（道路与铁道工程专业论文）城市轨道桥梁更换支座对轨道结构影响分析.pdf

中文摘要 摘要：随着地铁、轻轨等城市轨道交通工具的大量投入使用，其运营管理、 维修重要性日益突出。在城轨桥梁维修养护中，桥梁的支座老化损坏等病害极大 的威胁了运营的安全性及旅客的舒适性。妥善解决更换桥梁支座对轨道结构影响 这一技术问题，可更好的指导城轨桥梁的更换支座维修，同时为更换支座后桥上 无缝线路的处理和养护提供理论指导。本文在基于不同桥梁顶升的施工方法基础 上，结合北京城铁1 3 号线的部分桥梁更换支座实际工程，对北京城市轨道无缝线 路高架桥更换支座时对轨道结构性能的影响进行了研究。本文主要研究内容为： 基于有限元分析软件a n s y s 建立了桥上无缝线路三维力学模型；依据某实际工程， 分析计算了三种桥梁形式在不同顶升工况下的钢轨和扣件受力，研究了扣件的合 理拆除范围；对维修后局部钢轨施工锁定轨温的允许范围进行了研究；分析得出 了城轨桥梁更换支座施工的最佳顶升方式、扣件拆除范围和允许施工轨温，为城 轨桥梁更换支座的施工维修提出了一些建议。 关键词：无缝线路；桥梁；更换支座；城市轨道交通； 分类号：u 2 1 3 9 a b s t ra ( 了r a bs t r a c t a b s t r a c t ：o w i n g t ot h em a s s i v eu s eo fs u b w a ya n dl i g h tr a i l ，t h ei m p o r t a n c eo f m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t i nt h ec o n s e r v a t i o no f u r b a nr a i l ，t h eb r i d g es u p p o r t sa n do t h e rd i s e a s e sb e c a m eg r e a tt h r e a t st ot h es a f e t ya n d c o m f o r to f p a s s e n g e r s t i l ea d e q u a t es o l u t i o nt ot h i st e c h n i c a lq u e s t i o nw h i c hi st h e a f f e c t so f r e p l a c e m e n tb e a r i n go f b r i d g et ot h et r a c ks t r u c t u r e ，c a l lg u i d et h e r e p l a c e m e n to f ab r i d g eb e a t i n gm a i n t e n a n c e a n di ta l s op r o v i d e sat h e o r e t i c a lg u i d e f o r t h ec w rc o n s e r v a t i o na f t e rt h er e p l a c e m e n to ft h eb r i d g e t 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h e dt h e e f f e c t so f r e p l a c i n g t h eb e a r i n go fu r b a n r a i l w a yv i a d u c to nt h et r a c ks t r u c t u r eo nt h e b a s i so fs u m m a r i z e st h em e t h o d so f b r i d g em a i n t e n a n c e a n dt h er e s e a r c hu n i f i e st h e t h ep a r t i a lb r i d g er e p l a c e m e n ts u p p o r ta c t u a lp r o j e c t so fb e i j i n g13 l i n e s t h em a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ：b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s e s t a b l i s hab r i d g eo ft h r e e - d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a lm o d e lo f c w r ；b a s e do na na c t u a lp r o j e c t ，c a l c u l a t ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so f t h r e ef o r m so f b r i d g e a n dr e s e a r c ht h er e a s o n a b l er e m o v a ls c o p eo ff a s t e n e r ；r e s e a r c ho nt h ea l l o w e dl o c k t e m p e r a t u r er a i lt r a c kc o n s t r u c t i o no f p a r t i a lm a i n t e n a n c eo f r a n g e b ya n a l y z i n gt h e r e s u l to b t a i nt h eb e s tw a yt or e p l a c et h es u p p o r to fa b r i d g ea n dt h er a n g eo fr e m o v a lo f t h eb e a r i n ga n dp e r m i s s i o no fr a i lt e m p e r a t u r eo fc o n s t r u c t i o n i ts u p p o r t ss o m e r e c o m m e n d a t i o n sf o rt h er e p l a c e m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o nm a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：c w r ；b r i d g e ；r e p l a c i n gs u p p o r t ；u r b a nt r a c kt r a n s p o r t a t i o n c i a s s n 0 ：2 13 9 独创性声明 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：商午毛 签字日期：可 年月卅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：南午。缸 签字日期： 吁年厂月卅日 导师躲允辫 签字日期： 彳年f 月叫日 致谢 本论文的工作是在我的导师谷爱军副教授的悉心指导下完成的，谷爱军副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在学习上和生活 上都给予了我很大的关心和帮助，在此向谷老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，闫子权、刘峰、杨坤、李莹春、艾山丁、徐 田坤等同学对我论文中的研究工作给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1绪论 1 1 引言 自18 6 3 年世界上第一条地铁在伦敦建成通车以来，城市轨道交通已走过一百 多年的历史。在过去的3 0 年里，城市轨道作为一种新型的交通工具，得到了空前 的发展，轨道交通系统趋向成熟，解决了大量的技术、设备、资金和管理难题。 据不完全统计，现在世界上已有4 3 个国家和地区、3 2 0 个城市拥有轨道交通，轨 道交通系统在公共交通系统乃至整个城市交通系统中起着主干骨架的作用。 我国城轨建设起步较晚，但发展迅速。北京是我国最先开通地铁的城市，于 1 9 6 5 年7 月1 日开始修建第一条地铁，到现如今已有l 号线、2 号线、5 号线、8 号线一期、1 0 号线一期、1 3 号线、八通线、机场快轨开通运营。其中，八通线全 部为高架线路，全长1 7 2 k m ，5 号线全长2 7 7 k m ，其中地下线路1 4 8 k m ，地面和 高架线路有1 2 8 k m t 。城轨高架线路设计直接吸收和利用了铁路桥上无缝线路的 研究成果和成熟技术。城市轨道交通作为桥上无缝线路理论的一个良好的实践应 用，为理论的研究提供了大量的实践经验。桥上无缝线路技术已经在城轨建设中 成功应用，并取得了良好的效果。 随着地铁、轻轨等城市轨道交通工具的大量投入使用，其运营管理、维修重 要性日益突出。在城轨桥梁维修养护中，桥梁的支座老化损坏等病害极大的威胁 了运营的安全性及旅客的舒适性。支座的更换改造已日益突出，成为的施工重点 和难点。妥善解决更换桥梁支座对轨道结构影响这一技术问题，可指导城轨桥梁 的支座更换和维修，同时为更换支座后桥上无缝线路的养护提供理论指导。 1 2 国内外桥上无缝线路研究现状 无缝线路是把标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，又称长钢轨线路。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。无缝 线路由于消除了大量钢轨接头，消除了轨道结构的薄弱环节，使得列车运行更加 平稳、高速；能有效的减少列车运行时产生的噪声；降低机车车辆及轨道维修费 用、延长机车车辆及轨道的使用寿命。在桥上铺设无缝线路，可以减轻列车车轮 对桥梁的冲击，改善列车和桥梁运营条件，减少轨道养护维修工作量，延长轨道 部件和桥梁的使用寿命。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 1 国内桥上无缝线路发展研究现状 从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，对中小跨度简支梁、大跨度桥梁的桥上无缝线路受力机理，进行了深入探 讨，为桥上铺设无缝线路提供了理论和方法，为完善无缝线路的理论和扩大无缝 线路的铺设做出了贡献。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【2 ”】。 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。2 0 年代至7 0 年 代初，以跨度3 2 m 梁为主要研究对象，在上承板梁和预应力混凝土梁上铺设无缝 线路，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，试验结果表明，伸缩力不仅受梁温度变化、线路纵向阻力的影响，还与 桥梁跨度有关，但不随桥跨数量的增多而无限增加。各跨的线路纵向阻力存在变 号点。这为研究梁、轨相互作用理论提供了依据【2 j 。 试验还发现，梁因列车荷载作用而挠曲，梁的上翼缘产生纵向位移，使钢轨 产生挠曲力。跨度3 2 m 的上承板梁，固定端的位移量为7 m m ，该处钢轨约产生1 0 0 k n 的纵向拉力，活动端纵向力较小。桥跨两端钢轨纵向力之差反作用于桥梁，并传 给支座和墩台。这一发现证明，挠曲力的作用力在轨道和桥梁的设计中不可忽视。 与此同时我国也开始在大跨度钢桥上铺设无缝线路，并对大跨度钢桥桥面系在温 度变化和列车荷载作用下的变形与轨道产生纵向力的关系进行了研究，拟定了挠 曲力和伸缩力的计算方法。以后相继在武汉、南京、九江的长江大桥上铺设了无 缝线路。 通过纵向力的测试，在研究梁、轨相互作用原理基础上，建立了中小跨度桥 上无缝线路伸缩力和挠曲力的计算理论和方法。经过了实际铺设的检验，所得梁、 轨作用的原理和计算方法方法于2 0 世纪8 0 年代得到了普遍采纳和应用。 我国铁路于上世纪8 0 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，进行了对梁、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，为解决高墩和大 跨度桥梁纵向力的计算奠定了基础。 上世纪9 0 年代以来，按照可靠度理论编制桥梁设计规范时，对大量的挠曲力、 2 伸缩力实桥测试资料进行了统计分析，得到了挠曲力、伸缩力以及有关参数的统 计特征，为桥梁设计预留无缝线路荷载值提供了依据【2 1 。 近年来，我国对桥上无缝线路的研究更加深入。新建桥梁不断采用新的桥式， 给无缝线路的研究带来了许多新课题，推动了无缝线路理论及技术的深入发展。 如：钱塘江二桥是多联、预应力混凝土连续梁桥等利用了焊接护轨来传递纵向力的 新形式，取得了成功。 2 0 0 2 年，我国有在秦沈客运专线跨兴门公路特大桥上进行了桥上设置钢轨伸 缩调节器无缝线路附加力的综合试验研究及在沙河特大桥进行了d f l l 列车的制 动试验。 经过4 0 年实践，我国桥上无缝线路技术取得了明显经济效果。目前，铺设无 缝线路总长超过2 0 0 m 的桥梁约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 型桥上轨道结构如预应力混凝土有砟桥枕、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促进了桥上无缝线路的发展。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【2 焖。 1 2 2 国外桥上无缝线路发展研究现状 1 日本 1 9 6 0 年，日本铁路因为修建东海道新干线需提供桥上无缝线路的设计办法， 对温度变化情况下桥上无缝线路作用伸缩力进行了研究。此后，开始系统研究桥 上无缝线路及其纵向附加力，其无缝线路伸缩力的计算模型和方法是以梁轨相互 作用为基础的，梁轨通过扣件、轨枕和道床组成一个相互作用的力学平衡体系， 线路纵向阻力按常量阻力考虑。1 9 9 6 年，日本铁路在全国新干线网建筑物设计 规范规定了各种跨度桥梁铺设无缝线路的技术条件，且在桥梁墩台的设计中就 考虑了无缝线路纵向力的作用，其新干线的各桥都铺设了无缝线路。 日本在钢桥上铺设无缝线路时，是根据梁长和桥长的不同来决定桥梁支座的 布置方式、伸缩调节器的设置和桥上线路纵向阻力等。在木枕线路、明桥面上， 3 北京交通大学硕士学位论文 跨度6 0 m 及以上的桥梁在其活动端设置钢轨伸缩调节器。伸缩调节器的动程有 6 2 5 m m 、1 0 0 r a m 、2 0 0 m m 之分。跨度6 0 m 以下，桥长大于6 0 m 的桥梁， 将相邻桥跨的固定支座和活动支座设在同一桥墩上，线路纵向阻力取为1 5 k n ( m 线) 。钢桥跨度2 5 m 及以下、桥长不超过7 0 m 时，线路纵向阻力随桥长的增加 而增大，有0 、5 、1 0 k n ( m 线) 之分。但在既有线路上，考虑6 0 k g m 钢轨的发展， 不论梁或桥的长度是多少，线路纵向阻力一律采用1 0k n ( m 线) 。桥上钢轨折断的 容许断缝值：5 0 k g m 钢轨为5 0 m m ，6 0 k g m 钢轨为6 9 m m 。近年来，佐藤彦等人根 据大量的实测结果，更加完善了桥上无缝线路纵向附加力的理论和计算模型。他 们认为，在高架桥和刚构桥上，采用板式轨道结构时，应有相应的纵向力计算方 矗七【2 h 1 3 】 i z , - 、o 2 德国 德国是发展无缝线路最早的国家。德国铁路界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设施。一种是r b s 传力杆，传力杆由一端 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 纵向力，这种结构的桥梁铺设无缝线路时，规定桥跨长度不得超过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，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 在桥的中部，固定支座所在的桥墩是容许水平位移弹性墩，在设徐变联结器处设 置钢轨伸缩调节器。值得注意的是，德国采取增大桥梁墩台刚度的前提条件是广 泛采用空心桥墩。 德国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，否则，桥 梁跨度不能超过3 0 m 。主要参数和铺设条件规定如下： 1 ) 计算伸缩力的线路纵向阻力参数为：夏季2 0 k n ( m 线) ，冬季3 0 k n ( m 线) 。 梁温差：棍凝土梁及结合梁为3 0 。 2 ) 桥上设置钢轨伸缩调节器的温度跨度为：混凝土梁1 8 0 m ，钢梁1 2 0 m 伸 缩调节器的动程为2 0 0 m m 、3 4 0 m m 、5 0 0 m m 、8 3 0i n n 等。 3 ) 铺设无缝线路的多跨简支梁最大跨度为6 0 m ，按结构又分为高架桥和山谷 桥。 4 1 ) 计算纵向力时，应考虑墩身和基础刚度的影响，道床在纵向力的传递中所 起的作用与道床纵向阻力有关。 5 ) 计算伸缩力时，应考虑墩身和基础刚度的影响，道床在纵向力的传递中所 起的作用与道床纵向阻力有关。 6 ) 高速铁路的某些桥梁，设有专门传递纵向力的结构，如：r s b 传力杆、徐 变连接器的传力装置、纵向连接器。 4 7 ) 牵引力和制动力，在长桥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。 3 俄罗斯 俄罗斯对桥上铺设无缝线路的研究也取得显著进展。1 9 7 9 年前，有关无缝线 路技术规程规定，只是在桥长不超过3 3 m 得情况，可不作单独设计铺设无缝线路。 1 9 9 8 年修订得无缝线路铺设、养护维修技术规程放宽了规定，在桥梁单跨不 超过5 5 m 、多跨不超过6 6 m 时，可不作单独设计铺设无缝线路。 4 捷克斯洛伐克 早在1 9 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。 1 9 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。 为了适应修建高速铁路的需要，上世纪6 0 年代中期至8 0 年代中期，国际铁 路联盟试验研究所( o r e ) 完成了桥上制动力和加速力及轨道与上部结构间的相互 作用关系研究，参加的单位有德国联邦铁路、法国国营铁路、原捷克斯洛伐克国 家铁路、奥地利联邦铁路、荷兰铁路等，此项研究偏重于试验，试验准备充分， 测试计划周密，所得的结果极具参考价值，在理论方面也做了开创性工作。o r e 对轨面制动力率和有效制动力率进行了测试工作，测试的桥梁包括混凝土桥、简 支梁桥、连续梁桥、有砟桥和无砟桥等各种桥式，支座则有钢支座及橡胶支座， 测试的结果表明，轮轨间的粘着系数在制动条件下大约为0 2 0 3 ，启动条件下约 为0 3 0 4 ，根据这些试验，o r e 最终确定了轨面制动力率的取值为0 2 5 ，轨面启 动摩擦系数取值为0 3 。有效制动力率与支承结构各部分的纵向刚度有关，并与支 座类型有较大关系，对于钢支座桥梁，其有效制动力率约为1 5 ，而对于橡胶支 座的桥梁，其有效制动力率仅为6 。o r e 梁与轨道相互作用进行了测试，进行无 缝线路轨道和桥梁之间相互作用的长期测试是很费时间和困难的，o r e 在桥上 的制动力和加速力以及轨道与桥梁结构的相互作用专题研究报告了德国联邦铁 路所做的无缝线路和桥之间，随温度变化而相互作用的长期测试数据和结论，其 主要贡献之一，就是证明了温度纵向附加力与年温差有关【2 h 1 3 】。 国外铁路对桥上无缝线路的纵向力问题都偏于安全考虑，制定了主要干线桥 上无缝线路的技术条件，这说明国外铁路对桥上无缝线路的重视程度。 1 3 本文研究背景 随着地铁、轻轨等城市轨道交通工具的大量投入使用，其运营管理、维修问 5 北京交通大学硕士学位论文 题日见突显。北京城铁1 3 号线桥梁已投入运营使用5 年多，桥梁的支座老化损坏 非常严重。本文结合这一工程实际并对不同形式桥梁、不同工况进行了计算，用 于为工程施工提供理论指导。 1 3 1 我国城市轨道交通的发展现状 近年来，我国城市轨道交通得到了突飞猛进的发展。上海建成了我国第一条 高架形式的城市轨道交通线路一一明珠线，北京城市轨道交通线路( 西直门东直门 1 3 号线) 也己经在2 0 0 3 年建成通车，广州、武汉等大中城市也要相继修建高架城 市轨道交通线路。据建设部统计，目前我国内地已经有北京、上海、天津、广州、 长春、大连、武汉、深圳、重庆、南京1 0 个城市建成轨道交通运营，运营里程达 到7 7 8 公里，年客运量达1 6 5 亿人次。其轨道形式以地下线路为主，地面线、高 架线、轻轨、跨座式单轨等多种轨道并存。2 0 1 0 , - , 2 0 1 5 年间，我国规划建设的城市 轨道交通项目总里程达1 7 0 0 k m ，总投资在5 0 0 0 亿元以上。预计到2 0 2 0 年北京将建 成1 9 轨道交通运营线路。其中，中心城区线路1 5 条，市郊线路4 条，加上一些 通往郊区的支线，总长约6 6 0 k m 。上海规划2 0 0 5 - - 2 0 1 2 年间新建8 条轨道交通线 和部分延伸线项目，新建线路总长3 8 9 公里；广州计划到2 0 1 0 年建成总长达2 5 5 公里的城市轨道交通网络；南京规划到2 0 2 0 年为止，除地铁1 号线和2 号线外， 还将陆续建设l 号线南延、2 号线东、西延伸线、宁芜轻轨线一期、6 号线、3 号 线一期、江北轻轨一期等7 条线路，使得南京轨道交通总长度达2 0 1 公里；此外， 深圳、青岛、成都、大连、武汉、重庆、沈阳、杭州等大城市的地铁、轻轨均在 规划建中；济南、兰州、昆明、西安、乌鲁木齐等城市也正在投入研究开发城市 轨道交通事宜，上述诸城市编制的轨道交通线网总里程达3 0 0 0 k m t l 】【5 j 。 1 3 2 城市轨道交通桥梁的特点 城市轨道交通桥梁与普通铁路桥梁相比，具有以下特点： 设计荷载小：我国铁路桥梁设计采用的是中活载，它是考虑蒸汽机车、煤水 车和满载后货车组合后的概化荷载，城市轨道交通一般考虑的是客运，设计荷载 要比中活载轻的多。 设计车速低：普通铁路桥梁设计车速为1 2 0k m h ，近几年来，铁路实现大提 速，线路上行驶的车速已超过1 2 0 k m h ，有的区段达到了3 5 0 k m h 。相比之下，城 市轨道交通设计车速一般只有3 5 5 0 k m h ，高者6 0 7 0 k m h ，最高达到8 0k m h 。 行车密度高：城市轨道交通桥梁上的行车密度要比普通铁路高很多，对于城 6 市轨道交通线路最小行车间隔为1 5 m i n ，一般情况下为2 5 6 m i n 。而普通铁路采用 全自动闭塞信号最小行车间隔为8 m i n ，由于城市轨道交通线路的行车密度高，因 而桥上双线加载概率要高得多。 美观性：城市轨道交通高架桥应与城市景观保持一致，要求美观，工程施工 应力求先进、快速。 成本造价高：制约城市轨道交通发展的主要原因就是造价昂贵、建设周期长， 武汉轻轨的造价在1 6 亿元l 【i i l 左右，造价最低的长春轻轨也要7 0 0 1 万元k m 。而 地铁由于其地下工程费用较高，成本更高，平均相当于轻轨的3 倍多。如广州一 号线和上海二号线约为7 8 亿，北京的复八线约为5 亿元k m ，地质条件较 好的青岛，其造价也达到2 4 34 z , k m 。 永久固定性：城市轨道交通一旦建成不宜调整，由于其建设的投入较大，其 所拥有的专用轨道与整个城市建设形成一体，在其运营过程中，当随着城市建设 的发展、客运需求的变化，如果发生其线路走向、站点设置、运输能力的不适应， 其改建的投入是相当大的，特别是轨道和车站的土建改造几乎是不可能的，因此 其轨道、车站等设施具有永久固定性。 1 3 3 城轨桥上轨道结构形式 城市轨道交通桥梁的特点决定了城轨交通的特殊性，因此在轨道结构选择上， 由于无缝线路的特点尤其适合城市轨道交通安全、舒适、低噪声、长寿命、少维 修的要求，我国上海、北京、武汉以及大连等城市轨道交通线路都采用了无缝线 路轨道结构。城市轨道交通高架线路由于建筑净空及养护维修等方面的原因，一 般多采用无砟轨道结构较多，而无砟轨道相比于有砟轨道，具有稳定性、平顺性、 刚度均匀性好，维修工作量少、简洁易清洗等显著优点，逐渐被世界上许多国家 所认识，并在过去的几十年里，对无砟轨道结构开展了长期、系统的研究工作， 已把它作为城市轨道交通的主要轨道结构型式加以发展和应用。因此本文所建立 的模型均为无缝线路和无砟轨道结构形式。 1 3 4 桥梁更换支座的施工方法 随着已建成的城市轨道交通运营时间的增加，轨道交通的养护维修的重要性 逐渐显现。而城轨中桥梁的支座也在逐渐老化损坏，必须通过更换支座来保证城 市轨道交通安全正常的运营。然而更换支座时不同的施工方案必然会对桥梁上无 缝线路产生不同的影响。妥善解决更换桥梁支座可行时间、施工时拆除扣件的范 7 北京交通大学硕士学位论文 围以及维修后钢轨锁定温度和温度力放散问题，可以更好的指导更换桥梁支座的 工程施工。 1 桥梁顶升更换支座工程的关键问题 混凝土结构桥梁的上部结构基本上是由t 形梁、i 字梁、空心板、实心板、 小箱梁、连续箱梁等类型组成，使用多年后有些桥梁出现病害，维修改造时，往 往需要进行更换支座，调整桥面线形等施工。 顶升前的桥梁状态检测及荷载试验 由于既有桥梁已经使用很长时间，桥梁自身结构能否经得起顶升的考验，存 在许多不确定因素，所以在顶升前及顶升后非常重要的一项工作是桥梁状态检查 和荷载试验两部分内容。 桥梁检查 桥梁检查主要包括外观检查和混凝土强度测量、混凝土碳化深度测量。 a 外观检查。外观检查需查明主体结构裂缝的分步情况，伸缩缝的工作状态以 及外露钢筋的锈蚀等。 b 混凝土强度、混凝土碳化深度测量。即通过测量旧桥的混凝土强度、混凝土 碳化深度，继而评定混凝土桥梁结构的耐久性。 荷载试验 荷载试验分静力荷载试验和动力荷载试验：静力荷载试验主要针对桥梁的控 制截面，即最大正弯矩和最大负弯矩截面，进行等效弯矩加载，测试控制截面的 应力和挠度，评定桥梁的承载能力；动力荷载试验在于了解桥梁结构的动力性能， 确定结构的动力系数，为桥梁顶升前、后对桥梁的结构状态是否出现变化做到客 观真实的反应。 桥梁顶升的安全控制设计一限位措施 桥梁在顶升过程中处于一种飘浮状态如图1 1 所示，由于液压缸安装的垂直误 差及顶升过程中其它不利因素的影响，在顶升过程中可能会出现微小的水平位移， 为避免出现此类情况，需在纵横向设置平面限位装置。限位装置应有足够的强度， 并应在限位方向有足够的刚度。为了保证桥梁顶升的准确性和安全性，分别采用 了纵横两个方向进行限位控制。利用中墩处的横隔梁，在中墩顶安装特制横向限 位支架，桥台处安装纵向限位支架。而纵向限位支架考虑作用在台后的钻孔灌注 桩上，既解决了台后挡土问题又解决了纵向限位的难题。在顶升施工的实际过程 中，桥梁出现了比较明显的纵向位移，此时限位装置对桥梁姿态的保证起到了关 键的保护作用，因此限位装置的设计是项重要内容。 8 莹监一 图l - i 顶升施t 圉 f i g ! 一ij a c k i n g b r i d g e u p w o r k i n g d r a w i n g 桥梁顶升的临时支撑设计 根据桥梁现状情况和受力分析计算，充分考虑各种不利因素的影响，需在桥 梁每个中墩处布置液压缸，并且置于实体横隔梁内，在每侧边桥墩需布置液压缸， 并在每个液压缸的周围布设临时钢支撑，便于分级顶升过程中的检测与调整。在 分级项升过程中，液压缸的每一级行程有限，每一级行程控制在l o m m 。 圈i - 2 顶升旌工囝 f i g1 - 2j a c k i n g b r i d g e u p w o r “n g d r a w i n g 北京交通大学硕士学位论文 桥梁项升过程的同步监测 桥梁的顶升是分级完成的，因此对桥梁的整个运动轨迹、整体姿态、结构的 应力等的监测十分必要，这也是至关桥梁结构安全的重要环节。整个监测过程可 由分级顶升、临时支撑放置、支承垫石旄工、落梁等过程组成。监测内容主要包 括桥梁的整体姿态监测、位移监测、结构内力监测等。桥梁的顶升过程，实际上 就是控制桥梁姿态的过程。在桥梁上布置多个特征点通过监测各特征点实际达 到的位置与预期位置的逼近程度，可以判断和控制项升过程。 翻 鞠嘲 蓬趟 医1 2 i 弋 图1 0 顶升桥梁越工监测图 f i g l 3j a c k i n g b r i d g e u p w o r k i n g m o n i t or i n gd r a w i n g 2 顶升桥梁更换支座的工序流程： 施工前的准各工作顶梁移去既有支座的橡胶板既有支座钢板调 平放入与原设计同规格新橡胶板落粱设纵向辅助限位块恢复轨 道约束拆除顶升设备。 1 4 本文的主要研究工作 当前我国城市轨道交通发展方兴未艾，对于城市轨道交通钢轨、桥梁选 材、选型等还没有达成共识，对于城市轨道交通桥梁更换支座维修研究还有待于 进一步深入，本文以桥上无缝线路理论、梁轨相互作用原理、有限元法、a n s y s 软件分析为理论基础，在总结了桥梁维修的施工方法的基础上，结合北京城铁1 3 号线的部分桥梁更换支座实际工程对北京城市轨道高架桥上无缝线路更换支座对 轨道性能的影响进行研究，本文采用有限元法建立了不同桥梁形式的模型并用 a n s y s 软件对不同种施工工况进行计算，根据计算结果，提出合理的施工方案。 为城市轨道桥梁维修提供相应建议，并为进一步研究打下基础。 本文具体内容如下： 1 用根据梁轨相互作用原理采用有限元法建立梁、轨相互作用三维有限元实体单 元力学模型，并用a n s y s 软件对该力学模型进行了相应的计算分析。 2 主要考虑三种桥梁形式( 7 5 m m 连续梁、5 0 m 连续梁、2 5 m 简支梁) 不同工况条 件下对轨道结构的影响： 通过对该高架桥的理论分析，确定初步的施工方法：采用两种施工方案， 同步顶升桥梁更换支座和分步顶升桥梁更换支座；其中由于支座布置不一 样的缘故，又分为分步顶升更换左侧支座和分步顶升更换右侧支座两种。 分析扣件的受力、拆除扣件的范围和拆除扣件对爬行的影响。 施工锁定后对无缝线路温度力的影响以及对第二年钢轨温度力的影响。 3 三种桥梁形式按照各种不同的工况进行加载。分别计算出钢轨的伸缩附加力、 桥梁伸缩引起的钢轨附加力、由于顶升引起的钢轨弯曲应力、钢轨的附加力及 钢轨的变形、不拆除扣件施工时扣件的受力和拆除扣件施工时扣件的受力、施 工锁定后钢轨的温度力，提取计算所得数据，分析结果并提出可行的施工方案。 北京交通大学硕士学位论文 2 桥上无缝线路模型的建立及参数的选取 桥上无缝线路的受力情况和路基上不同，除受到温度力、制动力、列车动荷 载等的作用外，还受到由于桥梁的伸缩或挠曲变形位移而产生额外的纵向附加力 作用。这种附加力通过扣件和整体道床的传递，在桥跨结构上也形成大小相等、 方向相反的反作用力。所有这些作用力，均将通过桥跨结构作用于墩台上。因此 在设计中必须充分考虑无缝线路与桥梁的相互作用。 2 1 桥上无缝线路模型 2 1 1 梁轨相互作用原理 轨道桥梁一体化模型的计算，运用了梁轨相互作用原理，该基本原理为：由 于列车荷载作用，使桥梁产生挠曲；由于温度作用，使桥梁产生伸缩以及更换支 座顶起时，桥梁产生位移等，桥梁都将相对于钢轨产生位移，因扣件扣压力的作 用，梁轨间相对位移受到约束，因此，梁轨间产生大小相等、方向相反的纵向力， 致使钢轨产生受力和变形。这样桥梁与钢轨组合成一个相互作用、相互约束的力 学平衡体系。任取一微段( 出) 长的钢轨为对象来分析其平衡条件，如图2 1 所示。 p p 叫卜伊p 十皿 图2 - 1 钢轨纵向受力示意图 f i g 2 1l o n g i t u d i n a lf o r c e sa c t e do nr a i l 设钢轨以受拉为正，x 坐标以向右为正，梁的位移和钢轨的位移y 均以向 右为正。梁、轨相对位移为z 为 z = y 一 当钢轨的位移大于梁的位移时，z 为正。 以p ( z ) 表示梁、轨问的纵向约束阻力。当梁产生位移时，可以把p ( z ) 看作是 梁作用于钢轨时的纵向分布荷载。当z 为正时，p ( z ) 取正号，指向左侧。 取yp ：0 ，可得 1 2 桥上无缝线路模型的建立及参数的选取 d e - p ( z ) 出= o 由虎克定律知 d vp 1 = ：一 d xe f 从而有 害d x = 古p e j 又知 d 2 y d 2 zd 2 a 出2出2 出2 将其代入式( 2 1 ) 得 鲁d x = 上ef 尸( z ) 一尝d x z 、7 2 式( 2 2 ) 即为梁轨相对位移微分方程。 2 1 2 钢轨温度力、伸缩附加力的计算 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 顶梁更换支座操作涉及到松开轨道扣件、顶升梁体、更换支座、落回梁体和 紧固轨道扣件几个工序。松开轨道扣件过程中，由于操作时的轨温和锁定轨温( 北 京，2 6 c ) 的差值，会在钢轨中产生扣件松开钢轨温度力。顶升梁体的过程中， 因为设计要求钢轨不人为断开，所以会在钢轨中产生一个钢轨对梁体的约束力。 更换支座和回落梁体对轨道和梁体的受力与顶升前相比，不会有大的变化，但是 工序的操作是在当时施工温度下进行的，这一温度暂称落梁温度。落梁温度与将 来气温的差值会导致梁体的伸缩而在轨道中产生伸缩附加力。紧固轨道扣件时的 温度与将来气温的差值会产生钢轨温度力。顶梁更换支座对桥上无缝线路的主要 影响因素有：由于顶升产生的钢轨弯曲应力、钢轨的附加伸缩力。 钢轨温度力 无缝线路与传统的准轨线路在受力方面的根本区别在于钢轨承受着较大的温 度力。钢轨的温度力是在轨温发生变化，而钢轨不能自由伸缩的情况下发生的。 如果在轨温为t o 时将一段长度为l 且处于自由状态的钢轨两端完全固定，当轨温 相对露上升或下降址时，相当于把钢轨压缩或拉伸了一个对应缸的自由伸缩量 址，于是钢轨内产生了纵向温度力r 。钢轨的自由伸缩量为 a l - 1 口a t l 由虎克定律知，钢轨温度力仉为 1 3 北京交通大学硕士学位论文 q = e e , = e 华：e 访a t ( 2 - 3 ) l a t = t r o 一根钢轨所受的温度力为 p - - 万f f ( 2 4 式中e - - 钥轨的弹性模量，e = 2 1 x 1 0 5m p a ： 口钢轨的线膨胀系数，取1 1 8 x 1 0 - 6 c ： 垃轨温变化幅度，相对零应力轨温的轨温变化幅度( ) ，以升温为正， 称之为温升； 只钢轨温度力( n ) f 钢轨断面积( 咖2 ) 瓦零应力轨温( 锁定轨温) ，即长度被固定的钢轨，当温度力为零时的 轨温。 将e 、口值代入( 2 3 ) ，则钢轨内部的温度应力为： 仃，= 2 4 8 a t ( m p a ) ( 2 5 ) 一根钢轨所受的温度力尸为： p f = 仃，f = 2 4 8at f ( 伸缩附加力 梁因温度变化而伸缩，并带动桥枕位移，桥枕位移使扣件产生纵向力，作用 于钢轨，这一作用力就是伸缩力。 1 f 申缩力计算的基本假设 假设简支梁固定支座能完全阻止梁的伸缩，活动支座抵抗伸缩的阻力忽略 不计。 假设梁轨所承受的伸缩力是通过钢轨扣件传递的，略去钢梁桥枕相对梁的 移动的影响。 假设全桥墩台均为刚性。 2 伸缩力的计算 下面以处于固定区的单孔简支梁为例介绍伸缩力的计算，按图2 2 进行分析。 首先计算梁的位移f 。梁因升温出而伸长，梁的各截面向活动端位移，位移曲线 见图中斜线b g 所示。 1 4 桥上无缝线路模型的建立及参数的选取 卜上一 ；一一1 1 9 v ， ；i 睁 | x 5 t 宝、= - 口 多仑盘一一j 一一。 ，艮乏| r | 图2 - 2 单跨梁增温时伸缩力及梁轨位移 f i g 2 - 2t e m p e r a t u r ef o r c ea n dd i s p l a c e m e n tb e t w e e nr a i la n db e a mo i ls i n g l e b e a m 梁位移量由下式计算： a ；= 仅l ；a t 式中f 一梁截面的位移量( c m ) ； j ，一梁截面至固定支座的距离( c m ) ； a 一梁的线胀系数。钢为1 1 8 x 1 0 石o c ，钢筋混凝土为1 0 x 1 0 。6 o c ； 梁各截面位移时，带动梁上道床、轨枕位移，轨枕位移使扣件阻力作用于钢 轨并使钢轨向梁的活动端位移。钢轨位移受到桥两端线路纵向阻力的约束，活动 端以外的线路纵向阻力阻止钢轨向桥外位移，使活动端附近钢轨产生压力；固定 端以外的线路纵向阻力抵抗钢轨向活动端方向位移，使固定端附近钢轨产生拉力， 从而形成钢轨伸缩力，见图2 2 所示的折线a b 7 k 7 d e f 。同理，若梁因降温而 缩短，固定端附近钢轨产生压力，活动端附近钢轨产生拉力，其数值大小不变， 符号相反。 钢轨因为受到伸缩力的作用，各截面向梁的活动端位移曲线见图2 2 所示的 a b k d e g 其纵坐标即为任一截面f 的位移量，由下式计算： 乃= 舀o f e f 式中 只一钢轨截i $ i 的位移量； 哆一钢轨截面f 以左( 或以右) 的伸缩力图面积之代数和。 由于无缝线路固定区设在桥上，所以由伸缩力引起的钢轨拉伸变形和压缩变 北京交通大学硕士学位论文 形的代数和等于零，即： 罗哆砑= 0 ( 2 6 ) 上式即为计算伸缩力的变形平衡方程，也可以用虼= o 或y ，= 0 表示。也就是 说，在梁的左侧或右侧路基上，伸缩力的始、终点，其钢轨位移应为零。 仅根据变形平衡方程计算伸缩力是不够的，还必须补充一个变形协调方程。 梁上线路纵向阻力的作用方向取决于梁、轨向对位移。如图2 2 所示，梁的位 移量，小于钢轨位移量儿时，纵向阻力阻止钢轨向梁的活动端移动，见图2 2 中 ( 2 ) 的b k 段；当梁的位移量，大于钢轨位移量儿时，纵向阻力使钢轨向梁的活 动端移动，见图中k e 段。因此，梁上产生梁、轨位移相等的截面k ，k 点处线路 纵向阻力改变方向，则以下变形协调方程式成立： y k = a i ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) 即可计算简支梁伸缩力，需要求解的未知量乇和乞。 钢轨伸缩力反作用于梁并传至固定支座和墩台，由于墩台身水平线刚度的影 响，墩台承受纵向力后将产生墩台顶位移。墩台顶位移又将使梁上钢轨伸缩力重 新分布。图2 2 ( 3 ) ( 4 ) 为单跨梁台顶有纵向位移时伸缩力的分步。梁的实际位 移曲线应向上平移万，与x 轴交于d 点，如图中实线所示，则梁的实际位移击由 下式计算： a 矗= a f 一万 ( 2 8 ) 式中万一墩台顶纵向位移， 艿：一t k 丁一作用于墩台的伸缩附加力，单线墩台按桥跨两端钢轨伸缩 力之差计算，即t = 2 ( p b 一只) ； k 一墩台水平线刚度。 将式( 2 7 ) 改写成 n = a 戥 ( 2 9 ) 由图2 - 2 ( 4 ) 可见，梁的位移曲线相对于o 点向两端伸或缩，o 点相当于不动点。 o 点以右，梁各截面位移量相对于虚线减少万，使支座e 处伸缩压力减少；o 点以 左，梁各截面位移量相对于虚线反向增加万。支座b 处伸缩拉力下降。因此，作 用于墩台的纵向力也相应减小。 由上分析，由于墩台身水平线刚度的影响，伸缩力计算的基本方程式为： f i 以 f = 0 【y k2 般 式中 a 般= a 。一万。当万= 0 时，式( 2 7 ) 与( 2 9 ) 相同。所示万= 0 是不计 1 6 一堑圭垂丝垡堕堕型丝堡皇壑窆鍪箜垄墼 一 墩台身水平线刚度的特例。 当桥梁为多跨时( 图2 3 ) ，应根据各墩台水平线刚度分别计算各梁的位移， 方程式为 f q e f = 0 3 y u - 姒 ly k 2 = 厶沁 【了k 开= 娩一 式中研= 移一哆，_ ，= 1 ； 万，：互；婴二型。 j k jk j 方程的边界条件为：工=