【《简支梁桥上无缝线路梁轨相互作用力分析》3100字】

简支梁桥上无缝线路梁轨相互作用力分析1.132m简支梁桥梁轨相互作用模型本文采用SAP2000有限元软件来建立桥上无缝线路模型，分别使用梁单元、线性弹簧单元和非线性弹簧单元还原钢轨和梁、道床垂向刚度和道床纵向阻力，同时将钢轨在桥梁的两头分别延长100m以减小路基上钢轨对桥上无缝线路的受力影响。按照此模式，建立长度为32m的简支梁桥模型，计算分析其梁轨相互作用，可以有效简化计算，了解力学传递的途径。1.1.1模型简介建立桥梁-轨道有限元模型，应遵循以下假设：桥上无缝线路在横向受力较小，轨道与桥梁间的横向位移不影响梁轨纵向力，因此，在绘制桥梁-轨道有限元模型时只考虑平面受力，可以采用杆系单元。由轨道结构的类型来选取线路纵向阻力。钢轨扣件和道床是起到阻止钢轨纵向移动的主要结构，选取线路纵向阻力时取较小值，有砟轨道一般选取道床阻力，而无砟轨道则选取扣件阻力。桥梁墩台纵向刚度线性变化，不考虑其纵向位移。建立桥梁-轨道有限元模型参照的力学模型如下图2-1所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11桥梁-轨道相互作用模型1.2主要计算参数研究桥梁-轨道模型受力特性的三个主要设计参数是桥梁、轨道和荷载，本小节介绍桥梁、轨道和荷载设计参数的定义和取值。本文参照我国现行规范、德国和UIC规范。1.1.1桥梁设计参数（1）温度跨度：温度跨度的概念是指桥梁的固定支座到相邻桥梁固定支座或相邻的桥台之间的距离。梁体在温度变化作用下产生伸缩变形，并带动轨枕产生位移，使扣件产生的纵向力作用在钢轨上，从而影响无缝线路的方案选择。因此，在计算纵向力时需考虑温度跨度的影响。温度跨度示意图如下图2-2所示。图2-2温度跨度示意图德国[5]和UIC规范[4]指出,在不设置伸缩调节器时，混凝土桥的温度跨度要小于90m，钢桥则需小于60m。我国“暂行规范”（已废止）指出桥梁应设置钢轨伸缩调节器的情况有以下两种，分别是温度跨度超过100m的钢梁桥或超过120m的混凝土连续梁桥。（2）下部结构的纵向刚度：桥梁整体刚度包含桥梁下部结构刚度，梁跨、墩高、墩形和基础刚度都是影响下部结构刚度变化的因素，而下部结构刚度的变化会引起桥梁和墩台产生水平位移，进而使梁轨间相对位移发生变化，也影响着钢轨应力和桥梁墩台的受力分布。桥梁下部结构纵向刚度k可表示为：（2-1）墩顶纵向变形如图2-3所示。图2-3墩顶纵向变形示意图1.1.2轨道设计参数线路纵向阻力：线路的纵向阻力是设计和计算桥上无缝线路结构的中心一环，也是计算线路纵向力的基础。在选择线路纵向阻力参数大小的时候需注意考虑桥梁的设计承载力、容许断缝长度、轨道强度等级和轨道稳定等条件的影响。轨道截面参数：轨道截面参数包括每延米质量、截面面积、惯性矩等参数。我国铁路线上所采用的钢轨按型号分可分为三类：分别是50kg/m、60kg/m和75kg/m，也可称为50轨、60轨和75轨，本文采用60kg/m轨即CHN60，其截面特性如下表2-1所示。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11CHN60轨截面特性钢轨类型每延米质量(kg)截面面积(mm2)对竖直轴惯性矩(mm4)对水平轴惯性矩(mm4)钢轨高度(mm)轨头宽度(mm)轨底宽度(mm)CHN6066.6407745176.073.0150.01.1.3荷载计算参数UIC规范[4]中指出，梁轨相互作用的荷载工况可分为6类：温度效应、竖向荷载、制动力率、收缩徐变、竖向温度变化、下部结构受不均匀温度变化影响、地震荷载和行波效应及碰撞。本文主要讨论前三类。温度效应：各国规范指出，轨道的变形、梁轨之间相互作用与固定区的无缝线路钢轨温度的变化幅度没有关系，梁体的温度变化仅会印象伸缩力的计算。我国幅员广大，根据几个地区观测资料的统计分析，我国规定混凝土有砟轨道的温度变化幅值取15℃。在本章节的伸缩力计算中，也采用15℃的变化值。竖向荷载：在计算列车活载时，为简化计算而采用标准荷载图示中的均布荷载进行计算。参考规范，在本章节的伸缩力计算中，竖向均布荷载取值64kN/m。（3）制动力率：制动力率也可以称为牵引力率，其值的大小受到列车竖向活载作用、轮轨接触方式和制动方式等因素的影响。德国[5]和UIC规范[4]中规定制动力率为0.25，在本文中涉及制动力计算时，取值为0.25*64=16kN/m。1.3建立模型（1）定义：定义坐标轴（Global坐标轴），定义材料属性（采用Q345钢轨和C50混凝土），定义截面属性（钢轨截面和梁截面），定义两种连接类型（连接和刚臂），定义两种支座类型（固定支座和活动支座）。其中，32m简支梁梁截面如下图2-4所示。图2-4简支梁截面（单位：mm）使用autoCAD软件对梁截面进行分析计算，其截面特性如下表2-2所示。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12简支梁截面特性截面名称面积(mm2)对水平轴惯性矩(mm4)对竖直轴惯性矩(mm4)弹性模量(N/mm2)线膨胀系数简支梁截面86703264.44×8.12×2.1×1.0×（2）从坐标原点开始，沿x轴方向绘制间隔为1m的特殊节点，共33个。选择“框架”功能，将第一个节点和第二个节点连接，再选择“带属性复制”功能将这33个节点连接成一段钢轨模型。在这33个节点下方0.1m和1.208m处同样绘制特殊节点，与之一一对应，使用“两点连接单元”功能，在0.1m处使用“连接”连接，在1.208m处使用“刚臂”连接。在梁体两端的节点下方1.092m处各绘制一个特殊节点作为支座，与正上方节点用“刚臂”连接作为下翼缘刚臂。（3）在钢轨的左右两侧各绘制100个间隔1m特殊节点，用相同的方法连接，作为路基上钢轨。使用“单点连接单元”功能，将路基上代表钢轨的点与路基一一进行连接。根据《TB10015-2012铁路无缝线路设计规范》可知，轨道竖向刚度采用非线性连接，取600kN/cm。（4）在梁体下刚臂的两处特殊节点处分别指定固定支座和活动支座，其中固定支座除R3外所有方向都固定，活动支座只固定U1、U3、R1、R2。注：U1表示竖桥向，U2表示顺桥向，U3表示横桥向，R1表示绕1轴的转动，R2表示绕2轴的转动，R3表示绕3轴的转动。（5）32m简支梁梁轨相互作用有限元模型在x-z视图和3-d视图下整体形状分别如下图2-5、2-6所示。图2-532m简支梁梁轨相互作用有限元模型x-z视图整体形状图2-632m简支梁梁轨相互作用有限元模型3-d视图整体形状1.432m简支梁桥上无缝线路纵向力分布规律1.4.1伸缩力在32m简支梁有限元模型中施加升温15℃的温度荷载。钢轨的轴向应力图如下图2-7所示。图2-7钢轨轴向伸缩应力图由图2-7可以看出，在升温荷载15℃的作用下，钢轨伸缩应力的极值出现在固定支座和滑动支座附近，如表2-3所示。表2-3钢轨温度应力极值出现的位置及大小钢轨应力极值出现位置拉/压应力数值(MPa)桥梁固定支座附近拉21.1桥梁滑动支座附近压43.31.4.2挠曲力在32m简支梁截面上施加重力方向、大小为64KN/m的均布荷载。钢轨的轴向应力图如下图2-8所示。图2-8钢轨轴向挠曲应力图由图2-8可以看出，在重力方向的均布荷载作用下，钢轨挠曲应力的极值出现在固定支座和滑动支座附近，如表2-4所示。表2-4钢轨温度应力极值出现的位置及大小钢轨应力极值出现位置拉/压应力数值(MPa)桥梁固定支座附近拉9.0桥梁滑动支座附近压4.71.4.3制动力在32m简支梁有限元模型上施加水平方向、大小为16KN/m的均布荷载，施加范围是左侧路基上钢轨和整段桥梁上钢轨。钢轨的轴向应力图如下图2-9所示。图2-9制动力作用下钢轨轴向应力分布图由图2-9可以看出，在水平方向的均布荷载作用下，钢轨制动应力的极值出现在固定支座和滑动支座附近，如表2-5所示。表2-3钢轨温度应力极值出现的位置及大小钢轨应力极值出现位置拉/压应力数值(MPa)桥梁固定支座附近拉1.0桥梁滑动支座附近压8.71.5本章小结本章主要介绍了32m简支梁上梁轨相互作用有限元模型在SAP2000软件中的建立和如何计算不同荷载工况下的伸缩力、挠曲力和制动力，得到简支梁桥上无缝线路纵向力分布的结论，主要有以下三点：在温度荷载、竖向方向均布荷载和水平方向均布荷载这三种荷载工况作用下，简支梁模型的钢轨轴向应力极值呈现相同的规律，即都在简支梁桥的两端支座附近出现极值，拉应力最大值出现在左端固