（道路与铁道工程专业论文）桥上无砟轨道无缝道岔空间力学研究.pdf

摘要 随着高速铁路和城市轨道交通的发展，出现了桥梁上铺设无缝道 岔的情况。桥上铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路、无缝道岔的技 术特点和难点，是迄今为止无缝线路方面难度最大的课题。虽然国内 外都对桥上无缝线路、无缝道岔做了较多的研究，但大多数是对二者 独立地进行研究。到目前为止，国内外没有对在桥上铺设无缝道岔进 行过较为系统的研究，也缺少在桥上铺设无缝道岔的应用经验。因此 桥上无缝道岔的研究已迫在眉睫。 针对高速铁路桥上多采用无砟轨道的特点，本文重点进行了桥上 无砟轨道无缝道岔的研究，基于有限元法，建立了桥上无缝道岔空间 力学模型，分析了钢轨受力和变形规律，并和路基上无砟轨道无缝道 岔进行对比，得出桥上无砟轨道无缝道岔受力和变形的特点。同时分 析了影响桥上无缝道岔受力和变形的主要因素：桥梁温度变化幅度、 支座布置型式、桥梁跨度、轨温变化幅度、扣件阻力、伸缩调节器、 限位器等。论文还对最不利荷载位置进行了简要的分析。本文的研究 成果，对桥上铺设无缝道岔的设计、铺设及养护具有一定的意义。 关键词：无砟轨道，桥上无缝道岔，有限单元法，空间模型 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fh i g h - s p e e d r a i l w a ya n du r b a nr a i lt r a n s i t t u r n o u t sa r el a i do n b r i d g e c o m b i n gt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d p r o b l e m so fc o n t i n u o u s l yw e l d e dr a i la n d j o i n t l e s st u r n o u t ，t h ep a v e m e n t o f j o i n t l e s st u r n o u to nb r i d g e ，i st h em o s td i f f i c u l ta s p e c t so fc o n t i n u o u s l v w e l d e dr a i ls of a r a l t h o u g hm a n yr e s e a r c h e sa b o u tc o n t i n u o u s l vw e l d e d r a i la n d j o i n t l e s st u m o u th a v eb e e nd o n ea th o m ea n da b r o a d ，n oo n e i st o s t u d y t h e m i n d e p e n d e n t l y u n t i ln o w , n or e s e a r c h e so n p a v i n g o v e r - s e c t i o n j o i n t l e s st u r n o u to n b r i d g eh a v e b e e nm a d er e l a t i v e s y s t e m a t i c a l l y , a n d s oh a s n t a p p l i c a t i o ne x p e r i e n c ey e t t h u si ti s e x t r e m e l yu r g e n tt oc a r r yo u tr e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l d t h eb a l l a s t l e s st r a c kw i l lb e i n c r e a s i n g l ye m p l o y e di nh i g h s p e e d r a l l w a y , s ot h i sp a p e rm a k e sf o c u so nt h er e s e a r c hf o r j o i n t l e s st u m o u to f b a l l a s t l e s st r a c k so nb r i d g e sa st oe s t a b l i s ht h ej o i n t l e s st u m o u ts p a t i a l m e c h a n i c sm o d e lb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n d s t u d yi t sl a wo f f o r c e sa n dd e f o r m a t i o n s t h r o u g hc o n t r a s t i n gw i t ht h er e s u l to f i o i n t l e s s t u m o u to ns l a b ，w eg e tt h ec h a r a c t e ro f t h ef o r c e sa n da n dd e f o n n a t i o n s o 士j o i n t l e s st u r n o u to nb a l l a s t l e s sb r i d g e t h em o s tf a c t o r sw h i c ha f f e c t j o i n t l e s st u r n o u to nb a l l a s t l e s sb i r d g ea r ea n a l y z e d ：s u c ha st e m p e r a t u r e v a n a t l o no fb r i d g e ，a r r a n g e m e n tf o r mo fb r i d g e b e a r i n g ，s p a nl e n g t ho fa b r i d g e ，t e m p e r a t u r ev a r i a t i o no ft r a c k ，r e s i s t a n c eo ff a s t e n e r , e x p a n s i o n j o i n t s ，r e t a i n e re t c i nt h i sp a p e rs u m m a r y a n a l y s i sh a sb e e nd o n eo nt h e p o s i t i o no ft h em o s tu n f a v o r a b l el o a d t h i sr e s u l tc a nb eu s e d t og u i d et h e d e s i g n ，t h ec o n s t r u c t i o na n dt h em a i n t e n a n c eo fjo i n t l e s s s w i t c ho n b r i d g e k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k ； e l e m e n t m e t h o d ；s p a t i a lm o d e l j o i n t l e s st u r n o u to nb r i d g e ；f i n i t e 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中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均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 霪日期：盟年互月堕日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：孟蛰导师签名日期：盟年月经日作者签名：立型导师签名日期：二堑盟年月经日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 研究桥上无缝道岔的目的和意义 道岔是使机车车辆从一股轨道分支进入另一股轨道，或跨越另一股轨道的线 路设备，它的基本功能是实现线路的连接和交叉。线路连接和交叉设备总称为道 岔和交叉，铁路工程界习惯称为道岔【l 】，是铁路轨道的重要组成部分。 桥上无缝道岔是在高速、城市轨道交通、山区铁路上铺设跨区间无缝线路不 可避免的技术难题。虽然德、法、日三国在对我国高速铁路设计咨询时提出应尽 量避免将无缝道岔铺设在桥上，但因我国地质、地形条件复杂，不可避免地要建 造一些高架车站，将无缝道岔置于桥上。目前我国桥上铺设无缝道岔还处于理论 研究阶段，台湾高速铁路虽有一组单开道岔铺设于桥梁上，但运营时间较短、全 部采用的是德国技术。 近年来，国内对桥上无缝线路、路基上无缝道岔的研究、设计及施工等方面 都取得了长足的进步，既有繁忙干线的无缝线路铺设以及新建铁路一次铺设跨区 间无缝线路推动了无缝线路技术的迅猛发展。随着我国客运专线的大规模建设， 在已经批准立项的客运专线中，有多组道岔以各种布置型式铺设于桥上。 桥上铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路、无缝道贫的技术特点和难点，是 迄今为止无缝线路方面难度最大的课题。虽然国内外都对桥上无缝线路、无缝道 岔做了较多的研究，但都是对二者独立地进行研究。到目前为止，国内外没有对 在桥上铺设无缝道岔进行过较为系统的研究，也缺少在桥上铺设无缝道岔的应用 经验。 桥上铺设无缝道俞后，除了桥梁与无缝道岔间的纵向相互作用规律会影响桥 梁结构型式、支座布置等设计，同时还会影响无缝道岔的结构设计、道岔与桥梁 的相对布置( 即车站咽喉设计) 外，桥梁与无缝道岔间还存在竖向动力耦合作用。 由于道岔本身是列车限速的关键设备，存在着较大的结构不平顺，车岔桥的耦合 作用无疑会增大岔区内轮轨动力响应，严重情况下还有可能引起尖轨及心轨强度 储备不足、列车运行平稳性与安全性降低，引起列车直侧向过岔时限速。 目前，桥上无缝道岔研究已经开始引起了各方面的重视。在桥上铺设无缝道 岔涉及到无缝道岔、桥上无缝线路、桥梁对道岔的适应性等相关问题，既要考虑 无缝道岔中钢轨受力和变形的复杂关系，又要考虑桥上无缝道岔的梁轨相互作 用。可见桥上无缝道岔问题已成为制约客运专线轨道设计、施工的技术瓶颈，是 硕士学位论文第一章绪论 我国客运专线建设中急需解决的关键技术问题。因此，桥上无缝道岔是不能单独 用桥上无缝线路或无缝道岔的理论来分析解决桥上无缝道岔的问题，桥上无缝道 岔的研究，可以搞清楚桥上无缝道佾的受力和变形规律，以及桥上无缝道岔的计 算理论和设计方法，用于指导桥上无缝道岔的设计、铺设及养护维修。对我国无 缝线路的发展有着重大意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无缝道岔研究现状 无缝道岔是发展跨区间无缝线路的一项重大技术环节，特别是当轨温相对于 锁定轨温变化时，道岔区钢轨承受的温度力以及产生的位移，将影晌到道岔的强 度和稳定性以及行车的安全性。由于道岔内钢轨接头焊接或胶接，而且道岔两端 与无缝线路长轨条焊连，形成直股和侧股都无轨缝的道岔，所以无缝道岔中钢轨 附加温度力和变形的分析是其设计、铺设和维修的核心和主要难点，关系到跨区 间无缝线路的成败。因此跨区间无缝线路无缝道岔设计方法的研究称为国内外铁 路部门重点关注的课题。 国外如欧洲一些国家铺设了不少无缝道岔，在铺设与焊接工艺上积累了许多 成熟经验，并发展了一些无缝道岔计算理论，如国际铁道联盟委托欧洲铁道研究 所研究了纵向列车荷载下无缝线路的爬行机理、建立了无缝道岔有限元分析模 型。近年来，国内外不少学者都对无缝道岔的受力与变形进行了试验和研究，发 表了一些有关无缝道岔计算的文献，但目前还没有一种成熟的、公认的理论方法。 现将国内外主要计算方法的思路介绍并分析如下： 1 日本铁道技术研究所的杉p jw l 秀明和三浦重等在进行温度力作用下无缝道 岔纵向力分布试验的基础上，提出了计算模型和计算方法。该方法通过导轨与基 本轨位移量的差值建立了两者之间的传力约束表达式f 2 】【3 1 4 1 。其所选用的计算模 型如图1 1 所示： 在提出计算模型的时候，假设基本轨与道床之间是用弹簧相互联结的，其弹 性系数采用试验所得，选用的道床纵向阻力时考虑了阻力与位移的非线性关系。 在此基础上他们通过对基本轨和导轨问传力f 的计算来确定基本轨的附加温度力 及导轨与基本轨间的相对位移。其传力f 由下式确定。 f = k ( 喀一4 ) ( 卜1 ) k 一约束弹簧系数 六一导轨纵向位移 4 一基本轨拉伸或压缩变形量 2 硕士学位论文第一章绪论 上式中岛= 警磊= 岳 a 一钢轨断面积 e 一钢轨弹性模量 7 一轨道纵向阻力 舅1 弼 宪轨板 ：j 豢奉轨 i ( j 霉轨 p 图1 - 1 道岔计算模型 在计算f ，8 3 ，五三个未知量时，可利用所列的三个平衡方程并通过计算机模 拟试算求解。求得f 后，再按基本轨拉压变形量相等( 8 3 = 8 1 ) 的原则，并结合轨 道阻力y 将f 分配。计算中未考虑导轨在传力过程中首先要将一部分纵向力通过 叉枕传递至道床，仅当道床阻力不足以与导轨传来的纵向力相互平衡时，才通过 扣件将剩余的温度力传递至基本轨上，而是将f 全部传递至基本轨上。 2 当量阻力参数法【5 8 】 该法由范俊杰教授1 9 9 3 提出，引入一个“当量参数”来综合考虑各种因素。下 面主要介绍当量参数的含义，具体的理论计算方法和过程可参考其专著【9 1 。阻止 道岔里股钢轨伸缩位移的影响因素较多，但主要有三个：道床阻力、岔枕刚度和 扣件阻矩。由于道岔结构复杂，各部分尺寸变化较大，因而除辙跟外，阻止道岔 里轨伸缩的阻力各处均不相同。为此，在计算道岔旱轨( 导轨) 的伸缩位移时， 采用“当量阻力参数”进行有关计算。其单位当量温度阻力p 为 p = p o + p 口+ p 6 ( 卜2 ) 式中：p 。为道岔各轨线单位道床纵向阻力，其值因岔枕不同而异。对于四 轨线岔枕里侧轨线 风= 是( ，- b ) ( 卜3 ) z “ 外侧轨线( 基本轨) p o = 导- i + b ) ( 卜4 ) 二“ 对于二轨线岔枕 3 硕士学位论文 第一章绪论 p 。：譬 ( 1 - 5 ) p 。为岔枕刚度单位换算阻力 胪生a 熬3 1 0 厂 ( 1 _ 6 ) p 。2 2i = f 鬲， ll b ) i一一4 d 。 口 p 。为钢轨扣件换算阻力 p b ：盟：丝 ( 1 7 ) 2 。2 _ ll 一， l 为岔枕长度，a 为岔枕间距，b 为道岔相邻里外侧钢轨间距，m 为扣件阻矩。 3 超静定结构二次松弛法 兰州铁道学院许实儒教授的超静定结构二次松弛法，其原理是对无缝道岔建 立了具有三个节点的力学模型，经两次放松节点约束，通过递推试算，求出a 尖 轨跟部和辙又的位移以及各轨节的温度力分布。其计算模犁如图1 2 ： 图卜2 二次松弛法计算模型 基本假定：尖轨是个自由端，对温度力分布无影响，故在计算模型中省去。 弹性可弯尖轨跟端与基本轨的联结较弱，不能阻止两者在温度的相对位移，假设 尖轨跟部与基本轨间是固定的，不能相互移动。 根据结构力学解超静定结构的松弛法原理，首先将各节点锁住( 即不允许各 节点产生位移) ，求出此时各轨节的温度力，然后将各节点约束放松( 第一次松 弛) 。这时由于节点左右受力不平衡，必然产生位移，随着节点位移的发展，道 床纵向阻力将发挥作用，直到节点受力取得平衡为止。按此条件即可求得节点位 移和各杆( 轨) 的温度力。后再将尖轨跟部与基本轨间的约束去掉( 第二次松弛) 。 这时导轨将产生相对于基本轨的位移，并引起各轨内力的重分布，从而可求得最 终的分析结果。 二次松弛法的优点是以力学原理为基础的计算方法富有独创性，不足之处是 为满足假设条件在道床纵向阻力的取值上有一定局限性，同时该方法只适用于固 定式辙叉道岔，对于可动心轨式道岔则不能用此模型来分析计算。 4 硕士学位论文第一章绪论 4 可动心轨非线性计算理论【1 m 1 8 】 2 0 0 1 年王平教授提出了无缝道岔非线性计算理论。该法计算中设钢轨节点位 移、节点左边温度力、岔枕节点位移与转角为变量、限位器作用力为变量，根据 这些变量之间的相互有关系和边界条件建立和方程组。根据这些变量之间的相互 有关系和边界条件建立和方程组。钢轨节点受力如图1 3 所示，节点左右钢轨节 点所受作用力如图1 4 所示，节点左右钢轨温度力之差为扣件阻力，由钢轨与岔 枕节点问的相互位移确定。钢轨节点作用力的平衡方程为： + 灭d 一只+ l = + 正 打一u s ) 一只+ l = 0 ( 1 8 ) 钢轨节点t r 印只+ 。 - 一 尺c t 图卜3 钢轨节点受力图 式中，、z + 。分别为钢轨中i 与i + 1 节点左边温度力，r 。为第i 节点处扣 件阻力， “，、u 分别为第i 节点处钢轨与岔枕的温度位移，f 。( a u ) 为扣件阻 力与相对位移的函数关系，甜为节点处钢轨与岔枕的相对位移。 钢轨节点ti + l r 一= t 二j 一r z 一 l 一 ， r tf 图1 - 4 有集中力作用时钢轨节点受力图 当道岔前后岔枕数取得足够多时，即可认为直基本轨位于无缝线路固定区， 温度力大小为只，这样即有温度力边界条件： e = ，只+ r 翻= 只 ( 1 9 ) 式中，1 1 为直基本轨节点数。轨节点i 的力学平衡方程为： p f + r c f f 一只+ l = 0 ( 1 1 0 ) 集中力不影响节点i + l 的力学平衡方程。这样整条钢轨的温度力图为台阶 形。钢轨节点的位移计算，可利用节点温度力图来计算。可建立如下所示的非线 性方程组 f ( u ) = p ( 卜1 1 ) 式中，u 为未知变量，p 为荷载列阵。方程具有强非线性特性，因此在求解 过程中，宜采用荷载增量法并结合牛顿迭代法。 5 两轨相互作用法【1 9 之o 】 5 硕士学位论文第一章绪论 所谓“两轨相互作用原理”，即：无缝道岔的基本轨和导轨分别处于无缝线路 的固定区和伸缩区，随着轨温的变化，导轨克服阻力而伸缩，同时通过联结件和 岔枕对基本轨施加温度力，因而基本轨除产生由温度力产生的“虚应变”外，还由 于承受导轨施加的附加温度力而产生“实应变”，导轨因伸缩而放散部分温度力， 并受到基本轨、岔枕和扣件所施加的反作用力。如此，导轨、基本轨因相对位移 且通过联结件、岔枕相互作用和约束组成一个力学平衡体系。 计算模型如图1 5 所示，图中p r 为温度力，q 为限位器阻力，扎、扎分别 为导轨和心轨、翼轨阻力，n 、兀分别为基本轨阻力及导轨通过岔枕、扣件对基 本轨施加的温度阻力。设导轨、基本轨及岔枕的位移分别为见、万、。对于可 对心轨道岔可列出如下6 个平衡方程，即可求得道岔区温度力及位移分布。 n n 尸i h 刊w 刊nmh卜、叫 饥 p t 卜一一一一1 一一一厂一一t 一一 一。一一一 bm _ 一 p p b r q n 一一乃一j l p 叵幽型坐| 型d 坐i 坐i 图1 - 5 道岔两轨相互作用计算模型 ( 1 ) 长轨条、心轨力的平衡方程 35 一+ n 一+ 吃t 一只= 0 i = l1 = 3 式中p i 为联结心轨与翼轨的间隔铁阻力。 ( 2 ) 翼轨与导轨力的平衡方程 n53 q + _ 曩一一一x ，一只= 0 i = 7i = nt = 5 ( 3 ) 限位器力的平衡方程 q 一( 只+ 只) = 0 ( 4 ) 导轨与基本轨位移相容方程 瓯l 一孱。= 0 ( 5 ) 心轨与基本轨位移相容方程 6 k 2 一p k 2 = 0 ( 6 ) 基本轨力的平衡方程 4 = 0 j 一 6 ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) ( 1 一1 4 ) ( 1 - 1 5 ) ( 1 - 1 6 ) ( 1 - 1 7 ) 硕士学位论文 第一章绪论 6 广义变分原理法【2 1 2 6 j 2 0 0 2 年陈秀方教授提出了“铁路无缝道岔结构体系分析广义变分法”。其数 学方程的建立过程大致思路如下。 ( 1 ) 轨枕力学分析 在无缝道岔结构体系中，轨枕将基本轨与导轨相联结成为整体结构。为了分 析导轨与基本轨的相互作用，必须首先进行轨枕力学分析。视轨枕为弹性地基上 有限长梁，其地基反力与温度位移呈线性比例关系，地基刚度为k ( k n c m 2 ) 。 以直股和侧股完全焊接的道岔为例，轨枕受力具有对称结构，建立u o v 直角坐标体系，三为轨枕长度，y 为导曲线坐标，y 为基本轨作用于一根轨枕的 温度力，y ，为导轨导轨作用于一跟轨枕的温度力。轨枕受力如图1 - 6 所示。 。一 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 图卜6 轨批受力示意图 建立轨枕的弹性线微分方程： 堡+ 4 v ：鱼盟( 卜1 8 ) d 芎8 k 式中： 善= 励是无因子坐标( 口：卢 z 2 ) ； = 南；肛轨枕刚度；g ( 善) 是轨枕的外荷载 方程( 1 ) 的解为： 1 ，= c l k + c 2 e + c 3 e + c 4 + ( 孝) ( 1 1 9 ) 式中： k e 是四个克雷洛夫函数 ( 孝) 是特解，q j ( 4 ) = i 4f l ( 善- t ) q ( t ) d tf 哪 从以上分析可知，式( 1 1 9 ) 建立了钢轨轴向力和轨枕变形曲线的关系。它 是无缝道岔结构体系力学分析的基础。 ( 2 ) 无缝道岔结构体系的变分原理 由势能驻值原理可知，结构体系处于平衡状态时，其势能的一阶变分等于 零。设体系的总势能为仃，即有 5 1 - i = 0( 】一2 0 ) 7 硕士学位论文第一章绪论 无缝道岔结构体系的总能量口由四部分组成： i i = u + + u + u ( 卜2 1 ) 式中奶、踢、协、以分别表示轨枕弯、曲形变位能钢轨轴力作用的应变 能( 包括基本轨和导轨) 道床阻力耗散功和扣件阻力耗散功。 ( 3 ) 边界条件及变形协调条件 基本轨总位移为0 f 1 + c o s ( 瞻警【l i - 争。 m 2 2 ， 翼轨与心轨连接的间隔铁处基本轨温度力平衡方程 一嘲竿+ 觋云s i n c 孚( 1 - 2 3 ， 翼轨与心轨连接的间隔铁处基本轨位移协调方程 佃+ c o 。( 掣) 】+ 厶一伽+ c o s ( 孚) 】_ o ( 1 2 4 ) 限位器处基本轨、导轨位移协调方程 乃一l 一2 一厶= 0 ( 1 2 5 ) 式中 d 、厶j 、么2 、ld 分别表示导轨总变形量、限位器间隙、连接翼轨与 心轨的间隔铁结构间隙、限位器处基本轨温度位移。 将轨枕位移方程及钢轨温度位移函数代入变分方程，可得到含有1 1 个未知 量的非线性方程组，本命题的l1 个未知量是：石，力，五，刀j ，刀2 ， ，易，咖 l t ，p | ，p v o ( 4 ) 无缝道岔结构体系的广义变分方程 设泛函兀= 1 7 + 彩，仍 ( 1 2 6 ) 式中：甜，为拉格朗日乘予 根据拉格朗日乘子法则，结构体系的平衡方程为： 铘 矾 铘 0 r 2 0 1 - i 刮， ：0 ；翌：0 ；一o h ：0 ：一0 i i ：0 ； 7 o f ,7 识 7 a 仇 = o ；哥- o ；篆一o ；嚣一o ； = 0 ；仍= 0 ；缈2 = 0 ( 1 - 2 7 ) 方程( 1 - 2 7 ) 构成非线性方程组，用m o n t ec a r l o 法可求出以上1 1 个未知量 的解答。 8 硕士学位论文第一章绪论 综上所述，国内外关于无缝道岔的计算理论各有特点，但至今还没有一种被 普遍接受的方法，而我国客运专线和高速铁路建设的发展需要一个切实可行的无 缝道岔计算方法。为了满足客运专线和高速铁路发展的客观需要，寻找一个理论 完备并具有工程实用价值的无缝道俞设计和检算方法，已成为广大铁路工程技术 人员一个急待解决的课题。 1 2 2 桥上无缝线路研究现状 桥上无缝线路是跨区间无缝线路的重要组成部分，特别是随着高速铁路的发 展，桥梁数量和跨度迅速增加，使得桥上无缝线路技术的发展越来越得到各国的 重视。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。 1 国外桥上无缝线路的发展 2 7 - 2 9 】 德国是发展无缝线路最早的国家，早在1 9 6 4 年s i e k m e i e r 就对轨道阻力一位 图卜7 钢轨与主梁连接的模图1 8 理想弹塑型阻力 移进行了研究。德国铁路应用有限元方法，根据梁轨相互作用关系建立桥上无缝 线路纵向力计算方法，梁轨间的联结用杆单元模拟( 见图l - - 7 ) ，线路纵向阻力采 用分段线性阻力( 见图1 8 ) 。其桥上大量铺设无缝线路始于高速铁路的修建， 主要技术措施是提高墩台刚度，以适应桥桥上铺设无缝线路的要求。1 9 8 9 年颁 布的铁路新干线上桥梁的特殊规程汇集了有关高速铁路线路构造及桥梁的大 量科研和实验成果，并吸收了各国高速铁路的经验，对高速列车形成的离心力、 牵引力、制动力、及结构温度应力，纵向水平力传递的计算原则、方法作了详细 规定。 在构造方面，为适应线路纵向力传递的需要，铁路新干线上桥梁的特殊规 程着重介绍了联邦铁路研制的r s b 传力杆、液压阻尼式徐变连接器和特种橡 胶支座的构造特点及其作用，以及由于温度变化而引起的焊接长钢轨线路的钢轨 纵向力和支座水平反力的计算方法【3 0 郴】。在构造上，他们将铺设无缝线路的多跨 简支梁按结构分为高架桥和山谷桥，单线的高架桥桥跨小，约为3 0 m ，墩身较短， 约为5 m ，山谷桥的桥跨为4 4 _ _ 6 0 m ，墩身较高，对于跨越山谷的高速铁路桥梁， 9 硕士学位论文第一章绪论 为适应列车高速运行的需要，规定在桥上不得设置钢轨接头。桥上设置钢轨温度 伸缩器的跨度为：混凝土梁l8 0 m ，钢梁1 2 0 m ，伸缩器动程有2 0 0 、3 4 0 、5 0 0 、 8 3 0 m m 等，铺设无缝线路的多跨简支梁最大跨度为6 0 m 。他们还认为，计算纵 向力时，应考虑墩身和基础刚度的影响，道床在纵向力传递中所起的作用与道床 纵向阻力有关，因此，牵引力和制动力在桥梁上一部分通过道床经由梁体传给支 座和墩台，另一部分则由钢轨承受。 德国对桥上无缝线路纵向力的传递很重视，研制了一些专门的纵向力传递措 施。一种是r s b 传力杆。传力杆自一端桥台至另一端桥台连续设置，全桥简支 梁的支座一律采用活动支座，由桥台承受纵向水平力。这种结构的桥梁铺设无缝 线路时，规定桥梁跨度不得超过1 2 0 m ，桥梁总长不得超过3 0 0 m ，桥上不设伸缩 调节器。另一种是相当于水平支座的液压徐变联结器，设在简支梁的梁与梁之间， 或连续梁的端部，连续梁的固定支座设在桥梁中部，固定支座桥墩为容许水平位 移的弹性墩，在设徐变联结器处设钢轨伸缩调节器。其工作原理：梁体的温度伸 缩引起的缓慢变化将由设置在桥上梁缝处的液压传力装置吸收，而影响梁体和轨 道；而在牵引( 制动) 或地震力等快速荷载作用下，由于油来不及经小孔从一个油 腔排到另一个油腔和液体的不可压缩性而产生的阻尼作用，能使水平力直接由液 压传力装置传到相邻的梁体上，从而大大减少了桥墩承受的纵向水平力。 美国、俄罗斯铁路偏于安全地考虑桥上无缝线路的纵向附加力，规定一定跨 度以上的桥上无缝线路要设置伸缩调节器或特殊扣件扣紧钢轨。美国铁路规定， 桥上铺设无缝线路时，跨度大于或等于9 1 4 m 的钢桥或桥长大于1 5 2 3 9 m 、曲线 转角为2 度的桥，在梁的活动端应设置伸缩调节器；桥上轨道要安设弹簧防爬器， 其数量视桥长而定。俄罗斯铁路规定，在跨度大于3 3 m 的桥上铺设无缝线路时， 线路要使用一定数量的k 型扣件扣紧钢轨。在单跨超过5 5 m ，多跨桥长超过6 6 m 的桥上铺设无缝线路时，可按交通部的有关规定直接设计。 早在19 6 1 年，捷克斯洛伐克铁路就开始进行桥上无缝线路研究工作。19 8 5 年，布拉格铁道研究院首席研究员l 费力巴发表论文在热影响情况下长钢轨 与桥梁的相互作用受到各国重视，前苏联、日本铁路专业期刊相继译载。这篇 论文也推动了捷克铁路在桥上推广应用无缝线路。 1 9 8 2 年印度的a s a r y a 和s r a g r a w a t 4 6 1 1 4 7 】按列车轴距划分单元，将梁、 轨系统离散化，用传递矩阵法求解挠曲力。根据某跨梁上前一个截面的位移和力， 可以解得后一个截面的位移和力，考虑了梁体弯曲、墩顶位移的影响，轨道阻力 分有荷阻力与无荷阻力，但仍沿用线性阻力。该方法要假定路基延伸长度，要对 终点的边界条件进行校核，不满足时要重新假设计算，直到满足终点的边界条件 为i 匕。 1 0 硕士学位论文第一章绪论 综上所述，关于桥上无缝线路梁轨相互作用理论，都制定了桥上无缝线路的 技术条件，各国有各自的成果。由于桥上无缝线路本身的复杂性，桥上无缝线路 纵向附加力计算模型的多样选择性，计算方法考虑的收敛性等，使得桥上无缝线 路更加复杂。 2 国内桥上无缝线路的发展 1 9 6 2 年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， 研究桥上无缝线路纵向力的机理，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无缝线路。之后，铁科院、西南 交大、北方交大、长沙铁道学院、兰州铁道学院、铁三院等单位开始系统地对桥 上无缝线路的伸缩力、挠曲力、制动力、断轨力、梁日温差等开展理论研究、模 型试验和现场测试，对中小跨度筒支梁、大跨度桥梁上无缝线路受力机理进行了 深入探讨，为铺设无缝线路提供了理论基础。其中青衣江大桥、水阳江2 号桥， 捞刀河大桥等制挠力的现场试验规模都较为宏大。 7 0 年代初，在上承板梁和预应力混凝土梁上也铺设了无缝线路，并进行了 伸缩力，挠曲力及各种计算参数的实桥测试和模型试验。试验结果表明，温度力 除与温度变化、纵向阻力有关外，还与桥梁跨度有关，且发现各跨存在阻力变号 点；还发现，3 2 m 上承板梁在挠曲作用下固定端位移为7 m m ，该处钢轨拉力约 1 0 0 k n ，活动端纵向力值较小，桥跨两端纵向力之差反作用于桥梁，并传给支座 和墩台。 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，在各种型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【4 8 5 7 1 。 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，文中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，同样对于终点的位移边界条件和力的边界条件 校核，不满足时应重新假定路基起始长度。杨少宏用微分方程解法对挠曲力的计 算，对该问题进行了详细探讨，该文对阻力梯度曲线进行分段线性化，由于简支 硕十学位论文 第一章绪论 梁在一般荷载作用下，其挠曲线为位置的3 次函数，进行2 次求导后变为线性， 在每个分段可以获得相应线性微分方程的解析解，用解线性微分方程的方法代替 了解非线性方程，微分方程函数解的积分常数可以由所在分段起点的梁轨相对位 移及其一阶导数解出。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，该文中还提 出位移阻力在梁回弹时具有软化的趋势，但由于该问题涉及到初始残余变形，没 有进行具体的分析。二十世纪九十年代以来，有关高等院校、科研院所及路局在 广深、京广、大秦、滨州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 蒋金洲【5 8 】研究了以钢轨位移为基本未知量的挠曲力微分算法，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。 2 0 0 3 年江海波、吴迅【”】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，从而引起梁、轨相互作用力的重分布， 采用非线性杆件模拟梁、轨间的相互作用特征，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 个有限单元，分析其受力，建立非线性方 程组，运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。 1 9 9 5 年刘棣华【6 0 】在矮墩桥挠曲力的基础上，着重论述了高墩桥上挠曲力随 墩身的高度增加，墩顶位移增大而急剧减小的规律。 1 9 9 7 年黎国清【6 l 】在联邦德国铁路管理总局铁路新干线上桥梁的特殊规程 基础上，针对我国高速铁路研究简支梁桥上无缝线路钢轨附加挠曲力、伸缩力、 制动附加力及其传递，通过建立线路与桥梁共同作用力学模型，计算分析桥上无 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，并指出墩台顶承 受的纵向力大于现行的规范取值。 2 0 0 1 年杨梦蛟【6 2 】等采用平面杆系建立轨道结构与桥梁共同作用的力学计算 模型，将轨道结构、梁体、支座、墩台和基础作为整体考虑。桥梁和轨道的联结 1 2 硕士学位论文第一章绪论 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。陈丹华的硕 士论文对简支梁长桥用集中质量法进行简化，将轨、梁、砟、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【6 3 j ，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 年潘自立畔j 的学位论文桥上无缝线路梁轨相互作用有限元分析，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间的相互 作用，采用能量法建立梁轨问的能量平衡方程。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元非线性方程组。 2 0 0 5 年朱彬【6 5 j 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，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。 2 0 0 5 年李伟强旧6 j 的硕士学位论文桥上无缝线路梁轨相互作用研究及面向 对象程序设计以梁轨相互作用原理为基础，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 0 ) 和梁轨 位移相等点的位置( l k i ) 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 v i s u mc 抖开发平台上，开发了一套桥上无缝线路附加力计算软件- - i f b c w r 。 朱文珍【67 j 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料为基础，采用分段线性理想弹塑性纵向阻力型 式，建立传力明确、易于编程并能模拟梁轨相互作用原理的线一桥一墩一体化有 限元计算模型，运用能量变分原理建立力学求解方程组，并用荷载细步增量法求 解。研究了铁路简支梁桥、一般连续梁桥、新型铁路桥梁的纵向附加力及其特性。 唐乐【6 8 j 在硕士学位论文大跨度桥梁墩台纵向水平线刚度对桥上无缝线路 纵向附加力的影响研究中在综合大量国内外理论研究和试验成果基础上，系统 分析了桥上无缝线路纵向附加力计算原理及研究现状，并在综合考虑梁轨相互作 硕士学位论文第一章绪论 用，墩顶位移，桩土相互作用的基础上结合有限元理论建立了“轨一梁一墩一基 础 一体化有限元模型，采用变量阻力参数，利用m a t l b 语言编制了桥上无缝 线路纵向附加力计算程序。在此基础上运用该程序结合实际工点计算分析了桥梁 墩台纵向水平线刚度对桥上无缝线路附加力的影响，并结合桥墩线刚度控制条件 探讨了连续梁桥墩纵向水平线刚度的限值。 2 0 0 5 年徐庆元【6 9 】的博士学位论文高速铁路桥上无缝线路纵向附加力三维 有限元静力与动力分析研究建立了梁、轨纵向相互作用有限元空间力学模型， 该模型能够更准确反映高速铁路桥梁复杂受力情况，并能够考虑单线行车( 制动) ， 双线对向行车( 制动) 各种工况梁、轨相互作用。 2 0 0 6 年李保友【7 0 】的硕士学位论文提速干线钢桁梁桥上无缝线路纵向附加 力研究中建立了轨道一道砟一梁一墩台为整体结构的纵向附加力计算有限元模 型，按照“对号入座法则采用c + + 语言编制了计算钢桁梁桥上无缝线路纵向附 加力的程序，采用荷载细部增量法求解非线性方程组。 1 2 3 桥上无缝道岔研究现状 桥上无缝道岔是客运专线和城市轨道交通快速发展过程中出现的一种新型 工程结构，综合了桥上无缝线路和无缝道岔的技术特点和难点，涉及到比较复杂 的桥梁和道岔的相互作用关系。桥上无缝道岔的研究，可以搞清桥上无缝道岔的 受力和变形规律，以及桥上无缝道岔的计算理论和设计方法，用于指导桥上无缝 道岔的设计、铺设和养护维修。国内关于桥上无缝道翁伸缩力与位移的研究刚刚 起步。 目前，国内外还没有成型的桥上无缝道岔的经验，日本在试验线上铺设了一 段桥上无缝道岔，但没有正式投入运营，我国的台湾省也准备在桥上铺设无缝道 岔。国内对桥上无缝道岔的研究如火如荼，多家高校、科研单位都对桥上无缝道 岔进行了不同程度的研究。 王平、杨荣山【j 7 1 】建立了道岔一桥梁一墩台一体化模型，以6 0 k g m 钢轨1 2 号可动心轨道岔为例，分析了在长大连续梁上铺设无缝道俞及伸缩调节器时，墩 台及钢轨的受力与位移规律，探讨了无缝道岔布置方式、无缝道岔与伸缩调节器 的距离等因素的影响。 2 0 0 5 年高亮、刘衍峰、孙大新等【7 2 琊】利用a n s y s 分别针对路基上有砟与无 砟、桥上有砟与无砟道岔建立了无缝道岔的伸缩力一体化模型、在同样参数条件 下，得出桥上无缝道岔区别于路基上无缝道岔的一般规律。 李秋义【7 6 1 基于a n s y s 二次开发技术提出桥上无缝道岔非线性有限元分析 方法，并编制计算程序进行了桥上无缝道岔温度力分析。 1 4 硕士学位论文 第一章绪论 陈秀方、曾志平7 7 。7 9 1 将钢轨和梁体视为杆单元，轨枕视为梁单元，扣件阻力、 道床阻力、限位器阻力、间隔铁阻力以及墩台纵向刚度视为弹簧单元，建立了计 算桥上无缝道岔( 渡线) 伸缩力与位移的有限元力学模型，根据能量变分原理和 形成矩阵的“对号入座法则建立了模型求解的非线性方程组，计算了温度荷载 作用下，桥上无缝道岔( 渡线) 受力与位移规律，分析了设计参数对桥上无缝道 岔受力与位移的影响。 刘学毅、万轶1 8 0 1 针对桥上无缝道岔进行了1 ：3 的模型试验和研究。 北京交通大学采用有限单元法建立了有砟桥上无缝道岔的纵向伸缩力模型， 通过与普通路基上无缝线路的对比，以及对各种影响因素的对比研究，分析了有 砟桥上无缝道岔伸缩力的一般规律。而后又建立了无砟桥上无缝道岔的纵横向伸 缩力模型，分析了无砟桥上无缝道岔伸缩力的一般规律。 1 3 本文的研究意义和特色 客运高速化、货运重载化是当今世界铁路发展的主流方向，其线上轨道结构 一般采用跨区间无缝线路，而作为构成跨区间无缝线路的关键设备的无缝道岔备 受关注。众所周知，道岔是轨道的薄弱环节，其构造、受力和变形都比较复杂。 为了减d , y u 车施加给道岔的冲击和振动，把道岔内的钢轨接头焊接起来，消除了 钢轨接头，简化了道岔结构，增加列车运行的平顺性和舒适性。 随着铁路客运专线的建设和既有线的提速改造，无缝道岔将部分或全部铺设 在桥上，另外，无砟轨道以成为高速铁路、客运专线轨道结构发展的必然趋势， 对于3 0 0 3 5 0 m h 的铁路，无砟轨道结构被认为是首选方案。因此有必要对桥上 无砟轨道无缝道岔的温度力及位移规律做系统的研究。 目前无缝道岔和桥上无缝线路的研究较多，