广珠城际铁路无轨道梁端转角与梁端轨道结构适应性分析

广珠城际铁路无轨道梁端转角与梁端轨道结构适应性分析

受列车荷载、基础沉降、线路纵梁等因素的影响，桥梁端位移（包括旋转角和垂直相对位移）。在有砟轨道结构上,由于道砟是散料体结构,对梁端轨道结构传力有一定的放散作用,桥梁微小的变形一般不会对轨道结构产生明显影响;但是在无砟轨道结构上,轨道系统与桥梁处于较大刚性连接状态,桥梁的微小变形将对轨道结构产生较大的影响,影响列车运营的平顺性。引起梁端支座截面产生竖向转角的主要因素有:①列车竖向静活载作用引起的梁端转角;②徐变上拱引起的梁端转角;③相邻墩台的不均匀沉降差异引起的梁端转角;④桥梁上下梁面的梯度温差引起的梁端转角;⑤轨道板(道床板)温度梯度引起的转角等。本文针对广珠城际轨道交通实际情况,分析研究梁端轨道结构受力变形情况,为城际轨道交通梁端轨道结构的设计提供计算依据。1梁端位移对无轨道轨道的影响有限元分析桥梁梁端位移对无砟轨道结构受力变形影响涉及的因素很多,为了充分考虑这些影响因素,更加准确地计算出梁端位移对无砟轨道的受力影响,本文建立了有限元模型进行分析计算。1.1anasas单元梁端位移与无砟轨道结构受力变形相互影响的分析模型,采用“钢轨—轨道板—桥梁”一体化全桥模型,如图1所示。模型中假设如下:①钢轨为有限长;②在端部一定长度范围内,认为梁体为一刚性体,桥梁的转角同梁端转角一致,梁端转动导致一定长度范围的扣件支座发生按线性变化的竖向位移;③在无砟轨道承载层和梁体之间无相对位移;④仅考虑扣件系统的竖向约束能力,并将其简化为一分段线性弹簧;⑤转角方向规定:如图2所示,梁缝左侧梁体顺时针转动为负(-),逆时针转动为正(+);梁缝右侧梁体顺时针转动为正(+),逆时针转动为负(-)。采用有限元软件ANSYS对受力模型进行计算分析,ANSYS单元划分如图3所示。其中1、2、3分别为钢轨、扣件、轨道板单元,5为支承层单元,6、7为桥梁单元,8为梁高单元。梁缝处梁端转角位移引起无砟轨道扣件系统受力的计算模型如图4所示。1.2模量、竖向抗弯惯性矩钢轨采用60kg/m钢轨,弹性模量E=2.06×1011Pa,竖向抗弯惯性矩J=3217cm4,其扣件采用客专WJ-7B扣件。1.2.1弹性垫板失效阶段扣件系统节点由铁垫板、轨下弹性垫板、弹条及紧固螺栓构成,其节点刚度是影响梁端轨道结构受力的重要因素,扣件系统受力情况分析如下。扣件系统受力状态可分为三个阶段(图5),扣件系统节点刚度记为KF,弹性垫板刚度记为KP,单侧弹条刚度记为Ks,初始扣压力记为F0。第一阶段:在扣件系统受力的情况下,当弹性垫板压缩量大于弹条有效弹程F0/2Ks时,扣件系统节点弹性仅由弹性垫板提供,扣件节点刚度为弹性垫板刚度KP。第二阶段:当扣件系统受力方向由向下往向上逐渐变化时,钢轨由下压作用逐渐向上抬作用过渡,此时扣件系统节点弹性由弹条及弹性垫板共同提供,扣件节点刚度为KP+2Ks。第三阶段:当扣件系统所承受的上拔力大于扣件的扣压力,钢轨与弹性垫板脱开时,弹性垫板失效。扣件系统节点弹性仅由弹条提供,扣件节点刚度为弹条刚度2Ks。综上所述,扣件系统节点刚度KF、弹性垫板刚度KP、单侧弹条刚度Ks、初始扣压力F0、钢轨竖向位移Δy满足式(1)。KF=⎧⎩⎨⎪⎪KPKP+2Ks2KsΔy＜−F0/(2Ks)−F0/(2Ks)＜Δy＜F0/KPF0/KP＜Δy(1)ΚF={ΚΡΔy＜-F0/(2Κs)ΚΡ+2Κs-F0/(2Κs)＜Δy＜F0/ΚΡ2ΚsF0/ΚΡ＜Δy(1)1.2.2其他参数，请忽略扣件其它主要参数如表1所示。1.2.3梁端位移参数广珠城际轨道交通梁端转角和竖向相对位移,如表2所示。2梁段轨道结构的加固2.1计算噪声按广珠城际梁缝处最不利的轨道结构实际设计情况进行检算,共分三种工况。1缝处扣件节点间距桥梁悬臂长度为500mm,按最不利情况取梁缝处扣件节点间距700mm,轨道板扣件节点间距636mm,板端第一个扣件距梁端距离225mm,梁缝宽度250mm,如图6所示。2缝处扣件节点间距桥梁悬臂长度为500mm,按最不利情况取梁缝处扣件节点间距700mm,轨道板扣件节点间距623mm,板端第一个扣件距梁端距离225mm,梁缝宽度250mm,如图7所示。3轨道板扣件间距桥梁悬臂长度为500mm,按最不利情况取梁缝处扣件节点间距670mm,轨道板扣件节点间距636mm,板端第一个扣件距梁端距离225mm,梁缝宽度300mm,梁缝处一侧轨道板悬出梁端80mm,如图8所示。2.2梁端扣件系统上拔力根据以上有限元模型,对不同梁端转角引起的扣件上拔力进行计算,计算结果如图9～图11所示。根据广珠城际轨道交通实际桥梁梁端转角的位移值,梁端扣件系统上拔力按“ϕ1+ϕ3+ϕ4+δ1+δ2”的计算组合工况。在计算工况组合下,无砟轨道梁端扣件系统上拔力最大值和允许值如表3所示。3梁端偏转各因素对扣件系统的影响通过广珠城际梁端轨道结构受力变形计算分析,主要得到以下结论:1)桥梁无论发生何种形式的转角,无砟轨道扣件系统的受力和钢轨附加弯矩都随梁端转角的增大而增大,为保证扣件系统正常工作,应限制梁端转角的大小,尤其桥梁两侧非对称转动的限制应最为严格。2)梁缝两侧钢轨支点竖向相对位移对扣件系