（道路与铁道工程专业论文）城市轨道交通桥上梯形枕轨道纵向力分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 梯形轨枕是一种新型的轨道结构形式，由于结构上的差异，桥上梯形轨 道无缝线路纵向力传递机理与常规桥上无缝线路有所不同，而目前梯形枕的 使用和研究尚处于起步阶段，对纵向力问题研究尚少。 针对以上情况，本文在国内外研究成果的基础上，完成了以下几方面的 研究工作： ( 1 ) 通过总结以往梁轨相互作用力学模型的规律及假设条件，阐述了用 传统线桥模型分析桥上梯形枕轨道存在不合理之处；针对桥上梯形轨枕的结 构特点，建立了一种实用的城市轨道交通简支箱梁桥轨枕桥纵向一体化分 析模型。 ( 2 ) 采用实际工程设计参数，用建立的轨一枕桥纵向一体化计算模型对 5 3 0 m 简支箱梁桥上梯形枕轨道各种荷载作用下的纵向附加力进行计算，选 取最不利工况与传统模型的计算结果作相应对比，发现了轨枕、凸台及弹性 支承在计算梯形枕轨道纵向力问题时不可忽略 ( 3 ) 结合梯形枕的特点，重点考虑了凸形挡台胶垫刚度、弹性支承摩阻 力、扣件阻力各值对纵向力分布的影响，探讨了城市轨道交通高架桥上梯形 轨枕无缝线路伸缩力、挠曲力、制动力、断缝值随各影响因素的变化规律， 在此基础上探讨这些参数的合理取值。 关键词：城市轨道交通，梯形轨枕，梁轨相互作用，凸形挡台，弹性支 承，摩阻力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t l a d d e rs l e e p e ri san e wt y p eo ft r a c ks t r u c t u r e t h et r a n s f e rm e c h a n i s mo f l o n g i t u d i n a lf o r c e so ft h er a i le q u i p p e dw i t hl a d d e rs l e e p e r so nb r i d g ei sd i f f e r e n t f r o mt h a to ft r a d i t i o n a lb a l l a s t l e s st r a c kb e c a u s eo fs t r u c t u r a l d i f f e r e n c e s c u r r e n t l y , h o w e v e r , t h er e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o no fl a d d e rs l e e p e rr e m a i n si n i t si n f a n c y , s ot h er e s e a r c ho nl o n g i t u d i n a lf o r c e si ss t i l lf e w t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i si so nt h eb a s i so ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n i nv i e w o ft h ea b o v e - m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h i st h e s i sa c c o m p l i s h e dt h ef o l l o w i n gs t u d i e s ： ( 1 ) t h i st h e s i se x p l a i n e dt h a tt h e r ee x i s t e ds o m ei r r e g u l a r i t i e si na n a l y z i n g t h er a i le q u i p p e dw i t hl a d d e rs l e e p e r so nv i a d u c t sb yu s i n gt r a d i t i o n a lr a i la n d b r i d g em o d e ld i r e c t l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a i le q u i p p e dw i t hl a d d e r s l e e p e ra n du r b a nr a i lt r a n s i tb r i d g e ，t h i st h e s i sp r o p o s e dap r a c t i c a ll o n g i t u d i n a l i n t e g r a t i o na n a l y s i sm o d e lc a l l e dr a i l s l e e p e r - b r i d g ei ns i m p l e d e c kb o x - g i r d e r b r i d g e i nu r b a nr a i l t r a n s i t ，s o a sf o rc o n v e n i e n c eo ft h e a n a l y s i s o ff e a s o f t w a r e s ( 2 ) t h i st h e s i s h a s c o m p u t e d t h e l o n g i t u d i n a lf o r c e s o fe a c hw o r k i n g c o n d i t i o nb yu s i n gt h ee s t a b l i s h e dc o m p u t a t i o nm o d e la n dd e s i g np a r a m e t e r si n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t a k i n g5 - s p a n ，3 0 ms i m p l e - d e c kb o x g i r d e rb r i d g ea sa l l e x a m p l e ， a n dc o m p a r e dt h ec o m p u t a t i o nr e s u l ti nt h em o s td i s a d v a n t a g e o u s w o r k i n gc o n d i t i o nw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s ，a n de v e n t u a l l yc o n c l u d e dt h a ts l e e p e r , c o n v e xr e t a i n i n gp l a t f o r m ，e l a s t i cs u p p o r ts h o u l d n tb en e g l e c t e dw h e na n a l y z i n g t h el o n g i t u d i n a lf o r c e ( 3 ) t h i st h e s i sh a sc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo ft h ev a l u eo ft h es t i f f n e s so f c o n v e xr e t a i n i n gp l a t f o r m sc u s h i o n ，f r i c t i o n a lr e s i s t a n c ee l a s t i cs u p p o r t ，f a s t e n e r r e s i s t a n c eo nt h e l o n g i t u d i n a lf o r c e s ，s t u d i e d t h e c h a n g i n g r u l e so ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 c o n t r a c t i l i t y 、f l e x u r a lf o r c e 、b r a k er e s i s t a n c e 、v a l u eo fb r e a k i n gjo i n to fc o n t i n u o u s w e l d e dr a i l e q u i p p e d l a d d e rs l e e p e ro nu r b a nr a i lt r a n s i tv i a d u c t sa st h e i n f l u e n c ef a c t o r sc h a n g e d ，a n dt h e ne x p l o r e dt h er e a s o n a b l ev a l u eo fp a r a m e t e r s o nt h eb a s i so ft h ec h a n g i n gr u l e s k e yw o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ，l a d d e rs l e e p e r ，i n t e r a c t i o nb e t w e e ng i r d e ra n dr a i l ， c o n v e xr e t a i n i n gp l a t f o r m ，e l a s t i cs u p p o r t ，f r i c t i o n a lr e s i s t a n c e 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 本文建立了城市轨道交通轨一梯形枕一桥纵向一体化计算模型，在传统模 型的基础上，结合梯形轨枕的特点，考虑了轨枕层、凸台胶垫及弹性支承的 影响，对各种荷载作用下的纵向附加力进行计算，并与传统模型的计算结果 作相应的对比，阐述了在计算梯形轨枕纵向力时上述因素不可忽略。 ( 2 ) 结合梯形轨枕的特点，分别讨论了凸型挡台胶垫刚度、弹性支承摩擦系 数及扣件阻力对纵向附加力分布的影响，探讨了城市轨道交通桥上梯形轨枕 无缝线路伸缩力、挠曲力、制动力、断缝值随各影响因素的变化规律，为城 市轨道桥上铺设梯形轨枕提供一定的设计依据。 叁釉 ， i 细( j 。6 7 西南交通大学四陶父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l - 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酬使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：泖多多b 黍物 i 指导老师签名： 瓠形 日期：卅二b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，我国城市轨道交通得到了突飞猛进的发展，发展轻轨高架铁路 是缓解大城市交通的必由之路。上海建成了我国第一条高架形式的城市轨道 交通线路明珠线，北京城市轨道交通线路( 西直门东直门) 也己经在2 0 0 3 年建成通车，广州、武汉等大中城市也相继修建城市轨道高架交通线路。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。 桥上无缝线路的受力特点与路基上的无缝线路不尽相同。由于桥跨结构 因温度变化而伸缩，同时受到列车荷载作用而挠曲，因此，桥上无缝线路除 受车辆荷载作用的竖向力、轨温变化引起的温度力和列车制动作用外，还将 受到桥跨结构伸缩变形引起的伸缩力和挠曲变形引起的挠曲力。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。桥上无缝线路钢轨 一旦断裂，不仅危及行车安全，也将对桥跨结构施加断轨力。所有这些作用 力，还将通过桥跨结构而作用于墩台上【l 2 j 。 在轻轨高架线路的设计中，纵向力分析是一个很重要的问题，对此，目 前尚无相应的规范来指导；城市轨道交通高架桥上无缝线路设计的研究，最 早起源于在铁路桥上铺设无缝线路，但是城市轨道交通与大铁路相比有其自 身的特点，按照大铁路或其它设计规范来进行城市轨道交通无缝线路设计， 许多设计参数并不适宜，在一定的程度上缺乏合理性；随着轨道技术的不断 革新，新的轨道形式不断出现，既有的分析方法是否适宜，仍需要深入探讨， 结合轨道形式进行高架桥上无缝线路线桥模型及理论的分析研究成为无缝线 路纵向力分析的新途径，对新型轨道形式的参数选取也有一定的指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 桥上无缝线路发展概况 1 2 1 无缝线路发展概况 无缝线路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嗓声； 机车车辆及轨道维修费用低、使用寿命长。无缝线路以其无可争议的优越性 为各国铁路所承认，各国铁路竟相发展无缝线路，目前已累计铺设3 0 多万千 米。近年来，我国铁路无缝线路的发展也很快，截止到1 9 9 9 年底全路累计铺 设无缝线路2 7 1 3 0 千米【l 】，技术上也有了很大进步。 1 2 2 我国城市轨道交通高架桥无缝线路发展概况 2 0 0 0 年1 2 月我国第一条高架城市轨道交通线上海城市轨道交通明珠 线，建成通车后，城市轨道交通高架桥在我国很多城市大量兴建。据统计， 目前正在建设和已经建设的高架城市轨道交通项目已经占到城市轨道交通线 路长度的4 。我国城市轨道交通一般均采用了无缝线路轨道结构，如图1 1 ， 目前国内在建和已建成轨道交通高架桥统计见表1 1 【3 j ： 表1 - 1 国内主要城市轨道交通高架形式一览表 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图卜1 城市轨道交通无缝线路 城市轨道交通桥梁与普通铁路桥梁相比，具有以下特点：城市轨道交 通线路轨道采用无碴轨道结构较多，而普通铁路主要以有碴轨道结构为主。 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，比现行铁路实际运营的荷载要大：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 0 k 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 y n ，有的区段达到了1 6 0 k m h ，但通过一些中等跨度的钢 梁桥的速度一般不允许大于1 2 0 k n g 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 ，高的有6 0 7 0 k m h ，最高达l j 8 0 k 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得多，对于城市轨道交通线路最 小行车间隔为15 m i n ，一般情况25 6 r a i n 。而普通铁路用全自动闭塞信号最小 行车间隔为8 r a 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。城市轨道交通高架桥应与城市景观保持一致，要求美观， 施工应力求先进、快速p j 。 上述城市轨道交通的特殊性决定了城市轨道交通桥上无缝线路设计参 数、考虑的因素等都不同于普通铁路，按照大铁路或其它设计规范来进行设 计浒多设计参数并不适宜，在一定的程度上缺乏台理性，针对城市轨道交通做 一些参数化探讨是必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 桥上无缝线路纵向附加力研究概况 试验研究是梁、轨纵向相互作用研究的重要环节，但由于试验条件的限 制，试验技术的不完善以及试验费用的高昂，单靠试验研究有着很大的困难 和局限性。在理论计算分析的基础上，进行必要的试验研究，以验证计算模 型的正确性，在此基础上，用计算模型对各种未知工况进行理论计算分析， 找出其中规律，并在可能的条件下，再进行室内或现场测试验证，以更好设 计桥上无缝线路，显然是有积极意义的。前苏联学者b n 鲍列耶夫柯提出了一 种计算桥上无缝线路制动附加力的解析方法【5 】。理论分析基于如下假定：视 轨道为两端固结或两端自由的弹性杆，两端桥头路基上的长度取为2 5 米，作 用在轨面上制动力为换算均布荷载，将桥墩纵向刚度的影响用桥台之间的纵 向分布的弹簧基座来模拟。该方法虽然应用方便，但路基长度取值偏小，微 分方程中也没有计及梁体弯曲的影响。 捷克的f 哆b a 提出了线性纵向位移阻力规律和线桥相互作用的计算 】， 此模型考虑了纵向力在钢轨、桥面系、墩台中的分布，但未考虑梁的挠曲作 用和墩顶位移及活动支座摩阻力的影响。 印度的a s a r y a 与s r a g r a w a l 发表了关于纵向力问题从试验到计算多方 面的研究工作【l0 1 ，提出了采用传递矩阵法求解线桥相互作用的方法，这种方 法要假定路基线路长度，且最后要对终点的边界条件进行校核，不满足时要 重新假设，重新求解，传递矩阵法解题能力有限，在分析长大桥梁时，因未 知数多而显得力不从心。 联邦德国铁路管理局颁布的铁路新干线桥梁的特殊规程( d s 8 9 9 5 9 ) 是对德国多年的纵向力研究经验的总结【1 1 1 3 】，采用有载和无载的理想弹塑性 阻力模型对温度和制动作用下的钢轨附加应力和固定支座反力的计算给出了 明确的规定。此模型的优点是易于用有限元理论实现，能够全面模拟纵向力 的传递过程。但模型没有考虑梁的挠曲作用，应该说是不完善的。 9 0 年代以来国外许多有关无缝线路计算的论文都采用有限元法对纵向力 进行分析计算【r 丌，荷兰的c o e n r a a de s v s l d 在其编著的“m o d e r nr a i l w a y t r a c k ”一书中对纵向附加力进行了专门讲述，并总结了国际上流行的几种阻 力模型。 国内于2 0 世纪6 0 年代初开始铺设桥上无缝线路后，就展开了对线桥相互 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 作用的研究工作，到7 8 0 年代初已取得较大进展。 铁道部科学研究院卢耀荣发表“桥上无缝线路挠曲力计算”【l8 1 ，建立了以 梁、轨相对位移为基本未知量的非齐次微分方程，并用龙格一库塔法求解伸 缩附加力及挠曲附加力。计算时要假定附加力起点，根据计算终点力的边界 条件及位移边界条件进行校核，只有一个未知参数，考虑因素较多，求解比 较简单。但该法只有一个未知参数，当桥梁很长时，容易造成误差累积。对 于连续梁等复杂形式桥梁，梁的纵向位移没有解析公式可用，先用有限单元 法求解梁的位移曲线，分两步计算，比较繁琐。 兰州铁道学院许实儒教授指导的硕士研究生杨少宏的学位论文“桥上无 缝线路挠曲力研究”【l9 1 ，用微分方程解法对挠曲力的计算从另一个角度进行了 详细的探讨。文中建议对挠曲力进行移动荷载作用下的动态分析。 由铁道部科学研究院卢耀荣研究员指导的硕士研究生蒋金洲的学位论文 “大跨度连续钢桁梁桥焊接长钢轨伸缩力与挠曲力的计算”【2 0 1 ，研究了以钢轨 纵向位移为基本未知量的微分方程解法。以起点及终点钢轨力等于零为边界 条件，将钢轨离散成n 个单元，每段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，利用节点钢轨和钢轨力连 续的方法组集线性方程组解出系数。 随着计算机性能的提高及有限元技术的发展，越来越多的学者利用有限 元法进行轨、桥纵向相互作用机理的研究。 西南交通大学龙翔教授指导的两位硕士研究生蔡成标和王天伟分别从模 型试验和有限元计算的角度对制挠力进行了研究【2 1 2 2 1 ，认为桥墩纵向刚度差 别将给高墩桥的纵向力计算带来较大的误差，用l o 竖向静荷载叠加挠曲力 来代替制挠共同作用时的纵向力进行设计将造成较大误差。 铁道部科学研究院杨梦蛟和孙璐完成的青年科学基金课题“轨道结构对 梁体减载作用”中，通过纵向阻力模型试验，根据相似原理对轨排纵向位移阻 力与桥轨相对位移关系进行了回归，得到有载与无载作用下的非线性位移阻 力表达式。建立了两端刚结的抗弯杆件的剪切刚度来模拟纵向阻力的梁轨一 体化模型，并用有限于软件a l g o r 9 3 对纵向力进行了非线性分析，和微分方 程解法进行对比，能较好的吻合。 铁科院铁建所庄军生研究员等完成的“高速铁路桥梁纵向力传递体系的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ， 研究”，从国内外铁路桥梁纵向力传力体系的研究经验出发，通过计算并结合 试验对拉压连接器进行了研究，在整体模型中采用混合单元，桥梁采用平面 矩形单元，轨道和水平拉杆为杆单元，用a l g o r 粘合后采用线性阻力进行计 算，结合高速铁路的发展形势，分析了阻力、跨度、跨数及不同支座类型等 因素对常用多跨简支梁桥梁轨纵向相互作用的影响。 西南交通大学卜一之在其博士论文“高速铁路桥梁纵向力传递机理研 究”【2 3 j 中针对简支梁桥、连续梁桥、大跨度钢桁梁桥分别建立了相应的有限元 静力力学模型，编制了相应的非线性有限元分析程序，对纵向位移阻力系数、 桥梁下部结构纵向刚度、桥梁跨度及桥梁跨数等对中小跨度桥梁纵向力传递 影响，进行了详细的研究，并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。对各种纵向阻力、制动力率、加载 长度等参数取值提出了建议。 铁道部科学研究院阴存欣在卜一之力学模型的基础上，针对具体桥梁进 行了相应的改进，研究了线桥相互作用的静力非线性问题及动力问题【2 4 】。论 证了微分方程法与有限单元法解的一致性，结合红水河桥的线路改造，对其 纵向受力特性及钢轨伸缩调节器的合理布置形式进行了研究；以列车制动原 理为基础建立并求解纵向力平衡方程，得出轨面制动力率的计算值，并以芜 湖长江大桥为例，以所得的制动荷载谱输入到线桥系统，研究了该桥在不同 的初速度、不同的轨道结构、不同的纵向阻尼等因素下的纵向动力反应；最 后，进一步将有限元程序和可视化语言相结合，编制了界面友好的仿真软件， 实现了桥梁挠曲变形的同步动画显示。 同济大学田振在其硕士论文中建立了一种经过改进的，能考虑各种外荷 载，采用非线性连杆模拟小阻力扣件的城市轨道交通线桥相互作用有限元力 学模型2 5 1 ，并编制了相应的平面非线性有限元程序，并对扣件阻力、桥跨数 目、无缝线路固定区和伸缩区、桥梁下部结构刚度等对纵向力传递影响进行 了分析。其创新之处在于将桥墩纳入梁、轨一体化力学模型，并考虑了桩土 相互作用。 同济大学江海波【2 6 】运用梁、轨间阻力系数的概念和梁、轨间的阻力从线 性转非线性的性质，分析计算桥梁和钢轨的相互作用力，运用“m 法计算基 础纵向刚度，在此基础上，建立了城市轨道交通桥梁无缝线路纵向力的空间 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 一体化力学模型，编制了非线性有限元程序，通过实例进行了模型验证。 中南大学徐庆元博士论文“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”【2 7 】中，在国内外研究成果基础上，结合高速铁路桥梁 特点，建立了梁轨相互作用三维有限元静力及动力计算模型，并用所建立的 模型对高速铁路梁轨纵向相互作用进行了较深入研究。 东南大学岳力强在其硕士论文“城市轨道交通连续刚构桥上无缝线路设 计研究”【2 8 】结合广州轨道交通六号线桥梁设计的工程实践，采用了一种连续刚 构桥上无缝线路纵向力计算模型，对城市轨道交通连续刚构桥上无缝线路各 种纵向力进行了研究，并提出了一些减少钢轨和桥梁所受纵向力的设计建议。 西南交通大学徐锡江硕士论文“大跨桥上纵连板式轨道纵向力计算研 究”【2 9 】基于大跨桥上纵连板式轨道结构特点及纵向传力特点，在梁轨相互作用 原理基础上，采用梁单元和弹簧单元模拟各结构层，应用a n s y s 有限元通用 软件建立了大跨桥上纵连板式轨道纵向力计算模型，计算分析了各种工况下 大跨桥上纵连板式轨道的纵向力。大跨桥上纵连板式轨道的纵向力，分析了 滑动层摩擦系数、轨道板( 底座板) 伸缩刚度以及固结机构设置对大跨桥上纵 连板式轨道纵向力的影响，提供了研究桥上铺设新型无砟轨道纵向附加力的 新思路。 国内以往对于桥上无缝线路纵向力的研究主要集中在普通铁路上，近几 年对于客运专线、高速铁路、城市轨道交通桥上无缝线路纵向力进行了很多 研究，取得了一定的研究成果。但是，由于城市轨道交通建设在我国发展历 史不长，轨枕形式的不断革新，使得纵向力问题的研究也日益复杂化，因此 对其桥上无缝线路设计理论还有待于进一步深入研究。 1 4 高架桥上梯形轨枕概述 1 4 1 高架桥上轨道形式的选择 轨道结构按其轨下基础型式的不同可分为两大类：有碴轨道与无碴轨道 结构。城市轨道交通应优先采用无碴轨道结构，这是由城市轨道交通其特殊 的运营特点所决定的。 ( 1 ) 有碴轨道养护维修量大。传统的碎石道床由松散的碎石组成。因此， 在列车荷载作用下，道碴的磨损、坍塌、局部陷入路基以及钢轨和轨枕的变 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 形，都会引起轨道的残余变形，产生轨道不平顺。而道碴的变形是引起轨道 不平顺的主要原因，占轨道变形的8 0 以上。整治道床占养护维修工作量的 8 0 以上。 ( 2 ) 轨道交通线路在其运营时间内进行养护维修几乎己不可能。据统计， 自1 8 6 3 年伦敦开行第一列城市轨道交通线以来，世界各国的城市轨道交通累 计己达4 0 0 0 k m ，其行车间隔时分不超过4 m i n 的线路占9 0 以上，其运营时间通 常在1 8 个小时左右，夜间的养护维修作业在安全、质量和设备要求上提出更 为苛刻的要求。 ( 3 ) 此外，城市轨道交通除市郊铁路外，地铁和轻轨线在城区内以隧道 和高架形式穿越的情况居多，其养护维修作业在空间上受到极大限制，且隧 道内的工作条件十分恶劣。 ( 4 ) 高架线采用道碴道床，其轨下基础单线自重为1 9 吨，而选用结构简 洁的轨道结构，其双线自重仅为1 8 吨。因此，采用道碴道床增加了桥梁的自 重，从而可能需加大梁跨和桩基尺寸，增加投资。此外，有碴轨道道床的清 筛粉尘也给城市环境造成污染。 因此，无碴轨道相比于有碴轨道，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，对无碴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。 1 4 2 高架桥上梯形枕轨道结构特点 梯形轨枕由日本铁路研究学会( t h er a i l w a yt e c h n i c a lr e s e a r c hi n s t i t u t e ( r t r i ) ) 从19 9 5 年开始研制开发，它是在纵向轨枕理论的基础上开发的。无砟 梯形轨枕特别是高架桥上无砟梯形轨枕具有自重轻、低振动、易维修、低造 价、提高桥梁抗震能力等突出优点，是无砟轨道技术的新突破，并有可能取 代板式轨道。而本文介绍的减振型梯形枕轨道目前己在我国北京，上海一些 城市轨道交通高架上大量铺设 3 0 】。本节主要介绍了弹性支承梯形轨枕的一些 结构特点、桥上梯形轨枕轨道与常规板式轨道结构的差异及目前在我国的发 展和研究概况。 1 4 。2 1 梯形轨枕结构特点 梯形轨枕是基于纵向轨枕的理论的基础开发的。梯形轨枕是由混凝土纵 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 粱作为固定的并且连续支撑钢轨的结构，在左右的纵粱之间用钢管材料进行 横向刚性连接，组成“梯子式”的一体化结构，如图1 _ 2 。 图卜2 梯形轨枕的外观组成 根据轨道线路的具体情况，在不同轨道地段分别采用不同形式梯形轨枕。 高架段采用l 型支座式梯形轨枕，暗埋段整体道床段采用铸铁支座式梯形轨 枕，敞开段碎石道床段采用有碴道床式梯形轨枕。 弹性支撑的梯形轨枕轨道由2 片矩形截面的预应力混凝土纵粱和3 根横向 钢管联接构成，混凝土纵梁上预埋扣件用尼龙套管；其标准长度为6 1 5 0 r a m 可根据轨道长度需要进行调整；以一定间隔的减震垫支撑在l 型的钢筋混凝 土台座上，形成弹性支撑的梯形轨枕轨道系统，如图1 - 3 。 l 形台座式梯形轨枕轨道，是由聚氨酯质的减震材料在两扣件 ( 2 6 2 5 = 1 2 5 0 m m ) 位置支撑梯形轨枕，咀达到制约轨道振动，降低噪声的目 的。轨道纵向的水平力通过设于纵梁侧面突出部分的缓冲材料平衡，而轨道 横向的水平力则是利用与纵梁平行的侧面缓冲材料来平衡”1 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 冒墨盈 孰扰寞起、 国卜- 网 篙豢螽j 1 蕊矗面纠 图1 - 3 防振材料式梯形轨枕轨道构造l 形台座式 14 2 2 桥上梯形枕轨道特点 梯形轨枕结构形式类似于框架型板式轨道，但桥上l 型底座梯形枕轨道 结构与桥上板式无砟轨道相比，又有所不同，桥上板式轨道一般按桥梁跨长 做相应的设计，单元板在粱缝处断开，c a 砂浆与轨道板完全密贴全支承接触， 纵向力分析时，c a 砂浆提供足够的摩阻力，凸型挡台设于单元板之间，下部 与底座用暗埋钢筋连接，凸型挡台外边缘胶垫用以抵抗纵向力。 l 型底座梯形枕轨道主要特点为：梯形枕l 型底座与桥面纵向连续现浇， 单元式轨道板铺设在纵向连续的底座板上，轨枕一侧设置凸型挡台( 限位台座) 作为传力装置，凸型挡台与轨枕是一体的，两侧贴有缓冲胶垫以缓冲其纵向 力，其它区域与桥面依靠弹性支撑保持滑动状态，枕下弹性支承等间距布置， 取消了c a 砂浆；桥梁接缝范围内，梯形枕可直接跨越；轨道在桥面横向采用 侧向挡块进行固定，轨枕中间横向钢管固定轨距。 相对于现有板式轨道，梯形轨枕结构由条块结构组成，构造简洁、没有 多余的成分，由于纵梁的横截面面积比横向轨枕的面积小得多，就使得单位 长度的轨道重量和采用横向轨枕的窄轨铁路轨道重量相同，二期横载小，而 且不需按照跨长做特殊设计，连续的铺设方式有利于缓冲桥梁伸缩对轨道的 影响较小粱轨相互作用，适合于桥上使用。 14 23 梯形轨枕发展现状 日本引进的梯形枕二期横载较小，具有良好的减振降噪性能，近年来在 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 城市轨道交通高架桥上大量铺设，成为一种良好的高架无砟轨道形式口。 我国2 0 0 5 年于北京地铁5 号线高架桥试铺梯型轨枕，这是我国首次进行弹 性支撑的梯形轨枕轨道结构铺设工作，具体里程k 2 7 + 0 8 4 1 0 4 7 k 2 + 2 5 5 1 0 4 7 ( 左线) 。长度为1 7 1 m 。试验段位于辛店村路以北，该段桥梁由北京城建设计 研究总院设计，由中铁一局集团施工，如图1 _ 4 所示。针对北京地铁5 号线的试 验，我国研究了成套的梯形轨枕设计、施工技术，积累了宝贵的工程经验。 圈1 - 4 北京地铁5 号线高架桥梯形轨枕轨道 鉴于5 号线的成功运营，越来越多的城市将其运用于城市轨道交通，图1 5 为我国已建成的城市轨道交通梯形枕轨道，表i 2 是我国正在铺设的梯形枕轨 道概况。 表1 - 2 我国梯形轨枕铺设概况 城市地铁线 长度( ) 旄工单位进展状况 北京5 呼线1 7 2中铁i 局已完成，正运营 4 导线7 6 8 13 5中铁3 局0 9 年1 月铺设完毕 上海1 1 号线 1 4 7 13 2 4 中铁4 局0 9 年铺设完毕 2 号线 2 6 3 30 0 2 中铁2 4 局0 9 年4 月铺设完毕 7 弓线 1 4 6 4中铁3 局0 9 年1 月铺设 广州5 号线直线电机 1 2 5 中铁1 局0 9 年1 月施丁 二八线1 1 4 0中铁2 局0 9 年4 月施t 深圳5 导线试车段 2 0 0中铁1 局0 9 年5 月施丁 2 号线3 5 0中铁5 局0 9 年5 月施t 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图卜5 城市轨道交通梯形枕轨道 1 5 课题研究的意义及主要内容 1 5 1 研究意义和目的 目前，国内外对桥上无缝线路梁、轨纵向相互作用虽进行过一定研究， 但在计算参数取值，作用机理方面的研究仍不够充分，随着新型轨道形式的 不断出现，梁轨相互作用关系也越来越复杂化。梯形枕作为一种新型无砟轨 道形式，由于其二期横载较小，减振性能优良，适合于城市轨道交通桥上铺 设。桥上梯形轨枕与常规的桥上无砟轨道结构上有很多不同之处，这些结构 特点对纵向力分布将造成多大的影响现在还未可知，而此项技术在我国的应 用和发展尚属于起步阶段，各方面研究不是很成熟，如何优化高架上梯形轨 枕的纵向力成为梯形轨枕在高架上大量铺设的基础和亟待解决的重要问题。 当前我国城市轨道交通发展方兴未艾，已建成的上海明珠线和全国各地 正在修建的轻轨交通高架桥进行纵向力设计时，大都采用铁路设计规范和其 它设计规范作为设计依据。然而高架轻轨与大铁路相比有其自身的特点，按 照大铁路或其它设计规范来进行设计，许多设计参数并不适宜，例如轨面制 动利率的选取、列车荷载的折减等。而设计参数取值合理与否直接影响工程 造价和所设计的结构的安全可靠。因此对于城市轨道交通高架桥上梯形轨轨 道纵向力的研究还有待于进一步深入。 试验研究是轨道纵向力研究的重要环节，但由于试验条件的限制，试验 技术的不完善，以及试验费用的高昂，单靠试验研究有着很大的困难和局限 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 性。建立一种合理的计算模型，用计算模型对各种未知工况进行理论计算分 析，找出其中的规律，然后在理论计算分析的基础上，再进行必要的试验研 究，以验证计算模型的正确性，以更好设计桥上无缝线路，有着积极的现实 意义。 针对以上问题，建立一种能同时反映轨枕桥相互作用关系，符合梯形 枕轨道结构特点，传力途径明确又便于计算分析的计算模型，在此基础上研 究一些可变因素如何影响纵向力传递及分配，进而选取合理的结构参数，使 纵向力分布尽可能的优化，将对我国城市轨道交通铺设新型无砟轨道及高架 桥梁设计提供重要的理论指导，具有十分重要的现实意义。 1 5 2 本论文主要内容 由于城市轨道交通建设在我国的历史不长，桥上无缝线路设计很多借鉴 了铁路设计经验，但是国内外针对城市轨道交通的研究仍然很少，本文针对 目前城市轨道交通高架桥上大量铺设的梯形轨枕轨道无缝线路，在已有力学 模型的基础上，建立了轨枕桥纵向一体化计算模型，对城市轨道交通简支 箱梁桥上梯形轨枕轨道纵向力进行设计研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 建立了城市轨道交通桥上无缝线路轨梯形枕梁纵向一体化分析模型 在总结国内外研究的基础上，对无缝线路纵向力产生机理及分布规律、 计算模型、计算方法等进行了分析研究。参考国内外对无缝线路纵向力分析 计算的方法和模型，结合梯形轨枕的结构特点，从便于现有通用有限元软件 分析的角度出发，采用了一种实用的城市轨道交通简支箱梁桥上梯形枕轨道 纵向力分析模型。与传统力学模型相比，该模型能够更准确反映梯形轨枕无 缝线路复杂受力情况，并考虑了凸型挡台、弹性支承摩阻力对纵向力分布的 影响，可以对各种荷载下的纵向力进行分析，概念明确，传力途径清晰。 ( 2 ) 探讨了纵向力计算的各种参数取值 城市轨道交通高架桥梁在设计过程中采用的设计荷载和设计参数不同于 普通铁路。通过对铁路和城市轨道交通特点的，选取了研究采用的计算荷载 和相关参数。 ( 3 ) 结合实例进行高架桥上梯形枕无缝线路纵向力计算探讨 采用实际工程设计参数，采用本文建立的轨枕桥一体化纵向力计算模 型对固定区5 3 0 m 典型高架简支箱梁桥上在各种工况下的纵向力进行了计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 算，初步总结了梯形轨枕轨道无缝线路各纵向力分布规律，并选取其中最不 利工况与传统的纵向力计算模型进行对比，在此基础上观察本文模型与传统 模型计算结果的差异，分析造成差异的原因，以达到模型优化的目的。 ( 4 ) 对各种影响因素下纵向附加力规律进行了研究 结合梯形枕的特点，考虑了凸型挡台胶垫刚度、弹性支承摩阻力、扣件 阻力各值对纵向力分布的影响，研究了城市轨道交通高架桥上梯形轨枕无缝 线路伸缩力、挠曲力、制动力、断缝值随各影响因素的变化规律，在此基础 上探讨参数的合理取值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第2 章高架桥上梯形枕轨道纵向力计算模型 无砟轨道桥上无缝线路纵向力的计算是建立在梁轨相互作用关系基础 的，梯形轨枕轨道桥上纵向力的计算也应该建立在线枕桥相互作用关系的基 础之上。弄清楚梯形轨枕轨道与桥梁结构之间纵向力的传递机理，在此前提 下建立一个既能反映实际线桥枕相互作用关系，又便于计算分析的计算模型， 是分析和解决桥上梯形轨枕轨道纵向力的基础和关键问题，本章首先对传统 的线桥纵向相互作用力学模型做了归纳总结，在此基础上建立了城市轨道高 架桥上梯形轨枕轨道纵向力计算模型，并对其计算方法和计算内容进行了有 益的探讨。 2 1 纵向力力学模型 轨道结构与桥梁共同作用的力学模型是解决轨道纵向位移阻力与梁轨相 对位移相互作用的关键。实际的桥上无缝线路是很复杂的结构工程，梁轨之 间的相互作用也是很难进行精确解析的，在分析结构特性之后可以对其采用 简化的力学模型来模拟。 2 1 1 梁轨相互作用模型概况 线桥相互作用纵向力计算主要有以下几种模型：第一种是库仑摩擦力学 模型，计算图式比较简单，库仑摩擦模型无法分析制动、起动荷载向下部结 构的传递，不能反映墩项位移对纵向力的影响，在此不做赘述；第二种是用 连接弹簧模拟道碴层的计算模型，德国的标准规定，当确认梁轨相对位移始 终小于2 m m 时可以采用此模型；第三种是用连杆模拟道碴层的计算模型，非 线性的位移阻力特性由连杆的材料性质来表述； 2 1 1 1 采用连接弹簧模拟梁轨相互作用关系 采用连接弹簧模拟线路纵向阻力的计算模型如图2 1 所示。图2 一l ( a ) 由于 在模型中没有设置传递竖向力的杆件，所以计算挠曲力时竖向荷载不能直接 施加于轨道上而只能施加于桥梁上，梁采用平面模型，能完全模拟桥的弯曲。 1 9 9 7 年铁道部科学研究院铁道建筑研究所的研究报告“高速铁路桥梁纵向水 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 平力传递体系的研究”中采用了该模型对纵向力进行了分析试验研究 【4 】 2 3 】【2 6 3 5 , 3 6 , 3 7 】。图2 - 1 ( b ) q b 由于设置了刚臂单元，挠曲荷载可直接加载于钢轨 上，在图( a ) 的基础上有了较大的改进 2 8 。 hbh 、bh hhbhh bh l 卜卜 卞门叶rn 中州i h 卜卜卜卜卜；i卜； iiill 【b ) 图2 - 1 采用连接弹簧模拟梁轨相互作用模型 2 1 1 2 采用连杆模拟梁轨相互作用 图2 2 所示的是德国规范d s 8 9 9 5 9 铁路新干线上桥梁的特殊规程中 建议采用的模拟钢轨与主梁结构( 或路基) 连接的力学模型。钢轨与梁体结构 或路基连接的模型，可假定为承受纯纵向力或承受纯弯曲的连杆。高度为o 的类似水平弹簧的连杆的拉压刚度e a 可以根据单元之间的阻力换算出来， 抗弯杆件的e i 可根据单元顶端与底端水平位移达到屈服时的剪力换算得到。 根据用来模拟阻力的是抗拉压杆件还是抗弯杆件，以及桥梁采用平面单 元，还是带刚臂的杆系单元，以连杆模拟道碴层的力学模型又可以分为三种： 用抗拉压杆模拟阻力，桥梁采用平面单元； 用抗弯杆模拟阻力，用带刚臂的刚架模拟桥梁； 用抗拉压杆模拟阻力，用带刚臂的刚架模拟桥梁。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 桁式连杆模型 丁 h = o - l 抗芎连杆模型 图2 - 2 采用连杆模拟梁轨相互作用模型 我国学者根据对纵向力的研究，提出了一些经过改进的纵向力计算模型， 主要有以下几种： ( 1 ) 用拉压杆模拟阻力，平面单元模拟桥梁，因其模型中没有设置传递 竖向力的杆件，所以计算挠曲力时竖向荷载不能直接施加于钢轨上而只能间 接施加于桥梁上，如图2 3 ，这类模型采用平面形式，能完全模拟桥梁的弯 曲，但竖向荷载只能加在桥上，等价于图2 1 模型。 图2 - 3 杆模拟阻力、平面单元模拟桥梁模型 ( 2 ) 用抗拉压杆模拟阻力，通过中性轴带刚臂的刚架来模拟桥梁，竖向 荷载由垂直连杆传递的桥轨相互作用模型，如图2 4 所示。不同的是图( a ) 中 钢轨节点和桥梁上翼缘节点重合而没有错开，必须人为地使桥梁中性轴上刚 臂有一微小倾角，才能使二力杆几何上有存在可能。模型( b ) 和( c ) 由于h 2 0 ， 连杆成了水平弹簧，其刚性竖向连杆可将挠曲时所有竖向荷载传递到桥梁中 性轴e ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 q 罂矿矿 0 7y 又矿矿7 、工基堡囝置土基蜊l r - 一 i ( a ) 多跨简支梁模型 ( b ) 多跨简支梁模型 ( c ) 连续梁模型 图2 - 4 压杆模拟阻力，带刚臂的刚架模拟桥梁 ( 3 ) 以抗弯杆件模拟阻力，通过中性轴带刚臂的刚架来模拟桥梁，计算 挠曲力时列车荷载可直接作用于钢轨上。如图2 5 所示。其中( a ) 采用两端固 结抗弯杆件，( b ) 、( c ) 、( d ) 为一端固结，一端铰结的抗弯杆件，采用抗弯形式 的竖杆来模拟纵向阻力时，在非线性计算时对纯粹因纵向作用而屈服这一条 件的控制较为困难，即在挠曲力作用下，必须消除竖向压力对单元主应力的 影响： ( a ) 多跨简支梁模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 ( b ) 多跨简支梁模型 域l域2 域n i ( c ) 考虑基础刚度的多跨简支梁模型 墩n ( d ) 采用空间杆件模拟梁轨相互作用模型 图2 - 5 用抗弯杆件模拟阻力，带刚臂的刚架模拟桥梁 ( 4 ) 用抗弯杆件模拟阻力，空间实体单元模拟桥梁的梁轨相互作用计算 模型： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图2 - 6 采用实体模拟桥梁的梁轨相互作用模型