连续梁桥上无缝线路设计与养护维修（93页）

毕业设计诚信声明本人郑重声明本人所提交的毕业设计，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。毕业设计中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在设计中加以说明；有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在设计中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本设计和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。签名年月日连续梁桥上无缝线路设计与养护维修软件学院软件工程（道路与铁道工程）20102施维冯青松毕业设计（论文）诚信声明本人郑重声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了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和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名_导师签名_年月日华东交通大学毕业设计（论文）任务书姓名施维学号20102110050230毕业届别2014专业软件道路与铁道工程毕业设计（论文）题目连续梁桥上无缝线路设计与养护维修指导教师冯青松学历博士职称副教授具体要求一、设计的目的与意义培养提高学生综合运用在校所学的基础理论、基础知识和基础技能解决铁道工程实际问题的能力，以达到总结、巩固扩大和深化所学知识；培养和调动学生学习的主动性和积极性；激发学生创新精神；通过该项设计的综合训练，培养提高学生调查研究、查阅文献、收集运用知识的能力；综合分析、制定设计方案的能力；严密细致、勤奋敬业的工作作风；并进一步培养学生的计算、绘图、运用工具书和编写说明书的技能，以及运用计算机软件、编制程序、绘图和进行外语翻译的能力。为本专业的毕业生将来在设计院、施工单位及铁路局工务部门从事铁道工程设计、施工和其他技术管理工作方式打下扎实的理论和实践基础，以便在激烈的人才竞争中充分发挥自己的专业优势。二、线路资料及主要技术指标1线路条件列车最高运行速度120KM/H，最小曲线半径R800M，最大坡度30。2桥梁条件预应力混凝土箱梁，分别有30M跨简支梁、连续梁等两种形式。单柱式桥墩。3轨道60KG/M钢轨，WJ2A扣件（铁科院专利），高架线长枕整体道床，轨枕铺设密度1680根/KM，道岔前后设单向钢轨伸缩调节器，温度跨较大时视情况必要时可设双向钢轨伸缩调节器。4列车轨道交通B型车。三、毕业设计的主要内容1桥上无缝线路伸缩附加力、挠曲附加力及制动力的计算分析；2根据线路纵向力的计算结果进行稳定性检算和锁定轨温的确定；3基于线路纵向力的计算结果和桥墩参数进行桥墩检算；4利用MIDAS进行无缝线路伸缩力，挠曲力的计算分析。四、应提交的图纸及文件1毕业设计说明书包括目录、中文摘要、英文摘要、各部分的设计内容说明、工况分析、附图表、参考文献等五、参考文献1广钟岩，铁路无缝线路（第四版）M，北京中国铁道出版社，20122卢耀荣，无缝线路研究与应用M，北京中国铁道出版社，20043练松良，轨道工程M，上海同济大学出版社，20064陈秀方，轨道工程M，北京中国建筑工业出版社，20055宋照清，多跨简支梁桥上无缝线路纵向力研究D，北京交通大学，20116倪向阳，城市轨道交通桥上无缝线路挠曲力研究D，北京交通大学，20127中华人民共和国铁道部，新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定以及其他期刊、硕士论文。进度要求第1周接受设计任务，熟悉相关资料第24周进行伸缩力的手算计算第58周进行挠曲附加力的计算第912周进行轨道强度检算和桥墩检算第1214周进行MIDAS建模计算纵向附加力第1415周进行论文正稿书写第16周答辩指导教师签字年月日教研室意见教研室主任签字年月日题目发出日期设计（论文）起止时间附注华东交通大学毕业论文开题报告书课题名称连续梁桥上无缝线路设计与养护维修课题来源A课题类型X导师冯青松学生姓名施维学号20102110050230专业软件道路与铁道工程开题报告内容在桥上铺设无缝线路的目的是为了最大限度地提高桥上无缝线路轨道结构的平顺性，以减轻列车车轮对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运行条件，延长线路设备使用寿命，减少养护维修工作量。桥上铺设无缝线路与在路基上铺设无缝线路有所不同，钢轨除受到列车动载、温度力、制动力作用外，还受到由于桥梁的伸缩或挠曲变形位移而产生的额外纵向附加力的作用。于此同时，钢轨也对桥跨结构施加大小相等、方向相反的反作用力。此外，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。列车在桥梁上紧急制动或启动时，将在轨面上产生纵向摩擦力，并通过梁轨之间的约束，使桥梁产生制（启）动力。所有这些作用力，均将通过桥跨结构作用于墩台上。因此，设计桥上无缝线路时，为保证轨道及桥梁结构的安全，提高行车的平稳性和舒适性，在设计中必须充分考虑无缝线路与桥梁的相互作用，严格控制轨道与桥梁相互作用的附加力；控制长轨条的纵向力，保证无缝线路稳定性和钢轨强度；控制钢轨折断时的断缝，确保行车安全；控制桥梁墩台的纵向水平力值，确保桥梁的安全使用。方法及预期目的（1）通过对桥上无缝线路理论，梁轨相互作用原理，各种纵向附加力产生原理及计算方法的了解，对连续梁桥进行伸缩挠曲力的计算，给出了详细的计算过程。（2）在纵向附加力计算结果的基础上，对无缝线路进行轨道强度检算，锁定轨温的计算以及使用两种不同方法进行的桥墩检算。（3）在对桥上无缝线路手算计算方法的了解的基础上，使用MIDAS建立桥梁的简单模型，使用MIDAS的分析计算功能对桥梁的伸缩力、挠曲力进行计算，并对MIDAS分析软件的使用进行简单介绍。指导教师签名日期课题类型（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究；（2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题（1）、（2）均要填，如AY、BX等。华东交通大学毕业论文评阅书1姓名施维学号20102110050230专业软件道路与铁道工程毕业设计论文题目连续梁桥上无缝线路设计与养护维修指导教师评语指导教师签字年月日评阅人评语评阅人签字年月日得分得分等级华东交通大学毕业论文评阅书2姓名施维学号20102110050230专业软件道路与铁道工程毕业设计论文题目连续梁桥上无缝线路设计与养护维修答辩小组评语得分组长签字年月日答辩委员会意见得分答辩委员会主任签字年月日（学院公章）注答辩小组根据评阅人的评阅签署意见、初步评定成绩，交答辩委员会审定，盖学院公章。“等级”用优、良、中、及、不及五级制（可按学院制定的毕业设计论文成绩评定办法评定最后成绩）。华东交通大学毕业论文答辩记录姓名施维学号20102110050230毕业届别2013专业软件道路与铁道工程题目连续梁桥上无缝线路设计与养护维修答辩时间答辩组成员（签字）答辩记录记录人（签字）年月日答辩小组组长（签字）年月日附注连续梁桥上无缝线路设计与养护维修摘要在桥上铺设无缝线路的目的是为了最大限度地提高桥上无缝线路轨道结构的平顺性，以减轻列车车轮对桥梁的冲击，改善列车和桥梁的运行条件，延长线路设备使用寿命，减少养护维修工作量。随着桥上无缝线路研究的深入，尽管无缝线路和桥梁的结构形式多种多样，还是有着各种对桥上无缝线路纵向附加力的计算软件和计算方法，像MIDAS，ANSYS等分析软件通过建立桥上无缝线路模型来达到计算分析纵向力的作用，而传统的手算简化计算方法却被很多人忽略。本文主要通过使用传统的手算简化计算方法来计算，实现连续梁桥上无缝线路的设计，给想要了解传统手算方法的人详细的计算方法和计算过程。在最后也给出对时下简单好用的MIDAS分析软件的一些介绍和使用方法。本文所做的主要工作如下（1）通过对桥上无缝线路理论，梁轨相互作用原理，各种纵向附加力产生原理及计算方法的了解，对连续梁桥进行伸缩挠曲力的计算，给出了详细的计算过程。（2）在纵向附加力计算结果的基础上，对无缝线路进行轨道强度检算，锁定轨温的计算以及使用两种不同方法进行的桥墩检算。（3）在对桥上无缝线路手算计算方法的了解的基础上，使用MIDAS建立桥梁的简单模型，使用MIDAS的分析计算功能对桥梁的伸缩力、挠曲力进行计算，并对MIDAS分析软件的使用进行简单介绍。关键词桥上无缝线路；连续刚构梁桥；传统手算方法；MIDAS分析软件THEDESIGNOFCONTINUOUSLYWELDEDRAILTRACKRAILWAYONCONTINUOUSBEAMBRIDGEABSTRACTLAYINGSEAMLESSTRACKONBRIDGE,THEPURPOSEISTOMAXIMIZERIDINGCOMFORTSEAMLESSTRACKONTHEBRIDGESTRUCTURE,TOALLEVIATETHETRAINWHEELSONTHEIMPACTOFTHEBRIDGE,IMPROVETRAINSANDBRIDGESRUNNINGCONDITION,PROLONGTHESERVICELIFEOFLINEEQUIPMENT,REDUCEMAINTENANCEWORKLOADWITHINDEPTHSTUDYOFCWR,ALTHOUGHINTHEFORMOFSTRUCTURESANDBRIDGESCWRVARIETY,ORWITHAVARIETYOFSOFTWAREANDCOMPUTATIONALMETHODSTOCALCULATEADDITIONALLONGITUDINALFORCESOFCWR,LIKEMIDAS,ANSYSANALYSISSOFTWARE,SUCHASTHROUGHTHEESTABLISHMENTOFCWRMODELTOACHIEVETHECOMPUTATIONALANALYSISOFTHEROLEOFTHELONGITUDINALFORCE,ANDTRADITIONALHANDCALCULATIONSIMPLIFIEDCALCULATIONMETHODBEENIGNOREDBYALOTOFPEOPLEINTHISPAPER,BYUSINGTRADITIONALHANDCALCULATIONSIMPLIFIEDCALCULATIONMETHODTOCALCULATECWRCONTINUOUSGIRDERBRIDGEDESIGN,TOTHOSEWHOWANTTOLEARNTHETRADITIONALHANDCALCULATIONMETHODSDETAILEDCALCULATIONMETHODSANDPROCESSESINTHEENDITGIVESONTHELATESTMIDASANALYSISSOFTWAREEASYTOUSEANDUSEOFSOMEDESCRIPTIONTHEMAINWORKDONEISASFOLLOWS1BYUNDERSTANDINGTHETHEORYOFCWR,BEAMORBITINTERACTIONTHEORY,PRINCIPLESANDMETHODSOFCOMPUTATIONOFVARIOUSADDITIONALLONGITUDINALFORCEGENERATEDCONTINUOUSBEAMBRIDGESTRETCHINGFLEXURALSTRENGTHCALCULATIONS,GIVESADETAILEDCALCULATIONPROCESS2ONTHEBASISOFTHERESULTSOFADDITIONALLONGITUDINALFORCEONTHESTRENGTHOFCWRORBITINSPECTIONCOUNT,CHECKTHELOCKCOUNTPIERSANDRAILTEMPERATURECALCULATIONSCARRIEDOUTUSINGTWODIFFERENTMETHODS3INTHECALCULATIONOFCWRHANDUNDERSTANDINGOFTHECALCULATIONMETHODBASEDONTHEUSEOFASIMPLEMODELTOBUILDBRIDGESOFMIDAS,MIDASANALYSISUSINGTHECOMPUTINGPOWEROFTHEBRIDGESTRETCHING,BENDINGFORCEISCALCULATED,ANDMIDASUSEANALYSISSOFTWAREFORSIMPLEINTRODUCTIONKEYWORDSSEAMLESSTRACKONTHEBRIDGE（CWR）CONTINUOUSRIGIDFRAMEBRIDG；TRADITIONALHANDCOUNT；MIDASANALYSISSOFTWAR目录第一章无缝线路概述111国内外无缝线路的发展112无缝线路类型213桥上无缝线路设计原则314桥上无缝线路纵向力计算研究概况3141国外研究现状4142国内研究现状5第二章桥上无缝线路纵向力计算理论821概述8211桥上无缝线路钢轨承受的纵向附加力8212桥上无缝线路墩台承受的纵向附加力822梁轨相互作用原理9第三章纵向附加力的计算1231伸缩附加力计算12311基本假设12312计算原理12313伸缩力计算结果1732挠曲附加力计算18321基本假设18322计算原理18323挠曲力力计算结果2433制动力的计算25331制动力的计算原理25332制动力的计算结果2634断轨力的计算27341断轨力的计算原理27第四章轨道强度检算2941钢轨强度检算29411计算参数29412计算结果29413轨枕的弯矩检算31414由钢轨强度条件确定的温降34415由钢轨断缝确定的允许温降34416由桥上无缝线路稳定性确定允许温升3542锁定轨温的确定37421锁定轨温37422锁定轨温的计算38第五章桥墩检算4051桥梁墩台检算（一）40511计算资料40512荷载计算40513墩身任意高度为H处HH截面受力分析47514墩身任意高度为H处HH截面检算49515检算结果5152桥墩检算第二种方法54521基本原理54522桥墩检算的荷载条件55523垂直力的计算56524检算结果58第六章无缝线路的养护维修6061无缝线路养护维修60611作业安排60612维修要求60613应力放散60614防胀与防断61615无缝道岔伤损部件的更换6162桥上无缝线路养护维修,62621桥上作业注意事项62622桥上无缝线路维护的主要问题62第七章桥梁无缝线路有限元初步分析6471MIDAS分析软件的介绍6472使用MIDASCIVIL进行伸缩力的有限元初步分析66721建立节点66722建立单元67723建立联接68724添加荷载69725运行分析70726查看结果7073使用MIDASCIVIL进行挠曲力的有限元初步分析71731挠曲力第一种情况71732挠曲力第二种情况7274学习使用MIDASCIVIL的总结73第八章结论与展望7481主要结论7452存在的问题及展望74致谢76参考文献77第一章无缝线路概述无缝线路是现代化铁路的轨道结构型式。铺设无缝线路以后，可以大大降低线路及机车车辆的养护和修理费用，改善列车运行的平稳性，提高轨道电路的可靠性和导电性，延长轨道部件及机车车辆走行部分的使用年限。11国内外无缝线路的发展德国是发展无缝线路最早的国家。1926年在线路上铺设了120M长的钢轨；1935年铺设了1KM长的无缝线路试验段1945年做出了无缝线路的规定。到1961年底，原联邦德国无缝线路总长达到了29000KM，1974年底达到了53000KM，占线路总延长的793。有79的道岔也焊成了无缝道岔，并与道岔前后的长钢轨焊连在一起。美国于1930年首先在隧道内铺设了无缝线路，于1933年正式铺设于露天的线路上。美国于19331936年期间，大约铺设无缝线路170KM，以后时有间断，发展速度比较缓慢。从1950年起，随着一些固定焊轨工厂的建立才有一个新的局面。美国铺设无缝线路的总延长1960年为7236KM；1970年之后每年以8000KM的速度递增，最多时年铺设10000KM。到1979年底全美已有无缝线路超过12000KM，是世界铺设无缝线路最多的国家。法国也是发展无缝线路较早的国家。法国的无缝线路多数是使用伸缩调节器的温度应力式构造。轨下基础多为双块式混凝土轨枕、碎石道床，轨枕使用双弹性扣件与钢轨相连。法国于19481949年期间进行了大量铺设试验，而后即推广开来。到1951年为92KM；1952年为805KM；1956年为3200KM；1960年为6380KM；1970年为12900KM，并继续以每年约660KM的速度发展。原苏联铁路1935年于莫斯科近郊的车站铺设了第一段无缝线路，轨条长约600M。由于苏联大部分地区温度变化幅度较大，最大幅差高达115，所以影响了无缝线路的发展，直到1956年才正式开始铺设。累计延长至1960年约为15000KM，1970年约为16000KM。近十年发展较快，至今已有无缝线路50000余公里，约占营业线的36，担负铁路运量的50。所用钢轨为50KG/M或65KG/M，多使用混凝土轨枕、碎石道床。英国的轨温差最大仅67，适宜铺设无缝线路。至1978年底已铺设无缝线路14565KM，占线路总延长的31左右。英国铁路的无缝线路大部分使用BS113A型钢轨（56KG/M），轨下基础为混凝土枕或木枕，碎石道床。日本于50年代开始铺设无缝线路，现已铺设5000余公里。日本的无缝线路轨条最长为1500M，两端设置伸缩调节器。近年来建成的新干线，未经有缝线路过渡，直接铺成了无缝线路。新干线最初曾采用50KG/M钢轨，现已全部用60KG/M钢轨更替，轨下基础采用混凝土枕，碎石道床，部分采用板式轨道，钢轨与轨枕的联结采用双弹性扣件。我国铁路无缝线路起步于1957年，当时用电弧焊法焊接钢轨，首先在北京、上海两地各试铺无缝线路1KM。次年扩大了试铺范围，有较多铁路局铺设了无缝线路，当年累计30余公里。以后引进工厂焊，在工厂采用气压焊机和电接触焊机将钢轨焊成125500M的长轨条运至工地，再按轨条设计长度用铝热焊法焊接联合接头。工地焊长一般为10001500M。长轨条铺入线路之后，在长轨条之间设24根缓冲轨，用普通夹板联接，以利调节轨缝和设置绝缘接头。目前全路已建成15个焊轨厂，多采用瑞士GAAS80和苏联K190接触焊机。京广、京沪、京沈、陇海、长大等主要干线几乎全是无缝线路。全路总延长约18万公里。多为50KG/M和60KG/M的钢轨，大部分轨下基础为混凝土轨枕。最近又筹划发展超长无缝线路，采用长26M的型轨枕。随着无缝线路的迅速发展，各国铁路都取得了一些新的经验。如焊轨工厂的合理设计；工地焊接联合接头和断轨再焊的新设备新工艺；旧轨整修后焊成长钢轨，铺设旧轨无缝线路；结合力很强的胶结绝缘接头；运输效率很高的多层长钢轨运输列车；新型长钢轨更换作业车；碳素钢钢轨与锰钢辙叉的焊接工艺；特大桥上和小半径曲线上铺设无缝线路的理论和经验等等。此外，在养护维修方面，除继续对无缝线路的稳定性，做进一步探索外，还总结和制定了一些管理规则和确保行车安全的措施。这些都有利于减少对无缝线路铺设的限制，使它在更广泛的范围得以发展。12无缝线路类型按处理焊接长钢轨因轨温变化而引起收缩方法的不同，无缝线路分为温度应力式和放散温度应力式两种。温度应力式无缝线路是由一根长钢轨及两端24根标准轨组成。两端接头采用鱼尾板接头型式。在无缝线路铺设锁定后，钢轨不能因温度变化而自由收缩，因而在钢轨内部产生温度力，温度力大小随轨温变化而不同。一般并不放散其钢轨的温度力。这种型式的无缝线路结构简单，不需要特殊设备，铺设维修方便，在温差不大的地区，钢轨承受的温度力也不会太大，是一种比较好的结构型式。放散温度应力式无缝线路又分为自动放散式和定期放散式两种。一般在温度差较大地区和特大桥上（如南京长江大桥），为了消除和减少钢轨内的温度力和尽量消除桥梁收缩附加力的影响，而采取自动放散温度应力式无缝线路。大桥上铺设的自动放散式无缝线路，系在焊接长钢轨两端设置钢轨收缩调节器，随时释放温度力。路基上铺设的自动放散式无缝线路，系在焊接长钢轨两端设置类似桥梁温度调节器的钢轨收缩头，并使用特殊制造的中间扣件，不设防爬器，使钢轨在垫板上能随轨温变化而自由收缩，以自动放散应力。另外还设有消除列车作用下引起的爬行的弹簧复原装置。由于其设备复杂，缺点很多，这种型式的无缝线路已趋于淘汰。定期放散式无缝线路与温度应力式相同。根据当地轨温条件，把钢轨内部的温度力每年调整放散12次。放散时，松开焊接长钢轨的全部扣件，使它自由收缩，放散内部温度力，应用更换缓冲区不同长度调节轨的办法，保持必要的轨缝。定期放散温度应力式无缝线路适用于温差较大的寒冷地区（年轨温差超过95C）。在我国东北的寒冷地区，曾试铺过这种形式的无缝线路。13桥上无缝线路设计原则（1）无缝线路设计要最大限度地减小轨道和桥梁所承受的附加纵向力，使桥上线路具有广泛铺设无缝线路的可能性。（2）无缝线路结构的设计，既要满足轨道强度和稳定性的要求，又要使桥梁受力合理，以保证桥梁和轨道运营的安全、可靠。（3）应尽可能增加焊接轨条的长度，减少桥梁及其附近的钢轨接头。提高轨道的整体性，以适应高速和重载运输的需要。（4）无缝线路的结构设计，要考虑便于线路的养护维修。14桥上无缝线路纵向力计算研究概况在桥上无缝线路的设计与计算中既可以采用常量阻力，也可以采用变量阻力。采用常量阻力计算时，梁轨位移的微分方程可转化成代数方程，使计算过程大为简化，易于被工程技术人员所接受，因此现有设计规范中倾向于采用常量阻力。但每跨桥梁只假设有一个梁轨位移相同点，不能处理梁轨间位移可能出现的没有相同点和有两个或两个以上相同点的情况。而现有的变量线路纵向阻力的微分方程法又计算量较大，较为繁琐且缺乏通用性。在梁轨相对位移较小时，线性阻力和非线性阻力均能得到较为满意的结果；但当梁轨相对位移较大时（如大跨度梁的计算），钢轨与桥梁之间的纵向阻力表现出弹塑性特征，采用常量阻力会产生较大的误差。考虑弹塑性线路阻力的桥上无缝线路计算理论的研究是无缝线路研究的难点，目前虽然在这方面取得了一定进展，但还有很多问题尚待深入研究。迄今为止，我国对简支梁桥桥上无缝线路附加力的分析已取得了较为丰富的理论成果，但对于大跨度连续梁桥，由于其结构的特殊性，如连续刚构桥（其不仅具有桥面连续、行车舒适等优点外，而且其上部结构受力合理，能充分发挥高强材料的作用，有利于增大跨径，因此，近十年来在国内得到了广泛的应用和大量的推广），给桥上无缝线路的研究带来了新的课题，同时也要求桥上无缝线路技术向更深的层次发展。141国外研究现状德国是最早发展高速铁路的国家之一，早在1964年SIEKMEIER就对轨道阻力位移进行了研究。德国针对设计时速250KM/H，实际时速不低于200KM/H的新干线无缝线路桥梁的设计与施工制定了铁路新干线桥梁的特殊规程（BESB），并在1985年生效。其中汇集了德国有关高速铁路桥上无缝线路的大量科研与试验成果。它详细规定了高速行驶列车形成的离心力、牵引力，以及结构温度应力、无缝线路轨道纵向水平力传递的计算原则、方法等，并专门介绍了德国传递纵向力的几种特殊结构RSB传力杆、徐变连结器、纵向连结器、减少钢轨伸缩长度的平衡梁。多跨简支梁伸缩力的计算结果与我国的计算结果接近，且认为在多跨简支梁的全桥活动端方向设置三跨跨度递减的简支梁可以减少钢轨纵向应力与水平支点反力，纵向阻力不仅与钢轨相对位移量有关，与轨道受载或不受载亦有区别，纵向阻力分位移阻力与爬行阻力两种，墩顶位移由三部分组成墩身弯曲、扩大基础或桩基倾斜、整个基础水平位移，并需要研究桥墩基础的刚度系数，区分首次加载、重复加载的刚度系数，以及短期加载引起的“动力刚度系数”。德国铁路还应用有限单元法，根据桥梁与线路间的相互作用关系，建立了桥上无缝线路纵向力的计算方法。线路纵向阻力采用分段线性模型，即梁轨位移小于某一位移时，线路纵向阻力与位移成线性关系，当位移大于或等于此位移时，线路纵向阻力为常数量。日本铁路60年代初期就开始研究桥上钢轨伸缩力的计算，并在其新干线段试铺了无缝线路，引起了各国的关注。日本铁路规定了各种跨度桥梁铺设无缝线路的技术条件，且在桥梁墩台的计算中就考虑了无缝线路纵向力的作用。在钢桥上，日本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。钢桥跨度在25M及其以下、桥长不超过70M时，线路纵向阻力随桥长的增加而增大，有0、5、10KN/（M线）之分。在木枕线路、明桥面上，跨度60M及以上的桥梁在其活动端设置钢轨伸缩调节器。跨度在60M以下，桥长大于60M的桥梁，将相邻桥墩的固定支座设在同一桥墩上，线路阻力采用15KN/（M线）。但在既有线上，考虑60KG/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10KN/（M线）。在板式轨道桥梁上也采用同样的取值。桥上钢轨折断的容许断缝值50KG/M钢轨为50MM，60KG/M钢轨为69MM。美国铁路规定，桥上铺设无缝线路时，跨度大于或等于30英尺（914M）的钢梁桥，或总长大于500英尺（15239M），曲线转角为2，在梁的活动端应设钢轨伸缩调节器；桥上轨道要安设弹簧防爬器，其数量视桥跨长度而定。前苏联铁路规定，在跨度大于33M的桥上铺设无缝线路时，桥上线路要使用一定数量的K型扣件钢轨。在单跨超过55M和多跨总长超过66M的桥上铺设无缝线路时，要按交通部的有关规定办理。在20世纪70年代，有PEPOMOGAJEV、SKLINOV和NPVINOGOROV等人进行了研究。20世纪60年代中期至80年代中期，国际铁路联盟（UIC）试验研究所（ORE）完成了桥上制动力、加速力及轨道与上部结构间的相互作用关系研究，参加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、奥地利联邦铁路以及荷兰铁路等八个国家参加，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的工作。南斯拉夫铁路的SRANKOVIC对于线性与非线性计算进行了对比。1985年捷克铁路桥梁教研室的LADISLAVFRYBA假设线路阻力系数为常数，建立微分方程，得出解析解的表达式，这篇无缝线路温度力与铁路桥梁相互作用的论文，对我国桥上无缝线路的研究有较大的影响。随着现代计算技术的发展加速，拓展了桥上无缝线路计算理论的研究，使得计算机数值模拟技术在桥上无缝线路设计中得到广泛的应用。目前，西欧已建立了多种数学模型进行计算机数值模拟分析计算，荷兰特而夫脱大学研究了PROLIS计算程序，采用有限元方法对多种轨道结构进行了分析和比较。142国内研究现状我国以往的研究成果大多针对普通铁路无缝线路，国际铁路联盟试验研究所（ORE）在60至80年代关于纵向力的系统试验研究也是在既有普通铁路进行的，与普通线路相比，高速铁路的线路条件、荷载条件、桥梁都有较大的区别，普通铁路及国外的研究成果不能完全照搬到我国高速铁路。我国高速铁路桥上无缝线路附加力的研究更具有其特殊重要的意义。近年来，由于新建桥梁不断采用新的桥式，给桥上无缝线路的研究带来了新的课题，同时也推动了桥上无缝线路技术向更深的层次发展。在我国铁路上，总长超过200M的桥梁铺设无缝线路，至少已有500余座，无缝线路研究人员及各大有关高等院校结合实际工程，对新建重要干线铁路的桥梁预留无缝线路荷载及桥上无缝线路轨道结构进行了研究，取得了阶段性的成就。从20世纪60年代开始，我国铁路对桥上无缝线路梁轨相互作用原理进行了大量的研究。并在大跨度钢桥上铺设了无缝线路。通过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、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。无缝线路研究人员从1966年开始进行附加纵向（伸缩）力的试验，在此基础上建立了计算理论，认为桥上无缝线路最大伸缩力按桥梁总长度之半乘以线路纵向阻力计算不妥，它的错误在于没有从桥梁和钢轨受力或位移的相互作用关系上建立计算的平衡条件。60年代至70年代主要以32M梁为研究对象，80年代普遍采纳和应用了在研究梁轨相互作用原理基础上建立的中、小跨度桥上无缝线路伸缩力、挠曲力的计算理论和方法。90年代以来，按照可靠度理论编制了桥梁设计规范时，对大量的挠曲力、伸缩力实桥测试资料进行统计分析，得到了挠曲力、伸缩力以及有关计算参数的统计特征，为桥梁设计预留无缝线路荷载值提供了依据。1994年耿传智根据梁轨相互作用原理和橡胶支座的特性，提出了橡胶支座桥上无缝线路的伸缩附加力、挠曲附加力、断轨力及支座反力的计算方法；并以中跨度的无碴无枕梁为例进行计算，将其与固定活动支座简支梁的计算结果进行了比较，为桥上无缝线路和桥梁墩台设计提供了理论计算依据。1997年黎国清、庄军生等采用平面体系建立线路与桥梁的相互作用力学模型，将轨道（钢轨）、道碴层、桥梁结构、支座、墩台、基础作为整体来考虑。梁体采用平面应力二维实体单元；道床采用线性桁式杆单元，材料特性根据轨道纵向阻力与梁轨相对关系来选择；钢轨采用线性材料杆单元。桥外路基上钢轨长度L1L040M（L0为各孔梁单孔跨度的平均值）时，可满足计算精度的要求。通过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的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规范的取值。2001年杨梦蛟、刑建鑫采用平面杆系建立轨道结构与桥梁相互作用的力学模型。将轨道结构、梁体、支座、墩台、基础作为整体来考虑。桥梁和轨道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关系的双折线化确定；同时为考虑梁跨挠曲对无缝线路钢轨受力的影响，梁跨高度采用刚臂模拟。由此得到的钢轨附加力和梁、轨位移与用变形微分方程计算所得值相比较，证实这一力学模型的合理性。陈丹华的对简支梁长桥采用质量法进行简化，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，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。2003年徐庆元、陈秀方在国内外研究成果的基础上建立了考虑钢轨轨枕梁体相互作用的连续梁桥上无缝线路梁轨相互作用的力学模型。用该模型分析连续梁桥上无缝线路附加力分布规律，与以往不考虑轨枕位移的影响的计算模型进行比较得出结果挠曲附加力及断轨力受扣件阻力影响很大，降低幅度最多，伸缩附加力受扣件阻力影响小些，降低幅度次之；制动附加力与扣件阻力关系不大，钢轨断缝值受扣件阻力影响很大，降低扣件阻力将导致断缝增大。这一年，在我国第一条客运专线上进行了设置钢轨伸缩调节器，桥上无缝线路附加力的综合试验研究及在沙河特大桥上进行了DF11旅客列车制动试验。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。潘自立以国内外试验资料为基础并选用合理的力学参数，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。蔡成标将轨道结构、桥梁及墩台基础作为一个整体系统，建立了桥上无缝线路纵向附加力计算的有限元模型，并编制了计算软件（BCWR），可用于高速铁路特大桥上无缝线路的设计。江海波、吴迅根据无缝线路纵向力的传递机理、小阻力扣件的非线性特征以及各部分的特征，建立了桥轨空间一体化的力学模型，运用“M”法计算基础刚度。该模型中的构件单元全部用杆单元模拟，其中钢轨与模拟小阻力扣件的非线性杆单元连接，非线性杆下端固接在一长L的竖向刚臂上（这样可计算挠曲力），竖向刚臂通过横向刚臂与轨道梁相连，轨道梁又通过刚臂、支座和桥墩相连，最后桥墩和模拟基础的杆连接起来，从而形成空间的整体。并通过编制非线性有限元程序进行实例模型验证，可计算温度力的影响，探究双线桥梁上单线荷载作用下挠曲力、制动力和单轨断裂时的断轨力。2004年徐庆元、周小林等从理论上并以三跨连续梁为例证明了采用常量线路阻力的计算模型计算桥上无缝线路伸缩附加力时，当跨径很大有可能不存在有力学意义的解，计算挠曲附加力时，当荷载较小有可能不存在有力学意义的解。针对常量阻力计算模型的缺点，建议对大跨度铁路桥梁应采用变量线路阻力计算模型。王平、陈小平以线桥墩为一体用有限单元法建立了桥上无缝线路的计算模型，考虑相邻轨条及桥墩纵向刚度的影响，计算了一根钢轨折断后的开口量，并比较分析了不考虑相邻轨条限制作用、不考虑桥墩纵向刚度、多根轨条同时折断等简化算法的计算偏差，为桥上是否设置钢轨伸缩调节器提供了依据。2006年朱文珍、陈秀方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形式，建立传力明确、易于编程并能模拟梁轨相互作用原理的线桥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、陈秀方在综合考虑梁轨相互作用、墩顶位移、桩土相互作用的基础上结合有限元理论建立了“轨梁墩基础”一体化有限元模型，采用变量阻力参数，利用MATLAB语言编制了桥上无缝线路纵向附加力计算程序。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。第二章桥上无缝线路纵向力计算理论21概述桥上无缝线路与路基上的不同，其钢轨除受温度力作用之外，还受桥上附加纵向力作用。211桥上无缝线路钢轨承受的纵向附加力（1）伸缩附加力梁因温度变化而伸缩。在明桥面上，梁上翼缘的这种纵向变形（即伸缩和位移），将梁、轨间的联结约束，使钢轨受到纵向力的作用。在有碴桥上，道床也会对梁、轨间的相对位移产生一定的约束阻力。伴随温度变化，因梁轨相互作用而引起的钢轨纵向附加力称之为伸缩力。（2）挠曲附加力在列车荷载作用下梁因挠曲而产生变形位移，在梁的挠曲过程中，由梁轨相互作用而引起的钢轨纵向附加力称之为挠曲力。（3）制动附加力如果列车在桥上制动，列车制动引起的钢轨伸缩，桥上无缝线路钢轨产生制动附加力。以上钢轨纵向附加力通过梁轨相互作用又反作用于梁跨和固定支座，使桥梁墩台产生弹性变形，墩顶发生纵向位移。212桥上无缝线路墩台承受的纵向附加力（1）伸缩附加力桥上无缝线路钢轨伸缩反作用于墩台的伸缩附加力。（2）挠曲附加力桥上无缝线路钢轨挠曲力反作用于墩台的作用力。（3）断轨力如果在桥上发生断轨，或者无缝线路的伸缩区设在桥上，钢轨的伸缩也会通过梁、轨间的约束使墩台和固定支座受到断轨力的作用。（4）制动附加力如果列车在桥上制动，列车制动引起的钢轨轨伸缩通过梁轨相互作用传递到墩台，使墩台的固定支座承受制动附加力。所有这些互为因果的作用，可归结为梁、轨的相互作用。桥上无缝线路的设计检算就是通过对梁轨相互作用的分析，求得梁的位移分布，钢轨的位移分布和纵向力分布、墩台受力和墩顶位移，对钢轨和墩台进行强度和稳定性检算，并通过桥上无缝线路结构设计，减小梁轨间的相互作用，从而确保桥上无缝线路的安全。在桥上无缝线路设计时应控制梁轨间的附加纵向力，使之满足以下要求（1）控制长钢轨纵向压力值，以防止桥上无缝线路胀轨跑道。（2）控制长钢轨纵向拉力值，以满足钢轨强度要求。（3）控制低温时钢轨折断时的断缝值，确保行车安全。（4）控制桥梁墩台的纵向水平力值，以确保桥梁的安全使用。22梁轨相互作用原理梁轨相互作用原理因温度变化或列车荷载的作用，梁纵向位移，随着梁的位移，桥面系带动轨枕及扣件纵向位移，并通过扣件对长钢轨施加纵向力，钢轨受力变形后，对桥梁作用大小相等、方向相反的反作用力，此力通过梁、支座传递至墩台。梁轨间的相互作用，使得桥梁、钢轨最终达到一个相互约束、相互作用的力学平衡体系。任取一微段长度的钢轨为自由体来分析其平衡条件，如图21所示。设钢轨以受拉为正，坐标以向右为正，梁的位移和钢轨位移Y均以向右为正。梁轨相对位移Z为ZY（1）当钢轨的位移大于梁的位移时，Z为正。图21梁轨位移图PZ表示梁轨间的纵向约束阻力，即线路纵向阻力。P是Z的函数。当梁产生位移时，PZ是梁作用于钢轨的纵向分布荷载。由力的平衡条件可得0X（2）0DPPZX即（3）ZX由虎克定律知（4）DYPXEF式中E钢轨钢的弹性模量F钢轨的截面积（5）12ZPEFDXY由式（1）知（6）22YZDXX式（6）代入式（5）得（7）221ZDPZDXEFX式（7）为梁轨相对位移微分方程，反映了钢轨纵向受力的静力平衡条件，是求解桥上无缝线路纵向力问题的基本微分方程。根据边界条件，采用数值方法，可求得钢轨位移量和纵向附加力。1线路纵向阻力函数PZ为常量由式（3）得（8）DPPX对式（8）积分得到钢轨力的分布函数（9）可知P为X的线性分布，如X从0到L，作出钢轨力的分布函数图如下图22钢轨力的分布函数图式（9）代入式（3）得（10）DYPXEF对式（10）积分得到钢轨位移的分布函数（11）2XY由上式可知位移为X的二次函数，在钢轨力分布图中为X点以左阴影部分2P的面积，那么X（12）XYEF2线路纵向阻力函数PZ为变量假设，将其代入式（7）有1/SPZABC（13）122SDZDABZCXEFX式（13）为二阶非线性微分程，可用龙格库塔（RUNGEKUTTA）法求解。第三章纵向附加力的计算31伸缩附加力计算311基本假设（1）假设简支梁固定支座与梁端完全固结，活动支座的阻力可忽略不计。（2）梁的温度变化仅为单纯的升温或降温，不考虑其交替变化，并取一天内的最大温差计算梁的伸缩量，按设计暂归取下列设计值有碴轨道混凝土梁15无碴轨道混凝土梁20钢梁25（3）梁、轨间的作用力，在无碴轨道上是通过钢轨扣件传递；在有碴桥上是通过扣件阻力、道床阻力二者之中较小值传递。312计算原理梁因温度变化而伸缩，并带动轨枕位移，轨枕位移使扣件产生纵向力，作用于钢轨，这一作用力称之为无缝线路的伸缩附加力。桥上钢轨伸缩附加力与梁轨温差、线路纵向位移阻力、桥梁跨度、跨数有关，而线路阻力的方向又由梁轨问的相对位移来决定。现以处于无缝线路固定区单孔简支梁桥为例，来阐述桥上无缝线路伸缩力的产生。当温度变化时，长钢轨产生虚应变，不产生位移却产生温度力，而简支梁则随着温度变化产生伸缩位移量UB，若梁的跨度为L梁的温度变化为TB，则在简支梁的活动端位移量UB0ATBL。梁伸缩带动桥枕和扣件位移，扣件对长钢轨施加纵向力。此力为机械力，长钢轨在此机械力作用下产生实应变，且产生与梁位移方向相同的位移UR，见图，在临近活动端一定范围内UBUR。两端桥头线路提供与梁位移方向相反的阻力，阻止长钢轨位移。平衡条件（1）梁跨内存在梁轨位移相等点KIIY（2）在伸缩力影响范围内，钢轨伸缩变形的代数和应为零0IEF图31伸缩力及梁轨位移图由于长钢轨是连续的，在梁的固定端，即使梁的位移量UB0，长钢轨依然产生位移UR，故在梁的固定端及其临近URUB，长钢轨位移并对梁施加纵向力，梁对长钢轨作用大小相等、方向相反的反作用力。梁轨位移量由梁的活动端UBUR，至临近固定端变为URUB，相应的梁轨间的纵向力也发生变化。在梁的活动端及其邻近施力体是梁，作用在长钢轨上的纵向力与梁位移方向相同。在固定端及其邻近，施力体是长钢轨，作用在钢轨上的纵向力与梁位移方向相反。故在每跨梁上可能存在URUB，在此截面上，作用于钢轨上的轨道纵向阻力等于零。图26所示为温度升高情况下梁轨相互作用示意图。若温度下降，则梁位移方向及纵向力作用方向与图示方向相反。桥上钢轨伸缩力与梁轨温差、线路纵向位移阻力、桥梁跨度、跨数有关，而线路阻力的方向又由梁轨间的相对位移来决定。如果梁上某一截面I因温度上升而出现位移量UBI大于同一截面钢轨位移量URI钢轨将相对于梁固定端移动，由此得到作用于钢轨上指向活动端的阻力方向。反之，如果UBIURI，则得到作用于钢轨上的指向固定端的阻力方向。由于伸缩附加力有正有负，同时桥上和路基上提供纵向阻力也不相同，故伸缩附加力一般呈锯齿状分布。梁因温差而发生热胀冷缩，梁的收缩带动道床、扣件共同发生变形，从而引起钢轨产生与主梁伸缩方向一致的位移，而钢轨的位移又受到桥墩固定支座端或者路基的约束，使得钢轨在主梁活动端受压；在固定端一侧的线路则拉住钢轨限制与主梁一致的位移，使得钢轨在主梁固定端受拉，在固定端与活动端之间，必然有钢轨纵向力由拉变压的突变点。因梁温度伸缩所引起的这种钢轨纵向力称为伸缩附加力。钢轨的伸缩附加力会通过支座传递到墩台及基础上，对桥梁下部结构同样产生影响。根据梁轨相互作用原理，当线路阻力为常量时，钢轨伸缩力分布为折线形，故可用代数方程求解。计算伸缩力时，假定简支梁固定支座能完全阻止梁在支座处的位移，活动支座抵抗伸缩的阻力可略而不计，梁在支座外悬出部分不考虑；假定梁的温度变化为单纯的升温或降温，不考虑梁温在梁体上变化梯度；在有碴桥上，线路阻力取扣件阻力和道床阻力较小者。对简支梁而言，当梁的温度变化为缸时，梁向活动支座端发生位移血，其计算式如下XALT式中X至固定支座距离为X的梁截面位移量；T至固定支座距离为X时梁长；A线膨胀系数，钢为118105/，钢筋混凝土的为10105/。梁各截面位移时，扣件阻力将作用于钢轨，推动钢轨向粱的伸长方向位移。钢轨的位移将受到桥梁两端线路纵向阻力的阻抗。梁活动端以外的线路纵向阻力抵抗钢轨向桥外位移，使括动端附近钢轨受压。粱固定端以外线路纵向阻力抵抗钢轨向活动端位移，使粱固定端附近钢轨受拉，如图32中的第一个图。图中AOF线之下表示压力，之上表示拉力。当扣件阻力采用常量时，伸缩力图呈折线形状。钢轨因受伸缩力的作用，钢轨各截面向粱的伸长方向位移，如图32的第二个图。以Y表示钢轨的位移，其位移曲线为ABCDEF曲线上各点的纵坐标值即为钢轨各该截面的位移量。其算式为力图面积除以EF，即YIWI/EFYI钢轨截面F的位移量WI钢轨截面I以左或以右的伸缩力图面积的代数和挢上无缝线路纵向力的计算，仅根据静力平衡条件是不够的，还必须补充一个变形条件WIEF0此式即为变形协调方程。它表示在伸缩力影响范围内，钢轨伸缩变形的代数和应为零。也可以用YA0或YF0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。根据钢轨力曲线、钢轨位移曲线和位移阻力三者在几何上的关系。由梁轨相互作用微分方程和可知。钢轨位移最大处，对应的DPDXRUDURDXPEAD2URDX21EARU钢轨力P0，对应于图中C、E点，UT拐点B、D和F对应于UR0处，即纵向阻力R在这些点变号，而钢轨力P取得峰值。由于结构形式及外