨挠曲力分析斜拉桥上钢轨挠曲力计算规律尚无详细总结，在此假设中－活载从左端入桥，考虑斜拉桥结构对称性，选取以下4种典型计算工况：工况一，左一边跨和左二边跨布置荷载；工况二，左二边跨和主跨左半跨布置荷载；工况三，左二边跨和主跨布置荷载；工况四，主跨布置荷载。1

考虑到斜拉桥结构的对称性及主跨上布置荷载对钢轨挠曲力影响最大，因此，建议此类桥型可按工况三和工况四荷载布置方式计算钢轨挠曲力且不必考虑列车入桥方向的变化。1

钢轨制动力分析算例斜拉桥采用半漂浮体系，主梁在顺桥向不设置纵向约束，仅通过斜拉索间接与主塔墩相连，此种体系下为了减小列车制动作用下的结构变形，一般都要在主梁与主塔墩连接处设置速度锁定器，速度锁定器只在列车制动或地震等结构变形发生急剧变化的情况下才发挥作用，能够强有力地约束主梁纵向位移。1

断缝值分析用公式法计算断缝值时，忽略了桥梁结构的影响，是按路基地段的无缝线路计算断缝，这在计算中小跨度简支梁或连续梁时的精度可以满足要求，但对于大跨桥梁断缝值的计算可能会与实际差别较大，需通过梁轨相互作 用法才能精确计算断缝值。下面就通过CSBCWR计算软件，采用公式法和建立全桥模型的梁轨相互作用法分别计算断轨后的断缝值，其中根据钢轨伸缩力分布，在采用梁轨相互作用法分析时，计算主梁左右端 梁缝处分别断轨2种工况。建议此类桥上铺设无缝线路应采用梁轨相互作用法以精确计算钢轨断缝值。1

日照作用下箱梁桥上无缝线路纵向力高速铁路桥梁在太阳辐射、大气温度和风速等因素的影响下，桥梁结构会产生非线性温度分布。当受到超静定结构多余约束的制约时，该温差将产生温度变形和应力。2

对于高速铁路混凝土桥上的无砟轨道的钢轨伸缩力，我国《无缝线路暂行规定》及《铁路无缝线路设计规范（送审稿）》中均借鉴德国规范，采用梁体升温20℃来计算。日照作用对桥上无缝线路的影响程度和影响范围不明确。2

日照温度场理论在无雨少云、风速平缓的晴朗天气下，混凝土桥与外界的热交换过程可以分为太阳辐射、辐射换热和对流换热3大部分。

1）太阳辐射强度：

太阳辐射经过大气层的吸收、反射和散射后，到达混凝土桥梁表面，一部分被混凝土吸收，另外一部分被反射．太阳辐射被大气散射的能量中，有一部分再次投射到混凝土桥梁表面．太阳辐射投射到地表后，有一部分能量被地表反射，并投射到结构下表面。2

2）对流换热产生的热流密度和辐射热交换产生的热流密度：

桥梁表面在一定风速作用下，混凝土与外界大气之间将发生热量交换．当热辐射到达桥梁表面时，会发生吸收、反射和透射现象．对于混凝土材料，可以认为透射率为零，并符合灰体的性质。2

计算参数影响分析影响日照作用下钢轨力的主要因素包括轨道板形式、大气透明度系数以及混凝土表面吸收率等．

1）底座板厚度的影响：

改变箱型截面底座板厚度将会改变日照作用下顶板温度场的分布，进而对钢轨应力产生影响。底座板厚度分别减少0.1m、增加 0.1～0.3m时的钢轨应力最大值 （计算时间为正午12时，下同）。底座板厚度 的增加可以在 一定程度上减小日照作用下的钢轨受力。2

2）大气透明度系数的影响：

晴天大气透明度系数，对太阳直接辐射强度有一定影响。该值与海拔、水陆环境、烟尘等天气状况有关。日照作用下的钢轨应力与大气透明度系数基本呈正比关系。当大气透明度系数提高时，钢轨拉应力增长明显。

3）混凝土表面辐射吸收率的影响：

混凝土表面辐射吸收率，对日照作用下的钢轨应力有较大影响。该值与混凝土表面颜色和光滑程度有关。当吸收率取0.25时，钢轨应力曲线出现符号相反的情况，表明此时桥梁对外放热占主导地位，桥梁温度降低。当吸收率大于0.55并逐渐增大时，钢轨应力增加明显加快。2

大跨斜拉桥上无缝线路纵向力的变化规律大跨度斜拉桥结构复杂，为“塔 － 索 － 梁”空间组合结构，铺设无缝线路后，在荷载作用下，会形成“塔 － 索 － 梁 － 轨”耦合作用体系，其无缝线路力学传递机理极为复杂。以通过建立大跨度钢桁梁斜拉桥上无缝线路“塔 － 索 － 梁 － 轨”空间耦合计算模型，分析不同体系温差、斜拉索修正弹性模量、纵向阻力模型及小阻力扣件的影响，为大跨度斜拉桥上无缝线路设计提供理论依据。3

随着斜拉桥体系温差变化幅度增大，钢轨伸缩附加力明显增加； 斜拉索弹性模量修正与否对伸缩力和制动力影响较小，而对挠曲力影响较大； 采用不同纵向阻力模型，伸缩力计算结果相差不大，挠曲力和制动力计算结果有较大差别。3

体系温差变化幅度的影响斜拉桥为组合结构桥梁，斜拉索、桥塔以及主梁的温度变化都会引起桥上无缝线路纵向附加力的变化，这与一般桥上无缝线路伸缩力计算时仅考虑主梁温度变化是不同的。体系温差变化影响分析中考虑混凝土结构的温度变化幅度从 5 ℃ 增至 20 ℃ ，钢结构的温度变化幅度从 9 ℃ 增至 36 ℃ 。3

随着斜拉桥体系温差变化幅度增加，钢轨最大伸缩附加拉力增长趋势逐渐变缓，而钢轨最大附加压力则基本上等幅度增加。3

斜拉索修正弹性模量的影响斜拉索在自重作用下有垂度，垂度大小受到索力影响，属于非线性构件。由于拉索的自重垂度使其弹性模量下降或损失，引起拉索的刚度降低。斜拉索因自重垂度而引起损失后的弹性模量称为修正弹性模量。

由于斜拉索对主梁有竖向弹性支承作用，列车荷载作用下，斜拉索修正弹性模量会引起斜拉索刚度和索力的改变，对主梁的竖向及纵向位移产生较大影响，进而影响到钢轨挠曲附加力。3

纵向阻力模型的影响由于挠曲及制动工况下，梁轨相对位移相对较小，道床阻力大部分还处于弹性阶段，因此，常阻力模型计算值要大于理想弹塑性模型计算值。3

小阻力扣件的影响线路纵向阻力采用理想弹塑性阻力模型，计算分别取以下三种工况。

工况一： 全桥采用常阻力扣件，即纵向阻力取道床阻力；

工况二： 全桥采用小阻力扣件；

工况三： 斜拉桥两侧边跨( 左侧 101.5 m + 188.5m两跨和右侧 159.5 m + 116.0m 两跨) 、两侧引桥采用小阻力扣件，其余地段为常阻力扣件。3

大跨度斜拉桥上无缝线路设计铺设小阻力扣件时，应结合工程造价优先考虑在斜拉桥边跨和两侧引桥上铺设小阻力扣件方案，与此相比，全桥铺设小阻力扣件对减小无缝线路纵向力的效果并不明显，但工程费用增加较多。3