（道路与铁道工程专业论文）桥涵下穿铁路工程轨道结构沉降与动力响应分析.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着我国交通建设的快速发展，出现了大量的公路与铁路的平交路口改为 立交道口工程。目前在下穿既有铁路线时桥体多采用框架地道桥，主要是因为施 工时可以采用顶进作业，这样可以不中断铁路行车。而顶进施工必然对周围土体 产生扰动，当地层位移和变形超过一定的限度时，就相应地会危及运营线上列车 运行的安全。针对这种情况，本文研究了框架地道桥顶进对线路的影响。 运用a n s y s 有限元软件建立了轨道结构路基的三维有限元模型。首先从静力 学角度出发，对框架桥顶进过程中轨道结构的受力变形状态进行了模拟分析。模 拟计算了0 7 5 m 、1 5 m 、2 2 5 m 和3 0 m 四种不同开挖步长的施工工况，得出不同 开挖工况条件下轨道结构变形的最大值，总结了轨道结构的沉降规律。 建立了适当的轮轨动力作用计算模型来确定轮轨垂向荷载的影响。分析了在 列车动载荷作用下，轨道结构的动力学特性。通过对比不同列车车速下的轨道及 加固结构的振动位移和加速度，得出线路动力响应规律。总体上讲，随着列车速 度的提高，钢轨垂向位移及加速度幅值增大。 关键词：轨道加固；桥涵项进；沉降；动力特性；有限元分析 分类号：u 2 1 3 2 ；6 2 5 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a f f i cc o n s t r u c t i o n ，m o r eg r a d ec r o s s i n g s o ft h er a i l w a ya n dr o a dn e e d e dt ob ec h a n g e dt oi n t e r c h a n g ec o n s t r u c t i o n v i h e n t r a v e r s i n gu n d e re x i s t i n gr a i l w a y , m o r ea n dm o r ef r a m e w o r kb r i d g ea res e l e c t e d 勰t h e t y p eo fb r i d g es t r u c t u r e s ，t h em a i nr e a s o ni st h a tt h i sc o n s t r u c t i o nm e t h o dc a na d o p t j a c k i n gm e t h o da n dd o e s n o t i n t e r r u p tr a i l w a yo p e r a t i o n j a c k i n gc o n s t r u c t i o n i n e v i t a b l yc a u s ed i s t u r b a n c eo fs u r r o u n d i n gs o i l i tc o r r e s p o n d i n g l ya f f e c t st h er u n n i n g s a f e t yo ft h eo p e r a t i n gr a i l w a yl i n e a c c o r d i n gt ot h i se a s e , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h e i n f l u e n c eo fr a i l w a yl i n ew h e nt r a v e r s i n gt h r o u g hi t at h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ed e m e n tr a i l w a y - s u b g r a d em o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n g a n s y ss o f t o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fs t a t i c s ，t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h e d e f o r m a t i o no fr a i l w a yt r a c ks t r u c t u r ea n dr e i n f o r c e m e n ts y s t e m b ym o d e l i n gf o u r t y p e so fd i f f e r e n c e so fe x c a v a t i o ns t e p s ( o 7 5 m ，1 5 m ，2 2 5 ma n d3 0 m ) ，s o m er e s u l t s c a nb eo b t a i n e d , s u c ha st h em a x i m u md e f o r m a t i o no fr a i l w a yt r a c ks t r u c t u r ea n d r e i n f o r c e m e n ts y s t e m f r o mt h e s ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，s e t t l e m e n tr e g u l a r i t i e so fr a i l w a y t r a c ks t r u c t u r ea n dr e i n f o r c e m e n ts y s t e ma r ec o n c l u d e d f i l l i t ee l e m e n tw h e e l - r a i li n t e r a c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c e so ft h e v e r t i c a ld y n a m i cl o a d sa r ed e t 睨t n i n e d u n d e rt h ee f f e c to ft r a i n - i n d u c e dd y n a m i cl o a d ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fr a i l w a yt r a c ks t r u c t u r ea n dr e i n f o r c e m e n ts y s t e ma g o a n a l y z e d t h r o u g hc o m p a r i n go ft h ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t sa n da c c e l e r a t i o n so fr a i l w a y t r a c ks t r u c t u r ea n dr e i n f o r c e m e n ts y s t e mu n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t i e s ，t h i sp a p e rd r a w st h e r e g u l a t i o no ft h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h er a i l w a yl i n e o v e r a l l ，w i t ht h es p e e do ft h e t r a i ni n c r e a s e s ，t h ev e r t i c a lv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t sa n da c c e l e r a t i o n so ft h er a i la r e e n h a n c e d t h ed i s p l a c e m e n t so ft h er a i la n dt h el o n g i t u d i n a lb e a mi n c r e a s er e l a t i v e l y s l o w k e y w o r d s ：r a i l w a yt r a c kr e i n f o r c e m e n t ；b r i d g ea n dt u n n e lj a c k i n g ；s e t t l e m e n t ； d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c l a s s n 0 ：u 2 1 3 2 ：6 2 5 北京交通大学硕士论文 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： 签字日期：h 。户年6 月1 zf t 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， 提供阅览服务，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：专i 蹭辱吒韦 签字日期：矽。尸年易月珏日 导师签名： 彩暂 签字日期：1 刈肿咱 致谢 本论文是在我的导师彭华副教授的悉心指导和关怀下完成的，在论文的选题、 资料收集和编写过程中，彭老师都给了我极大的帮助。导师平易近人的为师风范 和孜孜不倦的工作精神使我深受感动。在生活上，导师也给予了我极大的关怀， 使我能够顺利的完成硕士阶段的学习。在此衷心感谢两年来彭老师对我的关心和 指导。 在撰写论文期间，也得到了同学们的热情帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 最后要感谢我的家人，在校学习期间，他们给了我无私的支持与帮助，正是 他们的理解和支持使我能够在学校专心地完成学业。在此特向他们表达我最衷心 的感谢! 1 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 随着我国经济建设的快速发展，轨道交通建设也发展迅速。轨道交通因其具 有速度快i 运输能力大等优点而在交通运输中发挥着越来越重要的作用，尤其在 人口密度大的都市，其对于缓解地面交通压力具有不可替代的作用。因此，城市 轨道交通的建设将是我国2 1 世纪城市交通发展的重点。随着城市化进程的加快， 人口密度的持续增长、生活空间日益拥挤，导致城市建设不断向高空及地下发展 和过多占用城市绿地【l l 。但是，由于交通建设发展的滞后，交通不畅已成为严重影 响和制约城市经济发展的一个重要问题，进而引发了交通阻塞等现象。而导致交 通不畅的一个重要原因，即是大量铁路与公路的平交道口的设置，造成了大量的 堵车问题。而列车提速后行车密度的大幅度提高，使道口的交通安全问题变的十 分突出。因此，把大量的公路与铁路的平交路口改为立交路口，已成为改善城市 交通状况和确保交通安全的一项紧迫而又繁重的任务。而框架地道桥是平交道口 改立交道口的主要形式之一。 在己开通城市铁路的大城市，由于以往规划建设轨道交通工程时存在设计超 前意识不足等问题，导致现在和今后的新线路建设、扩容出现很多问题。目前， 下穿工程中道路标准比较高，路面很宽，这就使得下穿既有线的立交桥孔径也越 来越大，目前在下穿既有铁路线时采用的立交桥形式优先采用的是框架地道桥桥 结构。框架地道桥桥形式可根据实际情况设置单孔、双孔、三孔甚至四孔。采用 顶进框架地道桥的优点是无需中断铁路行车，可以大大减小对铁路行车的干扰， 其整个工程的工期也大大缩短。 轨道交通路网的建设中，施工中新增建线路穿越既有线路时的影响，以及近 距施工时的相互影响非常复杂。虽然下穿施工技术以有很大改进，技术已经发展 得相对成熟，但仍不可避免地对周围土体产生扰动，进而导致不同程度的地层位 移和地层变形 2 1 。当地层位移和变形超过一定的限度时，必然相应地危及运营线上 列车运行安全。一般来讲，城铁穿越的地区多是城市中的繁华地段和交通要道， 这就要求了工程施工精度要高，环境影响小。因此，应减少施工对周围土体的扰 动程度，最大限度的降低施工对既有线路运营的影响。在穿越施工时，如何采取 相应措施以确保既有线铁路行车的安全是重点需要解决的难点。 由于我国各大城市的路网建设还不完善，可以预见，今后城铁路网建设的过 北京交通大学硕士论文 程中将会不断的出现新修线路与既有线路立体交叉的工程。在既有铁路线下施工 时，列车通过时的动荷载对穿越工程结构将产生影响；同时，穿越施工过程中， 施工对轨道结构及列车运营速度也必然产生相应影响，但是彼此影响的程度到底 有多大，如何选取合适的轨道加固方法和列车运营速度限值，才能在满足安全运 营的情况下取得最大的经济效益1 3 j 。 顶进作业时如何对既有线路进行加固，是施工过程中保证工期、质量的重要 一环，因此，有必要针对既有线路进行加固形式的选择与检算。折返站折返能力、 最小追踪间隔时间、投运的车体数量及列车编组数量等是影响线路运输能力的主 要因素。在轨道交通系统中，线路的最小追踪间隔时间主要是由列车进站运行时 间、列车制动停车时间、列车停站时间和列车加速出站时间这四部分组成。例如 随着北京地铁线改造工程的基本完成，高峰时发车时间间隔将缩短至2 5 分钟一趟 车，这已达到现有列车时间间隔的极限。列车折返能力不但是确定轨道交通全线 列车运输能力的基础，而其也是整个交通系统运营组织的关键。如果运营线上设 置限速点过多且限速值过低将降低折返站的折返能力，从而最终降低了铁路的运 营能力。因此，有必要对框架桥顶进过程中的轨道结构和加固系统的沉降，及列 车通过时对轨道结构和加固系统的影响进行研究。 1 2 国内外研究现状 下穿工程对既有铁路轨道结构的影响决定于以下因素：它们之间的间隔和相 对位置关系、地形和地质条件、穿越的施工方法、下穿工程中桥涵的大小、线路 的轨道结构形式等。在穿越施工中如何进行比较深入的影响程度预测、施工对策 的优化等一系列还有待于进一步的研究。 发达国家比较重视穿越工程对既有线路的影响，其在理论研究和实际应用方 面都达到了先进水平。尤其是德国、日本、加拿大等的轨道交通建设，对穿越影 响的评估、控制理论和控制技术方面，都值得我们借鉴和学习。 在国际上，大多数国家的交通并不像我国那么繁忙，完全可以先停止既有线 路的运营，再进行施工，待施工完后再继续运营。只有日本的东京地铁对穿越地 铁工程给了控制变形值指标，并要求施工单位严格控制，而地铁部门并不对具体 的施工项目进行监管，若有指标超限则重罚施工单位。 在我国，由于轨道交通建设起步较晚，发现问题的时间短，实际案例少，对 影响的认识还不够深刻。且我国因交通拥挤，这就相应要求在不中断既有线路行 车的条件下，进行穿越施工。目前，我国还只是在施工过程当中发现了问题才开 始采取补救措施，这对既有线路的安全运营造成比较大的影响，也延误了新建线 2 1 绪论 路的施工进度，给业主及建设单位造成了经济损失。国内对地铁新建线路穿越既 有线相互影响的研究已有一些进展，但鉴于数值模拟计算的近似性，数值模拟对 施工过程中主体结构的主要应力及变形的空间分布形态和变化规律并不能真实反 映。 根据目前的实测资料，一般列车在行驶过程中产生的附加动应力的影响范围 为基床面以下3 m 左右，当下立交的埋深超过3 m 时，列车产生的动应力对轨下构 造物有多大影响，目前还没有明确的结论。同时轨下构造物在施工期间为了保证 行车安全常常要对既有线路进行加固处理，如扣轨或加便梁。线路加固措施对轨 下构筑物的施工存在多大有利影响，至今还是凭经验。 1 2 1 框架桥顶进施工的历史及现状 在既有线下用顶进法建造箱涵式地道桥的施工方法，是在本世纪6 0 年代前后 开始出现并发展起来的。最早采用顶进箱涵技术工艺的国家是德国，其于1 9 5 7 年 在奥芬堡市的铁路线下项进了高2 4 、宽2 5 m 的钢筋混凝土框架人行通道。英国 在1 9 6 0 年开发了机械挖掘方式建造地下通道。1 9 7 6 年日本开发了u r t 工法( u n d e r r a i l w a yt u n n e l i n g ) ，它是一种采用钢护顶的顶进施工法，把顶入的钢管当作永久 结构对待。所使用的钢管断面为刚度较大的中空形单体。从线路的垂直方向水平 压进路基，作为横梁以支承线路上的荷载，而横梁则支承在与线路平行的主纵梁 上。1 9 7 7 年日本又开发了p c r 施工工法( p r e s t r e s s e dc o n c r e t er o o f ) ，即预应力混 凝土顶盖工法。用预应力混凝土中空方型断面梁，沿横断线路方向水平地逐根压 进铁路路基下面。 在开发上述几种主要工法的前后，还相继开发了许多其它工法，主要有推进 工法、刃口推进工法、水平螺旋钻t 法、半盾构式t 法、e s a 工法( e n d l e s ss e l f a d v a n c e d ) ，s c t 一法( s l i d i n gc u l v e r t ) 和螺旋钻孔工法，而被广泛应用的是u r t ， p c r 施工工法。 在我国用项进法修建桥涵仅有4 0 余年历史，最早是于1 9 6 5 年在北京的永定 门采用顶进法修建框架地道桥。6 0 年代在北方城市中修建的天津东风地道桥、唐 山永红地道桥等都为桥涵顶进积累了经验。2 0 世纪7 0 年代以后，顶进框架桥规模 进一步加大，陆续顶进了当时我国跨度最大的西大望地道桥( 8 1 5 m 1 6 3 m 一 8 1 5 m ) 、广渠门地道桥( 6 m 一1 4 5 m - - 6 m ) 以及城子镇( 6 8 m 一1 2 5m 一6 8m ) 地道桥等。2 0 世纪8 0 年代地道桥修建规模进一步扩大，各大中城市大跨度地道桥 日渐增多，例如北京三环路纪家庙地道桥( 9m 1 1 7 5m 1 1 7 5m 一9m ) 、天津 红旗路地道桥( 8m 一1 6m 一8m ) 、沈阳南八街地道桥( 8m 1 6m 一8m ) 、石 3 北京交通大学硕士论文 家庄和平路立交桥( 斜向净跨1 5m 一2 1m 一1 5m ) 、呼和浩特呼伦路地道桥( 8 1 5 m 一1 6 3m 一8 1 5 m ) 等都是当时比较典型的代表。进入9 0 年代后，修建规模又有 了大的扩大，如北京丰台地道桥( 1 4 9m 一1 7 5 m 一1 7 5m 一1 4 9m ，) 、石家庄党家 庄框架地道桥( 斜向2 3 5 2m 一2 3 5 2m ) 等。 随着经济的发展，铁路和公路交通愈来愈繁忙，平交道口改立交道口的工程 大幅度增加。今后所有铁路干线的重要平交道口改立交道口的工程点也迅速增长。 随着施工经验的积累，箱涵顶进旋工工艺也不断的改进和完善。顶进箱涵的尺寸 也由小到大，孔数由单孔、双孔、三孔到四孔连续框架。由横向分解顶进、纵向 分节顶进到多孔整体顶进。顶部覆盖土逐渐由厚到薄，甚至可以完全架空线路顶 进。箱涵与铁路的交角由正交发展到斜交，顶进方法也由项入法发展到对顶法、 顶拉法、牵拉法、中继间法等等【4 】。 1 2 2 框架地道桥的特点 由桥梁上、下部结构构成闭合箱形框架，再由单孔或多孔箱形框架桥形成桥 梁，这种结构形式的桥梁称为框架桥。框架桥用在公路与铁路立交且公路下穿时， 又称为框架式地道桥，或简称地道桥。地道桥是一种被广泛应用与铁路与公路交 叉、车站过人通道的桥梁结构形式。 地道桥的主要优点有： ( 1 ) 在立交道口附近的公路一般比铁路低，用地道桥方案可少占耕地。 ( 2 ) 地道桥的总造价相对低廉。采用公路下穿方案的桥梁规模小，引道短。 用地道桥方案比上跨桥梁方案经济。 ( 3 ) 地道桥上、下部结构联结成整体，受力合理，整体性和抗震性能好；其 下部结构联结成整体，支承面积大，特别适合地基承载力小的地区。 ( 4 ) 在既有线铁路下修建地道桥，一般可采用顶进法施工，不必中断列车行 车。 1 2 3 框架地道桥的顶进施工方法 在既有铁路下顶入框架地道桥，可根据场地、设备及框架的长度等不同情况 采用不同的顶进施工，具体可采用以下不同的顶进方法 4 1 。 ( 1 ) 单向顶入法 在顶力设备完善的情况下，不论桥梁与公路、铁路的交角和桥梁的跨径大小 如何，一般都可以采用此法。 4 1 绪论 本方法的施工主要步骤是：先在需顶进的地方挖工作坑，在坑内做一滑板， 在滑板上预制框架地道桥，把框架前端及边墙做成向前突出的刃角，在刃角上安 装钢刃；再在离框架尾部不远的地方修筑一个后背，然后在后背与桥梁底板之间 安设千斤项，同时对公路、铁路或其它城市市区道路进行必要的加固，以保证顶 进时桥梁上面线路的安全；最后，以千斤顶并借后背的反力将框架桥顶入路基。 顶进时，在端部刃角处不断挖土，随顶随挖，直到框架桥按设计要求全部顶入路 基为止。其工艺流程如图1 1 所示： 虹工艺涟醐 施工准备 i 髓防护桩盔工 l -i_ 工 i 后背桩旄工荆赚ll 抗移勘旺i l 撇撇i 润滑层隔离层 l 澌背粱 1支描比目虹 榧象瞒删 l 防水层保护层 工 i 土体加固安装顷进设备l 线路加固 i l 框架娇顶进 l i l 科僻悔挡疆l侨栏杆电绕情材1 # i 工程收黾及验收 图1 一l 项进法施工工艺流程图 f i g 1 - lt e c h n o l o g i c a lp r o c e 黯o f j a c k i n gm e m o d c o n s t r u c t i o n ( 2 ) 中继间法：当顶进距离过长，顶力较大，桥位埋置较深，顶力设备满足 不了后背反力要求时，可采用此法。 本方法的施工主要步骤是：将桥梁分成数节，在节间设置中继间千斤顶，使 之交替顶进。前节框架利用后节作后背，用中继间的千斤顶进行项进，中继间的 千斤顶到达最大冲程后，前节暂时停止顶进。然后进行后节的顶进，此时，中继 间的千斤顶随着后节的前进而压缩。完后，再进行前节的顶进，这样交替顶进， 直至框架地道桥就位。该施工方法后背的最大反力仅为最后一节框架的顶力，这 使后背设备大为减小。 ( 3 ) 对顶法：在公路或铁路路基两侧各挖一工作坑，每边预制半节框架，并 修其后背，同样各借后背反力将框架顶入路基。操作时可两侧同时对顶，也可先 顶一侧的半节，然后再顶另一侧的半节，最后选择适当位置对扣。 5 北京交通大学硕士论文 ( 4 ) 对拉法：如果穿越的公路、铁路路基高出地面很多，修筑后背较为困准， 可采用对拉法。 本方法的施工主要步骤是：先在路基两侧工作坑内各预制半节框架，然后从 路基一侧顶进多个小空管，将高强度钢绞线或其他拉杆穿越路基，使两个半节框 架连接，互为后背，对拉前进，直至对扣。此法省略了后背，仅在框架桥穿越单 线铁路路基时使用。 ( 5 ) 架梁推入法：利用旧有桥台或吊轨后另设枕木垛，封闭线路，架设工字 钢束梁便桥，挖去上部土方后，再行顶进。顶进时，框架顶部不受荷载，压力大 为减小。其缺点是：受架设便桥跨度的限制，推入的桥梁宽度及直径不能过大； 其高程也受便桥限制，特别是便桥的架设及拆除都需要封闭线路，影响了线路的 运行。 ( 6 ) 气垫顶迸法 当框架桥较长，其它方法又不太适用时，常常采用此法。其特点是在框架桥 底板与土体接触面间吹入压缩空气形成气垫层，当气体压力超过框架桥箱体自重 时，框架桥将被气体抬起，从而大大减小了推进摩擦力。 ( 7 ) 解体顶进法：以顶入的框架作为小桥的墩台，再在其上架设临时钢梁， 将预制的钢筋混凝土梁拉入，或直接将梁顶入。将梁下土挖去并封底后，即成为 一梁式桥洞。当桥位位于以下几种情况时，宜采用顶进施工法。 ( a ) 穿越公路、铁路和市区道路而不便隔绝交通，现场条件又不允许修筑便 道，或者修筑便道工程量较大时； ( b ) 街道狭窄、两侧建筑物多，开槽施工要造成大量拆迁时； ( c ) 施工现场条件复杂，地面上工程交叉作业互相干扰时； ( d ) 其位置理设较深、开槽施工造成大量土方工程，并需大量支撑材料时。 1 3 本文主要的研究内容和方法 本文运用大型通用有限元软件a n s y s ，对框架桥顶进过程中轨道结构和加固系 统的受力变形状态进行了仿真计算；并对列车通过顶进段时对轨道结构和加固系 统的动力影响进行了仿真模拟。随着计算机的普及和数值计算方法的不断发展， 有限元方法在工程领域中得到了越来越广泛的应用，它能比较为全面、更加准确 地模拟轨道的受力变形过程。首先从静力学角度出发，用a n s y s 有限元软件模拟 不同开挖工况条件下，轨道结构变形的最大值，主要目的是研究桥涵顶进过程中 引起的轨道变形，找出比较有利的开挖工况。然后从动力学角度出发，用a n s y s 有限元软件模拟不同列车车速对轨道结构的振动影响，从中总结轨道结构的动力 6 1 绪论 响应规律。 本论文主要完成了以下几个方面的工作： 1 线路加固形式的检算和不同线路加固形式的比较。对下穿旌工过程中的线 路加固方案进行检算，从理论上探讨所采用的线路加固方案能否满足安全要求。 一般来说，小跨度桥涵多采用d 系列军用便梁，主要因为其强度大，安装方便， 而且这种加固形式要求的轨下建筑高度较小；当顶进框构桥跨度较大、采用d 型 梁跨度满足不了要求时，一般采用吊轨梁及纵横梁结合方式加固线路。 2 建立了轨道结构路基三维有限元模型，分工况模拟了整个穿越过程。 利用大型有限元分析软件a n s y s ，考虑节点的空间特性、地质条件和施工方案，模 拟新建桥涵下穿既有铁路，分析下穿工程对既有线路的影响，模拟不同工况下的 框架桥顶进，总结了轨道结构的沉降规律。 3 建立了适当的轮轨动力作用计算模型来确定轮轨垂向荷载的影响。本论文 在尽可能地考虑模型的完整性和实用性的基础上，同时考虑计算机的计算能力和 计算时间，将列车按实际轴重和轮间距简化为簧上质量，将钢轨看成梁单元，建 立了轮轨动力相互作用的计算模型。通过对比不同列车车速下的轨道及加固系统 的振动位移和加速度，得出线路动力响应规律。 4 给出相关的结论和建议 7 2 穿越既有铁路桥涵项进及轨道加固 2 穿越既有铁路桥涵顶进及轨道加固 2 1 线路加固的形式 2 1 1d 型便梁加固 d 型施工便梁用于在铁路既有线上施工时，加固线路的临时结构，使线路轨 道结构保持正常的几何形位，确保铁路的正常运营【5 】。它由纵梁、横梁、斜杆及连 接配件组成。横梁穿于线路轨底并与纵梁用高强螺栓铆结，横抬线路并将加固范 围内的线路荷载传递给纵梁。最终由纵梁将全部荷载传给基础。 d 型旌工便梁适用于在既有线铁路线路的桥涵施工中加固线路，保持既有线 路的正常运营。可以在不中断铁路行车的情况下，利用它进行桥涵的开挖和施工。 它具有运输及拆卸方便的优点；由于它是临时结构，又有整体性、稳定性差和竖 向刚度小等的缺点。 d 型施工便梁一般分为d 1 2 、d 1 6 甲、d 2 0 、d 2 4 等四种型号。跨度分别为 1 2 0 6 m 、1 6 0 8 m 、2 0 1 0 m 、2 4 1 2 m d 型便梁适用于既有线路或站场的桥涵施工，适用于单线、双线、直线和曲 线( r 4 0 0 m ) 。列车行车限速值为6 0 k m h ( 施工时一般采用4 5 k i n h ) ，要求线 路钢轨不轻于4 3 k g m 的新轨。 厂制梁性能可靠，结构稳定。适用于跨度大于1 0 m 箱桥顶进涵洞线路加固中。 其缺点是主梁长度长、重量大，运输比较困难，且长距离异地调动不便；尤其在 大型车辆无法到达的施工工点，往往需要向运营部门封锁要点用轨道平板车装卸。 2 1 1 10 2 4 型钢便梁支点问的距离 d 2 4 型钢便梁的设计最大支点距离为2 4 1 2 m 。便梁施工前先要计算d 2 4 型钢 便梁是否适用于具体的框架地道桥的施工，其适用范围与既有线下修建的框架地 道桥底板到线路轨底的总高度、框架地道桥所处的具体地质情况、结构物顺线路 方向的总宽度有关。支点间的距离一般可采用下式计算： l ( 1 1 t a n a x2 ) xk + b ( 2 1 ) 式中：i - d 2 4 型钢便梁两支点问的最小距离，l 2 4 1 2m l l 卜_ 框架地道桥底板到线路轨底的总高度： a 框架地道桥所处地段土体的内摩擦角； b _ 枷架地道桥顺线路方向的总宽度； l 【_ 安全系数，一般取1 2 9 北京交通= 学硕士论文 2 1 2 扣轨纵横梁加固 当碳进框构轿跨度较大、采用d 型梁跨度满足不了要求时，一般采用吊轨粱 及纵横梁结台加固线路( 见图2 1 ) 。其构造是将钢轨束御置在基本轨中自j 和两侧， 支承基本轨的枕木用u 型螺栓和角钢悬挂在吊轨梁上，吊轨梁两端放置在桥头的 线路枕小上。每隔o5 15 m 布置1 根1 二字钢横粱，横粱的一端放置在路基卜，另 一端放置在框架桥项面上，并用i 1 型螺栓与布置在线路两侧的纵梁连接牢固，纵 粱两端布置在桥头路基的浆砌片石支墩上。作用在轨道上的力经钢轨传至枕木， 再通过扣件传至吊轨粱，通过吊轨梁一部分传至两端的路基一部分传至工宇铡 横梁。 阿2 - i 扣轨纵横梁线路加固 f i 9 2 ir a i lr e i n f o t o f l o n g i t u d i n a lb e a m t r a c k l o c k i n g 2121 扣轨纵横梁线路加固的实施步骤 扣轨纵横梁线路加固多采用3 5 3 形式扣轨加纵横梁方案，其具体线路加 固流程图如下： 圈2 - 2 线路加同流程图 f i g 2 - 2 f l o wc h a r t o f 仡i lr e i n f o l e n t 线路加固具体实施步骤 2 穿越既有铁路桥涵顶进及轨道加固 ( 1 ) 准备工作 1 ) 场地平整，备齐加固用料，将扣轨、枕木抬到线路两侧限界以外。 2 ) 安装测速仪，备齐防护用品。 3 ) 加固范围内既有砼枕螺栓全部上油，以便松开螺母抽换轨枕。 ( 2 ) 抽换枕木及扣轨：慢行点开始后首先抽换枕木，根据事先在钢轨上做好 的标识进行枕木抽换，各股道木枕横向成一直线，便于穿工字钢横梁。枕木抽换 完成后进行扣轨施工。 ( 3 ) 穿工字钢横梁：严格采用“隔六穿一 的方式进行施工。 穿横向工字钢时，应注意防止轨道连电。横向工字钢穿上后应立即在工字钢 底设置枕木头硬支点，用螺栓将工字钢与枕木连接，捣实道砟。 ( 4 ) 上工字钢纵梁：横梁穿完后，抬运纵梁工字钢并安装。纵梁安装后立即 与横梁用扣板、u 型螺栓连接。 ( 5 ) 防横移加固：为使在桥体顶进时不带动线路的横移，保证行车安全。根 据现场的实际情况，一般采用防止线路横移的措施如下： 1 ) 在线路的另一侧( 非框架桥工作坑一侧) 设置钢筋混凝土抗移桩，线路加 固的横向工字钢一端搭在抗移桩的冠梁上，使加固的纵横梁的受力能够传到钢筋 混凝土桩上，增加线路稳定性。 2 ) 在框架桥箱体顶面设置拉锚，桥体顶进时用倒链牵拉线路。当桥体顶进穿 越线路时用倒链锁定工字钢纵梁，另外一端固定在牵拉地锚上，随桥体顶进调整 倒链长度，控制线路中线，防止线路发生横移。 3 ) 桥体顶部使用顶进小车，变滑动磨擦为滚动磨擦，以减少磨擦阻力。顶进 小车必须沿桥体前进方向放置，使受力最合理。 ( 6 ) 顶进时防护 顶进过程中的线路加固既要保证行车安全，又要保证箱体顶迸时受阻最小， 横梁与箱体之间空隙用枕木墩，木楔，铁滑车支垫，每顶进1 2 米设一排支垫， 主轨下必须支垫。 ( 7 ) 拆除线路加固、恢复线路施工。 在抽换木枕时，必须严格按照“隔六抽一的方式进行。拆除线路加固时， 从线路一端往另一端拆除，拆除顺序为：松开纵梁扣件、横梁位置处3 5 3 扣轨扣 件一拆除纵梁一抽出工字钢横梁同时补充道砟并修整一拆除3 5 3 扣轨一抽换桥枕 一整修线路一恢复线路。 2 1 2 2 扣轨纵横梁线路加固的检算 扣轨纵横梁线路加固的受力主梁主要有钢轨束梁和工字钢梁。 ( 1 ) 用钢轨束梁作受力主梁 北京交通大学硕士论文 采用轨束梁加固线路适用于加固跨度小的既有线小孔径涵洞的扩径施工，因 既有线扩径或增建涵洞施工周期长，每座改建涵洞施工至少需要半个月的时间， 且这些涵洞的孔径多为2 m 以下，加固跨度多为6 m 以下，采用钢轨束梁加固线路， 可以无须长时间要点慢行，线路加固材料可多次周转，且组装卸装、运输方便。 钢轨束梁中所采用钢轨均为我国标准类型钢轨：中3 8 及3 8 、4 3 、5 0 、6 0k g m 五种型号。一般常用的为4 3 k g m 和5 0 k g m 两种类型。钢轨束梁结构一般采用两 种形式：单层和双层。单层钢轨束梁每根束梁由2 , - - - , 9 根钢轨组成，双层钢轨束梁 每根束梁由1 2 - - 1 6 根钢轨组成。为减少梁的宽度，将轨项上下正反交错相扣连接， 上下钢轨底面在同一平面上。钢轨与钢轨之间用螺栓联结，每组钢轨束数根据跨 度计算而定，计算可根据下式检算轨束梁的强度及挠度： 1 ) 由强度控制应满足： 兰 盯】 ( 2 2 ) 式中 卜考虑综合系数后跨中最大弯矩； 卜截面模量； ， 疗钢轨根数； 仃 钢轨容许应力， o r = 1 7 0 m p a ，利用旧轨时视磨损情况容许应力作 1 0 - - 2 0 折减，当轨头磨损在5 - 9 m m 时折减1 0 ，超过9 m m 时折减2 0 。 m = m p 十坛 d l 2 式中m 。= ! 二_ ，为恒载弯矩； 占 m k = ( n 惫) ( 等) ，为活载弯矩 其中，卜包括轨束梁重及桥面重； 卜轨束梁跨度长； 卜列车活载换算成均布荷载值 2 ) 由挠度控制应满足： 厂= 等i f = 去( 2 - 3 ) 式中，不计冲击力钢轨束梁由均布活载所引起的竖向挠度； 豇硼轨弹性模量。 卜一1 根钢轨惯性矩： 卜轨束梁跨度长； 卜钢轨根数； 在实际施工时，根据轨束梁跨度，满足以上强度及挠度要求，求出钢轨束梁 1 2 2 穿越既有铁路桥涵顶进及轨道加固 的根数，从而设计出轨束梁结构。2 片轨束梁间距可取3 6 4 o m ，置于轨束梁 上的分担横梁也可采用3 扣4 3 k g m 钢轨，问距为0 6 + - - + 0 7m ，轨束梁与横梁联 结处用u 形卡卡死，防线路受到列车振动而横向移动。 ( 2 ) 用工字钢梁作受力主梁 在实际施工时，根据工字钢梁跨度，满足强度及挠度要求，定出工字钢结构 来。其施工工艺流程同钢轨束粱。这种结构一般适用于跨度在8 - - 1 2m 的线路加 固上。 工字钢束梁使用形式及受力分析与钢轨束梁基本上相同。使用时一般采用2 种型式：单层和双层。其中，每片梁的组成又分为单排、双排、3 排和4 排四种。 每片梁由多排组成时可用角钢框架将其箍紧，使其联成一整体共同受力。双层工 字钢上下层连接要求较高，所以现场施工时较少采用。计算时其结构按下式必须 通过强度及挠度检算： 1 ) 由强度控制应满足： 等印】(2-4) 式中坛一考虑综合系数后跨中最大弯矩； 形一截面模量； 疗工字钢根数； 仃 工字钢容许应力， 仃 = 1 7 0 m p a 2 ) 由挠度控制应满足： 厂= 訾甜】= 去 ( 2 - 5 ) 式中，厂不计冲击力工字钢束梁由均布活载所引起的竖向挠度； 卜工字钢弹性模量。 卜1 根工字钢惯性矩； 己一工字钢束梁跨度长： ，卜一工字钢根数； 2 1 3 其它加固方法 2 1 3 1b 便梁加固法 铁路通用便梁( 简称b 型梁) 是在我国原有的长期使用的低高度施工便梁( d 型梁) 和抢修钢梁基础上，研究设计的一种性能先进的新型线路架空设备。它主 要作施工便梁，也可以作应急抢险便梁和战备储备用梁等，是一种小跨度、多用 途拆装式钢梁【6 】。 1 3 北京变通大学硕士论文 3 2 m 铁路便粱( 简称t b 型粱) ( 见图2 3 ) 是在我国原有的d 型施工便梁和铁 路通用便粱( 简称b 型梁) 的基础上研制的一种新型线路架空设备。t b 型梁适用 于既有线路或站场的桥涵施工，它最_ = 的优点是在不中断行车的情况下利用它 进行桥涵的开挖和施工，并且具有运输和拆装方便的特点。t b 型梁由主梁、横粱 和联结系等组成。钢轨直接铺设在横梁上，配有专用扣件。支座采用板式橡胶专 用支座。 图2 - 33 2 m 铁路便粱加固图 f i 9 2 - 3r a i lr e i n f o r e v e r o f 3 2 mr a i l w a ya m x i l i a t y b e a m 主要技术条件为： 1 ) 设计跨度：1 6 3 2 m 。 2 ) 线路条件：适用于单线、复线、直线或曲线( 当跨度为2 4 r a 及以下时，r ， 4 0 0 m ；当跨度为3 2 m ，r 6 0 0 m ) 。 3 ) 设计荷载：基本设计列车活载为d f 4 + 7 0 k n m ( 当跨度为2 4 m 及以f 时 y5 0 k m h ；当跨度为3 2 m ，v - 3 0 k 叶h ) 。 4 ) 建筑高度：基本梁高1 5 m 。轨底至支座底，横梁低位时为0 5 9 8 m ，一般 用于施工便粱；横梁高位时为0 8 9 8m ，一般用于应急抢修便梁。 5 ) 主梁刚度：基本设计列车活载下3 2 m 跨度梁的跨中静活载挠度f c 吨 。 ( 3 - 2 ) 式中，【b 】为应变矩阵。由物理关系，可得应力与应变的关系式为， 【盯】= d 】 s 】= 【d 】 曰】 万) 。( 3 - 3 ) 式中 d 】为弹性矩阵。由虚位移原理得到单元节点力与位移之间的关系式： 。= 8 万) 。 ( 3 4 ) 式中， 。为单元刚度矩阵，可写成如下形式： 1 7 北京交通大学硕士论文 舾) 。= f 【b 】7 d b c l v ( 3 - 5 ) 多 ( 4 ) 单元等效节点荷载列阵：即把结构上受的各种力转换到单元的各个节点 上，以集中力的形式出现。 ( 5 ) 总刚矩阵的建立：根据坐标转换原理，将局部坐标系下的单元刚度矩阵 转换为整体坐标系下的单元刚度矩阵，再根据各节点处单元刚度矩阵相加原理， 建立整体坐标系下的总刚矩阵的表达式。 ( 6 ) 平衡方程的建立与求解：根据 f ) = 隧】 万) ，建立各个节点的平衡方程， 并组建方程组。采用线性方程组的数值求解方法求解平衡方程组，得到单元节点 的位移向量。 ( 7 ) 后处理：由求得的单元节点位移向量，再由公式p ) = 跚 万) 即可计算得 节点力，其中，【s 】为应力矩阵。可分别求得单元应变及应力；最后绘制相应的等 值线图。 3 2 轨道结构的计算模型 由于轨道结构本身的复杂性和轮轨系统的耦合性，轨道计算模型相当复杂， 且需要大量难以确定的参数，这迫使研究工作不得不在计算能力的限制下尽量合 理简化模型。针对不同的问题，有不同的计算模型，随着计算机计算能力的提高， 模型中考虑的因素越来越多，模型也越来越完善。从轨道模型的参数来分，有分 布参数模型和集总参数模型。分布参数模型又分为弹性基础梁模型和弹性点支承 模型；集总参数模型又分为单自由度轨道模型和多自由度轨道模型【8 】。具体分类如 图3 1 所示。 图3 1 轨道动力分析模型框图 f i g 3 一lf r a m eg r a p ho ft r a c k sd y n a m i ca n a l y s i s 1 8 3 桥涵顶进施工过程的有限元分析 ( 1 ) 集总参数模型 此模型原理是依据一定的等效性原则( 如连续弹性基础梁分布质量的动能与 集总参数质量的动能相等) ，把一个具有复杂分散体系的轨道结构，变换成一个 具有少数自由度的质量一弹簧一阻尼器的模型。采用集总参数模型进行轮轨动力 作用计算，其具有自由度少、计算速度快的优点。缺点是计算精度较差，数值偏 差较大，模型在数值上难以定量化，但对轮轨动力作用进行定性分析，如参数情 况研究，实践表明是行之有效的。常用的等效变换原则有两种：一种是由实测的 轨道结构自振频率推算等效质量及等效弹簧刚度，由实测的轨道结构幅频响应的 对数衰减推算等效阻尼系数；另一种是在确定等效质量时，要求弹性基础梁分布 质量的动能与集总质量的动能相等，而在确定等效弹簧刚度时，要求荷载作用下 弹性基础梁的静挠度与集总参数模型的静挠度相等。 ( 2 ) 连续分布参数模型 连续分布参数模型不再把轨道等效为一个或数个集中质量块，而是把钢轨看 作一连续梁，梁下支承与静力计算相似，也分为弹性点支承和连续弹性基础两种， 这种模型的轨道部分与静力计算的连续弹性基础上的无限长梁理论很相似，只是 增加了惯性力和连续阻尼项。这显然比集总参数模型更好的反映轨道本身的实际 情况，采用连续分布参数轨道模型是实现轮轨动力分析定量化的基础。 1 ) 连续弹性基础梁模型与连续弹性点支承梁模型 连续弹性基础梁模型把轨下基础作为均匀分布的整体地基，地基符合w i n k e r 梁假定，轨下基础不计质量，简化为弹簧。连续弹性基础梁模型是分析轨道动力 特性使用较早的动力模型，主要用于分析轨道结构整体的动力特性及动力响应， 求钢轨的动弯应力，轨下基础各部分的附加动力及振动加速度。随着混凝土轨枕， 轨枕板的应用，轨枕的质量占很大比重，同时对扣件要求的不断增加，模型发展 为两层。 连续弹性点支承梁模型把轨下结构描述成为一系列相隔轨枕间距的离散弹性 阻尼点支承体系，该模型不计轨下基础质量。 连续弹性基础梁模型简单，计算参数少。其反应的是总体特征，对轨道参数 沿纵向非均匀分布，接头区轨枕非等间距、非均匀弹性支承、轨道间断支承和轨 枕失效时的振动特性等问题不能在模型中反映。而连续弹性点支承梁模型是描述 各个轨枕支承点的影响，还可以进一步描述各个轨枕支撑点的局部影响，能客观