（道路与铁道工程专业论文）提速干线钢桁梁桥上无缝线路纵向附加力研究.pdf

摘要 随着我国铁路客运专线和高速铁路的兴建，既有线提速和城市轨 道交通的发展，区问和跨区闻无缝线路已成为轨道结构的主要形式。 桥上无缝线路梁轨相互作用是轨道工程的关键技术。本文以梁轨相互 作用原理为基础，建立了轨道一道碴一梁一墩台为整体结构的纵向附 加力计算有限元模型，参考“对号入座”法则编制了计算钢桁梁桥上 无缝线路纵向附加力的程序，采用荷载细步增量法求解非线性方程 组。选用c h 语言编程。并与纵向附加力的微分方程求解法、广义变 分原理为基础的里兹法以及有限单元法计算进行了结果比较，验证了 本文计算结果的正确性，表明所采用的有限元计算模型是合理的。 文中采用轨道一道碴一梁一墩台一体化模型对多跨简支钢桁梁 桥上无缝线路的纵向附加力进行了计算，研究了不同桥梁跨数、桥墩 纵向线刚度以及不同支座布置形式等因素对纵向附加力的影响；同时 将啊+ 他x 1 2 m 的不等跨组合筒支混凝土梁和钢桁梁桥的一些特性 与等跨简支混凝土梁和钢桁梁桥进行了对比分析。论文研究了制动架 的设置位置、设置个数、纵梁断开与否以及其不同组合等因素对纵向 附加力的影响。本文研究了特殊设计混凝土简支梁桥上伸缩力、断轨 力和挠曲力的计算方法和分布规律。对于大跨度连续钢桁梁桥，本文 讨论了伸缩调节器设置与否以及设置位置的不同对纵向附加力的影 响，得出了一些具有工程实际意义的结论。并分析了钢轨折断时，梁、 轨相互作用原理及表现，断缝及其断轨力的计算。对于温度跨度较小 的连续梁建议在跨中附近设置伸缩调节器，对于温度跨度较大的连续 梁建议在活动端均设置伸缩调节器。 关键词桥上无缝线路，纵向附加力，钢桥，有限单元法 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c eo ft h es p e c i a lr a i l w a yf o rp a s s e n g e r sa n dt h e h i g h - s p e e dr a i l w a y ，s p e e d i n go fe x i s t e dr a i l w a ya n dt h ed e v e l o p m e n to f t h ec i t yt r a c kt r a f f i c ，t h es u p e rl o n gc o n t i n u o u s l yw e l d e dr a i l ( c w r ) h a s a l r e a d yb e e nt h em a i nf o r mo ft r a c ks t r u c t u r e s t h ei n t e r r e l a t e da c t i o n p r i n c i p l eo fb e a ma n dr a i lo fc o n t i n u o u s l yw e l d e dr a i l s0 1 1b r i d g ei st h e p i v o t a lt e c h n i q u eo ft r a c ke n g i n e e r i n g b a s i n go ni n t e r r e l a t e da c t i o n p r i n c i p l eo fb e a ma n dr a i l ，i tp u t sf o r w a r dan e wf i n i t ee l e m e n tm e t h o d c a l c u l a t i o nm o d e lo fa d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lf o r c ec w ro i lb r i d g e ，w h i c h r e g a r d st r a c k - b a l l a s t - b e a m - p i e ra n da b u t m e n ta s a l li n t e g r a t e ds y s t e m p r o g r a mw h i c hc a l c u l a t e sc w r0 nb r i d g ea d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lf o r c eo f s t e e lt r u s sb r i d g ei s o r g a n i z e dw i t ht h e “s e t - i n - r i g h t - p o s i t i o n r u l e l o a d i n gt h i ns t e pi n c r e m e n t a lm e t h o di su s e dt os o l v en o n l i n e a re q u a t i o n p a r t y c a l c u l a t i n gp r o g r a ml a n g u a g ei sc + + t h er e s u l t so fa d d i t i o n a l l o n g i t u d i n a lf o r c ec o m p a r e dw i t hr e s u l t so fd i f f e r e n t i a le q u a t i o nm e t h o d , t h er e s u l t so fr i t zm e t h o dw h i c hb a s e sg e n e r a l i z e dv a r i a t i o n a lp r i n c i p l e a n dr e s u l t sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 。c o m p a r i s o nv a l i d a t e st h er e s u l t s i se x a c t , 8 0t h ec w r0 nb r i d g ea d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lf o r c eo fs t e e lt r t 塔$ b r i d g ec a l c u l a t i o nm o d e l i sr e a s o n a b l e c w ro nm a n ys p a n ss t e e l1 1 1 1 8 8b r i d g ea d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lf o r c e i sc a l c u l a t e di nt r a c k - b a l l a s t - b e a m - p i e ra n da b u t m e n ts y s t e m ，a n ds t u d i e s i n f l u e n c et oa d d i t i o n a l l o n g i t u d i n a l f o r c eo fd i f f e r e n tn u m b e rs p a n , l o n g i t u d i n a lr i g i do fp i e ra n da b u 缸n e n ld i f f e r e n tb e a r i n gd e c o r a t i o n u n e q u a ls p a ns i m p l ys u p p o r t e dc o n c r e t eb e a ma n ds t e e lt r u s sb e a m c o m b i n a t i o nb r i d g ew h o s ef o r ms a m ep r o p e r t yi ss t u d i e d , a n dc o n t r a s t s a g a i n s tt h e & u n ec o n c r e t eb e a m0 1 s t e e lp u r l i nb e a mb r i d g e t h ep a p e r s t u d i e si n f l u e n c et oa d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lf o r c eb e c a u s eo fb r a k en l l s s s e t t i n gl o c a t i o n , s e t t i n gn u m b e r , l o n g i t u d i n a lb e a mc u ta n dt h e i r c o m b i n a t i o n t h ec o m p u t i n gm e t h o da n dt h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o no f l o n g i t u d i n a lf o r c eo fs p e c i a ld e s i g ns i m p l ys u p p o r t e dc o n c r e t eb e a m b r i d g ei ss t u d i e d t h ep a p e rd i s c u s s e sc o n t i n u o u ss t e e lt r u s sb e a mb r i d g e i n f l u e n c et oa d d i t i o n a ll o n g i t u d i n a lf o r c ew h e t h e rs e t sr a i l e x p a n s i o n a d j u s t e r so rn o t , s e t t h 1 9l o c a t i o n w h e nr a i lb r e a k so f f , t h er e p r e s e n to f t h ei n t e r r e l a t e da c t i o np r i n c i p l eo fb e a ma n dr a i l ，c a l c u l a t i o nm e t h o do f b r e a kj o i n ta n db r e a kf o r c ei s a n a l y z e d c o n t i n u o u ss t e e lt r u s sb e a m b r i d g ew h o s et e m e p r a t u r es p a ni se n o u g hl o n gs h o u l ds e t sr a i le x p a n s i o n a d j u s t e r so nt h ek i n e t i cp o r ti sa d v i s e d k e yw o r d s c o n t i n u o u s l yw e l d e dr a i l so nb r i d g e ，a d d i t i o n a l l o n g i t u d i n a lf o r c e s ，s t e e lb r i d g e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d - m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献。已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：鹰! 丝日期：兰! ! i 年! ! 月三! 二日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，e p 学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：墼叁导师签名遗鳗魄垫蚋l 月缬 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 客运专线的兴建和铁路既有线提速反映了我国科学技术水平，是我国铁路现 代化的标志，是我国综合国力提升的体现。区间和跨区间无缝线路已成为轨道结 构的主要形式。桥上无缝线路梁轨相互作用是铁道工程的关键技术之一，研究钢 桁梁桥上无缝线路纵向附加力的计算方法及分布规律，具有十分重要的理论意义 和工程实用价值。本章介绍论文研究目的和意义，铁路钢桁梁桥的发展概况，国 内外桥上无缝线路发展概况，研究梁轨相互作用的现实意义，论文研究的主要内 容和方法 1 1 研究目的和意义 在国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中明确提出：优先发展交 通运输业，加快发展铁路运输。重点建设客运专线、城际轨道交通、煤运通道， 初步形成快速客运和煤炭运输网络。扩展西部地区路网，强化中部地区路网，完 善东部地区路网。加强集装箱运输系统和主要客货枢纽建设。建设铁路新线1 7 万公里，其中客运专线7 0 0 0 公里同样在国家中长期铁路网规划中也指出： 加强既有路网技术改造和枢纽建设，提高路网既有通道能力。现实情况是随着我 国经济的发展，科学技术的进步，铁路事业面临着越来越严重的挑战。尤其是民 航、公路、水运和管道运输的强大竞争力，占据越来越多的市场份额，使得中国 铁路面临着严峻的考验。作为铁路生产服务部门，没有市场就没有经济效益。在 这种情况下，铁路部门为扭转铁路运输的被动局面，进行了大量的调查研究，确 立了客运发展高速铁路，货运发展重载运输的基本模式，使高速和重载运输成为 铁路发展的两大趋势。 高速、重载运输系统的发展，必定要求相应的高速、重载轨道结构。随着各 国对无缝线路的研究发现，它既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速、重 载轨道结构的最优选择，它以无可争议的优越性被各国铁路所承认。区间无缝线 路和跨区间无缝线路是发展的必然趋势【l 卜例。桥上无缝线路，作为无缝线路中重 要的组成部分，其作用和重要性是不言而喻地。虽然在无缝线路方面已经取得了 巨大的成绩，尤其在混凝土简支梁纵向附加力的计算已经非常成熟，其作用机理 和影响因素都已经被设计人员掌握。在 新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定 中对混凝土简支梁纵向附加力计算已经做出具体而详细的规定嘲。但是一些特殊 硕士学位论文 第一章绪论 桥梁，如混凝土连续梁桥、刚构桥和钢桥仍有需要迸一步加深研究的地方，尤其 是钢桁梁桥。不管是既有铁路改建，还是新建铁路，都有大量大跨度钢桁梁桥纵 向附加力都需要深入研究。考虑到钢桁梁桥的构造复杂，并且与混凝土梁有着本 质区别。因此单独研究钢桁梁桥纵向附加力相信是一个有价值、有意义的工作。 综上所述，研究钢桁梁桥上无缝线路纵向附加力，对于桥上无缝线路设计有 着十分重要的实用价值和理论意义。 1 2 铁路桥梁的发展概况 在人类文明的发展史中，桥梁占有重要的一页。中国古代木桥、石桥和铁索 桥都长时间保持世界领先水平，在桥梁发展史上曾占据重要地位，为世人所公认。 例如，据云南略考记载，中国早在公元前6 0 年左右，东汉明帝在云南景东 地区的澜沧江上就建成了跨度达百米的铁链桥，而欧美直到十七世纪尚未出现铁 索桥。不幸的是，中国自十三世纪北方少数民族入主中原的元朝起，科技就停滞 不前，到十七世纪明朝时己开始落后于西方。清朝政府又奉行闭关自守的愚昧政 策，夜郎自大，终于在1 8 4 0 年的鸦片战争中惨败，使中国遭到列强的侵凌，蒙 受了百年耻辱。解放后，我们开始向苏联学习，建设跨江大桥，取得了一定的成 绩。但是后面就经历了一段特殊时期。八十年代中国桥梁技术开始崛起，九十年 代开始，中国桥梁工程界在向世界先进水平攀登，目前中国已经跻身世界桥梁强 国之列嘲巾6 1 。 1 2 1 混凝土桥梁 1 9 2 8 年，法国弗雷西内工程师经过2 0 年的研究，用高强钢丝和混凝土制成 预应力钢筋混凝土嘲。这种材料，克服了钢筋混凝土易产生裂纹的缺点，使桥梁 可以用悬臂安装法、顶推法施工。随着高强钢丝和高强混凝土的不断发展，预应 力钢筋混凝土桥的结构不断改进，跨度不断提高。预应力钢筋混凝土桥有简支梁 桥、连续梁桥、悬臂梁桥、拱桥、桁架桥、刚架桥、斜拉桥等桥型。混凝土标准 梁在加快铁路建设中起到重要作用是不争的事实，其尽量少用材料及钢料以适用 国情和能够用架桥机架设的设计理念在世纪末发生了变化。在预应力混凝土桥方 面，建成于1 9 9 6 年6 月的南昆线上打埂大桥，简支梁跨度已经达到5 6 m 。并且 已经铺设跨区间无缝线路。用于广深铁路的标准梁，车速度达到2 0 0 k m h 左右时 一些梁需要进行必要的加固，干线提速后，标准梁横向连接较弱的问题突出了。 本世纪初新修编的标准梁图，调整了梁截面尺寸，加宽了主梁间距，增加了横向 预应力，加强了横向刚度，使之能够适应客车1 6 0 k m h 乃至2 0 0 k m h 左右的运 硕士学位论文第一章绪论 行速度高速铁路上的混凝土简支粱桥，梁在设计中的控制因素已不仅是强度、 抗裂性、刚度等，而是要考虑列车过桥时旅客的舒适程度。秦沈客运专线高速列 车的行车试验表明，经过动力仿真模拟确定的混凝土简支箱形梁桥的设计参数基 本合理，调整后优化可以用于我国今后建设的高速铁路上。 桥墩较低矮，设刚构桥刚度难以调整或湿度联长太长时，预应力混凝土连续 粱桥是合理的选择由于受到大吨位支座的限制，预应力混凝土连续梁的跨度较 上世纪知年代初建成的侯月线海子沟桥只前进了2 0 m ，建成的宝成线清江7 号桥主跨径8 8m ，最大跨度为9 6m 的石长线湘江桥和沅江桥，长荆线汉江桥主 跨径1 0 0 m ，主跨为1 2 8m ，而其1 0 0m 高的刚构墩为日前世界铁路桥梁的最高 墩的南昆线清水河桥，内昆线花坡桥和包石线三道坎黄河桥主跨径分别为单、 复线1 0 4 m ，为目前我国铁路预应力混凝土连续梁之最 7 1 。秦沈客运专线建成的 主跨径6 4 m 和8 0 m 的预应力混凝土连续梁高速运行情况良好。值得一提的是南 昆线八渡南盘江桥，主跨为9 0 m ，v 形支撑连续梁，原设计意图是减少梁的支撑 长度，从而优化梁体的横截面尺寸，更适合单线铁路桥，而这一点颇有争议。 预应力混凝土连续刚构桥由于大跨度主墩上没有支座，不受大吨位支座研发 的限制，桥墩和梁体可以协调受力，悬灌施工时可不设临时支座，故发展迅猛。 继同类铁路桥梁国内最大跨度的攀枝花金沙江桥建成主跨1 6 8 m 预应力混凝土连 续刚构桥后，建成和在建的有一大批此类桥梁，南昆线清水河桥主跨1 2 8i n ，渝 怀线黄草乌江桥主跨1 6 8m 。南昆线板其2 号桥主跨径为7 2 m 的预应力混凝土连 续弯梁，其曲线半径r = 4 5 0 m ，为我国铁路预应力混凝土连续弯梁之首座。值得 注意的是发展到如此跨度。受横向刚度的限制，主梁箱宽已能满足双线桥的要求， 建单线铁路桥已很不经济。另一方面，此种桥式联长太长时，温度力难以控制， 不得不将部分采用连续梁，即刚构连续梁组合结构，内昆线李子沟桥就是其灵活 应用的例子 1 2 2 钢桥 在人们对不停的刷油漆感到厌倦和不能忍受其造价后，全国各铁路部门一段 时间内较少采用铜梁桥，在世纪末钢梁的涂装得到飞速发展，其称谓寿命已超过 人韵工作寿命。一些西方发达国家的报道，当混凝土结构达到近百年寿命时，其 整修比钢结构更加麻烦，从而印证了人们对混凝土结构问题的看法，又重新审视 钢梁桥1 6 1 , 0 1 h 1 6 。 在铁路桥梁中，凡是桥跨结构用钢制造的，不论基础、墩台用什么材料建造， 习惯都称为钢桥钢桥常用的结构形式有上承板梁、下承桁粱、连续桁梁和悬臂 梁等。我国是一个具有悠久历史和丰富文化遗产的国家。我们的祖先远在春秋时 期，就以自己的勤劳和智慧锻造出铁器。相传秦末( 公元前2 0 6 年左右) 刘项之 硕士学位论文 第一章绪论 争时，大将樊哙在陕西褒城马道驿的寒溪上建造了一座铁链桥 7 1 。还有建于1 6 7 6 年，长达百余米，以留下红军二万五千里长征的光辉足迹而闻名于世的至今完好 无损的大渡河泸定铁索桥。历史事实证明，我国是世界上最早建设铁悬索桥的国 家。 、 然而，封建制度的长期统制，大大束缚了我国科学技术的发展。自1 8 4 0 年 鸦片战争英帝国主义首先以大炮轰开满清帝国的大门后，世界列强相继入侵，我 国沦为半封建半殖民地社会。 清末时期修建的铁路桥梁，以钢桥最多【1 1 】。1 8 7 6 年英国人在中国修建第一 条营业铁路一吴淞铁路时，就从英国运来钢粱，架设铁路钢梁桥。吴淞铁路建 有桥梁l o 余座，其中最长桥为温澡滨桥，长5 0 米，即为一座钢桥。唐胥铁路向 天津展筑时，在汉沽附近修建蓟运河大桥，为3 孔钢桁梁和l 孔钢板梁，最大跨 度6 4 米，桥长1 7 3 7 米，由英人金达主持设计，比利时公司承包施工。该桥1 8 8 8 年建成，是中国第一座具有近代水平的铁路钢桥。唐榆铁路修建钢桥3 0 余座， 其中张家庄桥即为一座钢桥，结构形式：l 一3 和7 9 孔为净跨9 7 米下承钢梁， 4 6 孔为净跨9 7 米上承钢板梁，桥长1 0 0 3 米。这座钢桥1 8 9 3 年建成，后来 经多次维护改建，至今仍在使用。钢材是一种抗拉、抗压和抗剪强度均很高的匀 质材料，用作桥梁建筑材料大大优于石料、木材和混凝土，具有很大的跨越能力 和耐久性。因此，清末时期铁路一些跨度大的桥梁特别是长度大于5 0 0 米的特大 桥，一般都是用钢梁架设的。 据统计，清末时期共修建铁路钢桥3 1 5 0 余座，总延长8 8 6 千米，约占全部 铁路桥梁的5 6 。一些大跨度的桥梁全部用钢梁架设，建成桥长5 0 0 米以上的特 大桥1 7 座，其中较著名的有滦县滦河桥、锦县大凌河桥、哈尔滨松花江桥、富 拉尔从嫩江桥、陶赖昭第二松花江桥、本溪太子河桥、郑州黄河侨、安东鸭绿江 桥、烁口黄河桥和蚌埠淮河桥等。京汉铁路共修建桥梁6 1 0 座，其中大部分为钢 桥。郑州黄河大桥是新中国成立以前修建的最长的铁路钢桥，长3 0 1 5 米，共1 0 2 孔。津浦铁路共修建钢桥3 8 7 座，其中烁口黄河桥是新中国成立以前建成的跨度 最大的铁路钢桥，其最大跨度为1 6 4 7 米，全长1 2 5 5 2 米，共1 2 孔，为悬臂钢 桁梁桥。唐榆铁路的滦河桥是中国首座采用气压沉箱基础的铁路钢桥，建成于 1 8 9 4 年，长6 7 0 6 米。该桥上部结构由多孔钢桁粱和钢板梁组成。在修建过程中， 外国工程师遇到困难而退出，最后由我国杰出铁路工程师詹天佑完成。这是我国 工程师第一次主持修建钢桥。安奉准轨铁路共修建钢桥2 0 5 座，其中鸭绿江桥长 9 1 6 8 米，是一座旋转式开启桥。清末时期共建成三座开启式钢桥：除鸭绿江桥 外，还有唐津铁路的蓟运河桥和台湾铁路( 基隆至新竹段) 的淡水河桥。汴洛铁 路的伊洛河老桥为中国唯一的一座采用双翅式悬臂梁的铁路钢桥，全长3 3 3 米 硕士学位论文第一章绪论 在中华民国时期，中国一直是一个战乱连绵不断的时期，工程建设存在着严 峻的困难1 9 3 7 年我国建成了钱塘江大桥川。大桥全长1 4 5 3 米，正桥长1 0 7 2 米，由1 6 孔跨度为6 5 跗米简支钢桁梁组成，钢梁选用铬铜合金钢，强度高， 重量轻，抗锈蚀。北岸引桥3 孔，南岸引桥1 孔，都是用5 0 米的钢拱梁和钢筋 混凝土框架及平台组成。全桥方圆配合，色调稠和，主次分明，浑然一体。1 9 3 7 年9 月2 6 日通了火车。可是由于抗战全面爆发，战局恶化，于同年1 2 月2 3 日 茅以升不得不挥泪亲自参与将桥炸毁。直至1 9 5 3 年茅以升亲临主持大桥修复工 程，才使其得到新生。像建成于1 9 5 3 年的湘潭湘江大桥，现为湘黔线下行，桥 墩台建成于1 9 3 8 年，由于战乱，一直没有架梁通车。可见没有国家综合国力的 提升，工程建设是没有后盾保障的。 建国后，我们在钢桥建设上取得重大突破与成绩。1 9 5 7 年建成了武汉长江 公铁两用大桥，正桥为三联，每一联为3 1 2 8 m 的连续梁，它是五十年代中国 桥梁的一座里程碑，也是中苏友好的结晶，为中国现代桥梁工程技术和第二座南 京长江大桥的兴建以及桥梁深水基础工程的发展奠定了基础；1 9 6 8 年建成了南 京长江公铁两用大桥，上部主要结构为一孔1 2 8 m 的简支钢桁梁和三联3x1 6 0 m 连续钢桁梁组成，主桁杆件采用1 6 锰低合金钢梁桥，用铆钉连结；1 9 6 9 年建成 的成昆线三堆子金沙江桥为1 9 2 m 的简支铆接钢桁桥。1 9 7 0 年左右建成的成昆铁 路安宁河桥、同模甸而桥、拉旧桥和迎水河桥均为1 1 2 m 系杆拱栓焊钢桥；1 9 7 1 年建成的枝城长江大桥为公铁两用桥，由一联5x1 2 8 m 和4 x1 6 0 m 的连续铆接 钢桁粱组成；1 9 7 7 年建成的密云水库白河桥，为3 1 2 8 m 连续栓焊钢桁梁；1 9 8 2 年建成的安康汉江桥为1 7 6 m 的斜腿刚构；1 9 9 3 年建成的九江长江公铁两用大 桥，连续粱，最大跨度2 1 6m ；2 0 0 0 年建成的芜湖长江公铁两用大桥，斜拉桥、 最大跨度3 1 2m ，代表了我国钢桥建造的最新水平。2 0 世纪6 0 年代发展的栓焊 桥技术在成昆线上成功应用后结束了铆接桥的历史。在钢桥用材料方而，从普 通钢a 3 钢、低合金1 6 m n q , 1 5 m u v n q 钢到具有良好低温韧性的1 4 m n n b q 钢， 已经为我国铁路桥梁向更人跨度发展准备了条件。 继红水河斜拉桥之后，世纪末建成了大秦线大里营主跨5 0 m 混凝土刚性索 转体斜拉桥；拟建的武汉枢纽天兴洲长江大桥为四线铁路斜拉桥，将在世界桥梁 史上占有一席之地。主桥采用双孔六跨钢桁拱拱桥方案，中跨3 3 6 m 钢桁拱矢高 8 4 m ，矢跨比1 4 ，拱顶跨中处高1 2 m ，支点处高5 3 m ，边跨钢桁连续梁桁高1 6 m ， 节问长均为1 2 m 。主桥横桥向采用三桁承重结构，桁宽2 1 5 m 。采用正交异性 整体桥面。该桥共有2 3 9 孔2 4 0 个墩，基础均为钻孔桩。其中，三个主墩采用 1 2 o 4 0 0 m 圆端形空心墩，基础桩径2 8 m ，桩长1 0 5 1 1 2 m 。大桥投资3 0 多 亿元，预计2 0 0 8 年完工 硕士学位论文 第一章绪论 建成九江桥后，对是否采用高强钢建桥产生了看法，大部分学者认为宜采用 中强钢。京九线孙口黄河桥采用的就是s m s o c 中强钢( 受焊接的限制采用的是日 本钢材及标准) 整体节点【”】；新荷线长东黄河桥正式采用国产中强钢1 4 m n n l x l ； 之后采用中强钢建设的有芜湖长江桥、长寿长江桥、佳木斯松花江桥等。建成的 芜湖长江桥为斜拉索加劲的连续钢桁梁桥式，跨度为3 1 2 m ，已建成的长寿和万 州长江桥主跨分别是1 9 2 m 钢桁梁桥式、主跨3 6 0 m 钢桁拱桥式，均为国内同类 型桥梁之最。栓焊钢梁、斜腿薄壁箱形钢梁、钢斜拉桥的采用，反映了我国钢桥 建设技术跻身世界先进行列。 1 2 3 结合梁桥 结合梁( c o m p o s i t e g i r d e r ) 的概念在1 9 8 0 年由德国学者莱昂哈特提出，其 基本思想是用混凝土桥面板代替造价昂贵的正交异性钢板【田【9 】。结合梁或结合梁 桥具体是指采用抗剪栓钉( 或称剪力传递器) 将钢板梁、钢箱梁、钢桁架等结构 构件和钢筋混凝土行车道板结合在一起共同承受荷载并充分发挥各自材料特性 的一种复合梁式结构。钢筋混凝土板可以兼作道碴槽，因而结合梁桥可以做成道 碴桥面，这样，与名桥面的钢梁相比，更能适合在坡道和曲线上使用；还有噪音 低，适合用于城市跨越道路的桥梁等优点。此外由于钢梁的安装重量远比同等跨 度的混凝土梁轻，所以安装速度快，而维修费用远比明桥面低，在我国已有长期 的使用经验，将来必有很好的发展前景。目前我国铁路上已有跨度为4 0 m 及以 下的结合梁标准设计，跨度为4 8 m 的结合梁已经设计并架设完成，于1 9 9 4 年通 车使用，在秦沈客运专线上已经大量使用了连续结合梁。随着桥梁形式的发展， 结合梁将在更大跨度的桥梁上广泛应用 1 1 h 1 3 1 。 1 3 国内外桥上无缝线路发展概况 现代铁路为实现高速、重载运输，采取改善轨道结构的最佳措施，当属无缝 线路的应用【”。铁别是在客运高速化、货运重载化、城市轻轨交通大规模发展的 背景下，无缝线路已成为当今世界轨道交通的主流。据2 0 0 2 年统计【1 1 1 2 1 ，全世 界铁路网长约1 3 0 万k m ，无缝线路总长4 5 4 万k m ，其中美洲占3 0 8 、欧洲 占4 9 6 、亚洲占1 3 5 、非洲占1 6 、大洋洲占4 5 。1 9 5 7 年我国开始在 京门支线和真西支线上试铺无缝线路，经过数十年的不懈努力，至2 0 0 3 年底， 铺设总数为3 9 8 8 0 k m ，占营业线路的4 5 。近十年来，每年铺设无缝线路约 4 0 0 0 k i n 。 无缝线路结构按运营模式分：温度应力式、自动放散应力式及定期放散应力 硕士学位论文第一章绪论 式三种【1 1 4 1 温度应力式由长钢轨及两端2 4 根标准轨组成，由于扣件及道床 阻力的抵抗，两端自由伸缩受到一定限制，中间固定区部分钢轨不能伸缩。该类 型结构简单，铺设方便，但温度应力较高。目前，世界各国铁路广泛推广应用温 度应力式，包括我国在内。自动放散温度应力式系在焊接长钢轨两端设置钢轨伸 缩调节器，随时释放温度应力，以消除温度应力和桥梁伸缩力的影响，适用于特 大桥和温差较大的地区定期放散应力式，结构形式同温度应力式，只是在放散 时松开长钢轨的全部扣件，使它自由伸缩，适用于温差较大的寒冷地区。 无缝线路有别于传统轨道结构，它有这重要的工程意义。它消灭了旧线常用 有缝钢轨接头这一薄弱环节，大大减少了车和线路零部件的破坏，易于保证轨道 的平顺性，使列车运行得比较平稳可靠，降低了列车运行时的噪声危害，有利于 环境保护，减少了线路及机车车辆的维护工作，延长了设备寿命。而从理论上说， 无缝线路的长度可以是无限长。鉴于理论与意义，为了最大限度减少钢轨接头， 延长轨条的长度，推广应用超长无缝线路，即区间和跨区间无缝线路，成为了当 今无缝线路发展的方向。我国铁路规定，无缝线路的钢轨焊接长度至少为3 0 0 m ， 现实中无缝线路的钢轨焊接长度一般都在l k m 以上。无缝钢轨贯通整个区间甚 至与道岔焊在一起延绵几个区间，长达几十公里，甚至几百公里 1 3 1 国内桥上无缝线路的发展 1 9 6 2 年始，我国开始发展无缝线路的试验研究，通过现场测试和室内模型 试验，研究桥上无缝线路产生纵向力的机理【1 1 。最初铺设无缝线路的桥梁仅限于 在简支钢板梁和混凝土梁以及连续钢桁梁上。1 9 6 3 年，首次在京广线琉璃河大 桥上铺设桥上无缝线路。此后，铁道科学研究院、西南交通大学、北方交通大学、 长沙铁道学院、兰州铁道学院等科研和设计单位开始研究，在不同梁型的桥上铺 设无缝线路。系统地对桥上无缝线路的伸缩力、挠曲力、制动力、断轨力、梁日 温差影响和其它参数进行研究，对中小跨度简支梁、大跨度桥梁上无缝线路受力 机理进行了深入探讨，为铺设桥上无缝线路提供了理论基础。此外，还进行桥上 钢轨折断、列车安全通过允许断缝的试验。结合工程实践，试验研究逐步深入， 在此基础上，建立了粱、轨相互作用原理。 桥上无缝线路除受到列车活载、温度力、制动力等的作用外，还受到由于桥 梁的伸缩或挠曲变形位移而产生的额外的纵向附加力作用，即伸缩力和挠曲力 梁的变形( 即伸缩和位移) ，将通过梁、轨间的联结约束、道床等，使钢轨受到 纵向力的作用与此同时，钢轨也对桥跨结构施加大小相等、方向相反的反作用 力1 1 7 l 。此外，桥上无缝线路一旦断裂，将对桥跨结构施加断轨力。所有这些力 都将通过桥跨结构传递到墩台上，使桥墩台产生弹性变形，墩顶发生纵向位移。 所有这些互为因果的作用，可归结为梁、轨相互作用。因此，设计桥上无缝线路 硕士学位论文 第一章绪论 时，为了保证安全，必须考虑在上述各项纵向力的组合作用下，保证钢轨、桥跨 结构及墩台满足各自的强度条件、稳定性条件及钢轨断缝条件，并通过桥上无缝 线路的结构设计，设法减小无缝线路纵向力的作用。桥上无缝线路强化了轨道结 构，改善了列车运行条件，同时也减轻了列车对桥梁的冲击，延长了桥梁的使用 寿命，减少了养护维修工作量。然而，桥上无缝线路纵向附加力与梁轨间位移变 形的作用机理很复杂，是桥上无缝线路设计、铺设与养护维修的理论基础和主要 难点，也是发展跨区间无缝线路和实现铁路高速化和重载化的技术难题之一 无缝线路的研究开展一百多年来，取得了许多世人瞩目的理论和实践成果。 目前，总长超过2 0 0 m 的桥梁铺设无缝线路约5 0 0 余座，其中著名的有九江、南 京、武汉、枝城、小南海长江大桥，济南、孙口、长东、洛阳、三盛公、三道坎 黄河大桥，石龙大桥、钱塘江二桥、襄樊大桥、蚌埠淮河大桥、青衣江大桥等 上海市明珠线高架桥上铺设无缝线路，更集中的解决了多项技术难题，如桥上小 半径曲线和大坡道地段的无缝线路铺设、桥上设置道岔与无缝线路连接、高架桥 上无缝线路纵向力的计算及高架桥上站内无缝线路结构等等。近十年来，新型桥 上轨道结构预应力混凝土有碴桥枕、桥用扣件、钢轨胶接绝缘接头、双向曲线 型钢轨伸缩调节器的研究与应用。特别是近年来，为适应铁路高速化、重载化发 展，在京广、京沪、陇海等铁路干线大跨度桥上成功地铺设了无缝线路，进一步 促进了我国桥上无缝线路的发展。但是，桥上无缝线路还是一个热门的主题，还 有待进一步研究和完善u 1 , 2 1 。 对于桥上无缝线路理论研究，我国取得了许多阶段性的成果。二十世纪六、 七十年代，以跨度3 2 m 梁为主要研究对象，在各种形式铺设无缝线路的桥梁上 进行了伸缩力、挠曲力、梁位移、梁温差等各种计算参数的实桥测试和模拟试验， 认识了梁轨相互作用机理，建立了中小跨度桥上无缝线路伸缩力、挠曲力的计算 理论和计算方法。八十年代开始研究高墩桥发生墩顶位移时，对无缝线路纵向力 的影响，进行了梁、墩、支座、钢轨纵向力和位移的实桥综合测试，完成了墩顶 位移、列车制动或牵引等情况下，荷载组合计算方法的研究，为解决高墩、大跨 度桥梁在各种传力方式工况下，纵向附加力的计算方法奠定了基础| 2 2 h 3 0 l 。 1 9 8 7 年卢耀荣采用实验和统计分析所得非线性阻力函数，建立了以梁、轨 相对位移为基本未知量的非齐次微分方程，并用龙格库塔数值解法求解伸缩力和 挠曲力闭。他假设梁的位移与轨道无关，由不同荷载单独作用于梁时的平移与旋 转效应叠加计算出梁的上翼缘位移。当对于位移边界条件和力边界条件校核不满 足时，重新假定路基起始长度。杨少宏采用微分方程解法计算挠曲力1 4 1 1 。他把 阻力梯度曲线进行分段，每段是线性的。由于在一般荷载作用下，简支梁的挠曲 线是位移的3 次函数，对它进行2 次求导就变为线性方程，从而使每个分段得到 硕士学位论文第一章绪论 相应线性方程的解析解。用解线性微分方程的方法代替了解非线性方程。根据阻 力进入下一分段的梁轨位移的分界值和该段微分方程的解析解，又可确定该段微 分方程作用的终点或下一段微分方程作用的起点，分界点的位置定出后就可求出 分界点的梁轨相对位移及其一阶导数值，作为下一阶段不同方程的初值，并确定 下一阶段的阻力，该法也要对位移相容条件进行校核，具有试算性质。文中建议 对挠曲力进行移动荷载下的动态分析。还提出在梁回弹时，位移阻力具有软化的 趋势，但由于涉及到初始残余变形，没有进行具体的分析。 二十世纪九十年代后，有关高等院校、科研院所及铁路局在广深、京广、大 秦、滨卅和兰新等铁路干线桥上做了大量的关于无缝线路的研究和探索，并相继 发表了相关论文或专题报告，大大促进了我国桥上无缝线路理论的发展。1 9 9 3 蒋金州研究了以钢轨位移为基本未知量的挠曲力微分算法【l s h 2 0 ，以起点和终点 钢轨力等于零为边界条件，将钢轨离散为n 个单元，每个单元可以解出含待定 系数的微分方程的解析解。根据不计轨道影响时的桥梁上翼缘位移，利用节点钢 轨位移和钢轨力连续的方法组集成线性方程组解出系数。1 9 9 7 年黎国清，在德 国铁路管理总局铁路新干线上桥梁的特殊规程基础上嗍，针对我国高速铁 路研究简支梁桥上无缝线路钢轨伸缩力、挠曲力、制动力及其传递，建立轨道与 桥梁共同作用的力学模型，分析桥上无缝线路附加力，给出高速铁路桥上钢轨容 许附加应力值，提出桥梁下部结构刚度应有合理下限，或应采取其它措施以使钢 轨附加应力满足要求，并指出墩台项承受的纵向力大于现行的规范取值。1 9 9 8 年卜一之在博士学位论文高速铁路桥梁纵向力传递机理研究中完成了；1 根据既要使模型总体上能为真实地反映纵向位移阻力规律，同时也要考虑计算的 方便性和可靠性的原则，提出了中国高速铁路有碴线路桥梁线桥相互作用关系宜 采用理想弹塑性的纵向位移阻力规律力学模型的建议。通过对道床传力性能与 道床质量关系、国外高速铁路建设的经验教训以及纵向位移阻力系数不同取值对 纵向力传递影响的系统研究提出了纵向位移阻力系数的取值建议；2 提出了适合 中国高速铁路桥梁设计的纵向力计算荷载的取值指标和加载条件的建议；3 建立 了一种经过改进的能考虑各种外荷载，采用非线性连杆模型道碴层的线桥一体化 计算模型，并编制了相应的非线性有限元分析程序；4 通过纵向位移阻力系数、桥 梁下部结构刚度、桥梁跨度及桥梁跨数等对中小跨度桥梁纵向力传递影响的分析， 达到了能够比较清楚地认识纵向力传递规律的目的，进而得出对参数选取、改善 钢轨受力状态和设计实践有指导意义的结论；5 研究了大跨度桥梁钢轨伸缩调节 器的设置问题及大跨度桥梁纵向力传递的特点和规律。其中对于两端设置伸缩调 节器大跨度有碴钢梁建立了有限元计算模型，道碴层采用连杆描述但是桥梁模 型按实际的构造来模拟，这样模型本身就已经包含了挠曲变形。竖向力传递通过 硕士学位论文第一章绪论 节点的主从关系实现。1 9 9 9 年蒋金洲，根据梁轨相互作用力通过梁体传递于设 有固定支座的墩台上，墩台产生挠曲变形，并通过固定支座带动梁体在纵向上的 位移。梁体翼缘与钢轨之间的相对位移发生改变，从而引起粱轨相互作用力的重 分布。采用非线性秆件模拟梁轨问的相互作用特征，由此建立梁轨相互作用的计 算模型。将长轨和桥梁在纵向上离散成n 个单元，分析其受力，建立非线性方 程组。采用通用计算软件计算纵向附加力和位移，计算结果与实验有比较好的吻 合。2 0 0 1 年杨梦蛟等，将线、桥一体的计算模型用平面杆系建, - , r i l l ，将轨道结 构、梁体、支座、墩台和基础作为整体考虑。轨道和桥梁的联结采用非线性梁单 元模拟，其材料弹性模量和屈服应力通过轨道纵向位移阻力与梁轨相对位移的双 折线化拟定；同时为考虑梁跨高度采用刚臂模拟，通过与试验结果比较取得了比 较好的成果，推动了桥上无缝线路计算理论的发展。2 0 0 3 年，江海波、吴迅， 在城市轨道交通桥上无缝线路纵向力的空间一体化模型分析一文中，也提出这种 方法p s 】。陈丹华对简支梁长桥用集中质量法进行简化，将轨、梁、碴、墩的特 性集中于墩台上，根据机车动力学原理得出的轨面制动力时程，对制动作用下的 桥墩进行了动力反应分析。对短桥建立了整体化模型，该文所采用模拟纵向阻力 的抗弯杆件为一端铰接一端固定的计算模型并根据杠杆原理用空间离散法将制 动力离散到桥上节点，获得节点时程，为下一步输入梁轨整体模型进行计算准备。 2 0 0 3 年谢晓辉的硕士学位论文 2 4 1 ，【3 1 1 ，通过假设钢轨纵向力函数，根据其位移和 伸缩力的微分关系得到钢轨的位移函数，结合轨道结构的边界条件和变形协调条 件，运用广义变分原理求解桥上无缝线路纵向附加力，求解结果与试验结果有很 好的统一。2 0 0 4 年潘自立的硕士学位论文桥上无缝线路梁轨相互作用有限元 分析以国内外试验资料为基础并选用合理的力学参数【竭，将轨道结构、桥梁 作为一个整体，划分为杆件单元，支座、墩台、基础作为外加约束，分析其受力 特性。根据梁轨间的力学机理，用非线性弹簧模拟梁轨问的相互作用，采用能量 法建立梁轨间的能量平衡方程。利用广义变分原理，根据对号入座法则，建立桥 上无缝线路有限单元非线性方程组，编制计算程序求解。2 0 0 5 年朱彬的硕士学 位论文桥上无缝线路纵向附加力优化计算及可视化程序设计提出了新的附加 力计算方法 3 3 1 ，并实现了面向对象的计算程序。对既有线桥上无缝线路的改造 提供了支持。中南大学的硕士研究生谢晓晖在陈秀方教授的指导下提出了用广义 变分原理计算无缝线路伸缩力的计算方法。即先根据以往试验和计算结果拟定钢 轨伸缩力的变化函数，再根据钢轨位移和伸缩力的微分关系得到钢轨的位移函 数，从而结合结构的边界和变形协调条件并应用广义变分原理获得所需解答，开 辟了求解桥上无缝线路纵向附加力计算的新领域。2 0 0 5 年李伟强的硕士学位论 文桥上无缝线路梁轨相互作用研究及面向对象程序设计【3 5 】以梁轨相互作用 硕士学位论文 第一章绪论 原理为基础，分析了桥上无缝线路纵向附加力的产生机理，建立了其优化计算模 型该模型以路基地段影响长度( l o ) 和梁轨位移相等点的位置( l i d ) 为未知 量，按照支座处钢轨位移连续协调条件及结构边界条件，构造非线性方程组，采 用l m 算法求解。该模型消除了传统算法中误差积累的影响，提高了计算方法的 效率和稳定性。并且采用面向对象技术，在鲫a ic - h 开发平台上，开发了一套 桥上无缝线路附加力计算软件- - i f b c w r 。软件包括参数输入、图形建模、原始 数据诊断和输出等前处理器ll m 算法附加力计算、桥梁墩台检算系统等运算器； 结果图形和数据的显示及输出等后处理器三大模块。能对混凝土简支梁、连续梁 的伸缩附加力及简支梁的挠曲附加力进行分析，自动绘制出附加力图及粱轨位移 图，并能同步显示结果数据。朱文珍在硕士学位论文铁路桥梁无缝线路纵向附 加力的分析与研究中以国内外研究成果及试验资