大跨度上承式钢管混凝土提篮拱桥桥上无缝线路计算分析.pdf

大跨度上承式钢管混凝土提篮拱桥桥上 无缝线路计算分析 魏 贤奎 ，王平 ( 西南交通大学 土木 工程学 院，成都6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 目前铁路建设 中出现 了多种 形式的特 殊桥 型， 它们超 出了我 国各种规范和暂 规所 涵盖的 范围。运 用梁轨相 互作 用 基本原理 。 笔者提 出了铁路 大跨度上承 式钢管混凝 土提 篮拱 桥 桥上无缝线路计算的 简化 算 法。 以某新建 双线上承 式提篮 拱 桥 为例 ， 运 用简化算法建立有限元模 型对不 同工况 下桥 上无缝 线路计算分析， 分析表 明： 上承 式提篮拱 桥桥 上无缝 线路计 算 中， 拱 圈温度差对钢轨伸 缩力有很 大的 影响 ， 挠曲 力的分布 规 律和数值较 常规桥 梁有较 大的差 别。文章 中的计算分 析方 法 和结果可用于指导铁路特殊桥 型桥 上无缝 线路设计 。 关键词： 钢管混凝土；提篮拱桥 ；无缝线路 ；计算分析 中图分类号 ： U 2 l 3 ． 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 —2 9 5 4 ( 2 0 1 0 ) l l 一 0 0 0 1 — 0 3 钢管 混凝 土拱桥 在我 国发展 已有近 2 0年 的历史 ， 由于它所 使用 的钢管混 凝土组 合材料 结 合 了钢 材和混 凝土 2种不同性质材料的优点 ， 使得结构承载力有 了 很大的提高 。拱肋采用提篮形式加大 了桥梁结构 横向刚度 ， 提高了结构的稳定性 ， 因而大跨度钢管混凝 土提 篮拱桥 很有 发展 前 景 。然 而 ， 目前 建 成 的铁 路 大跨 度钢管混 凝土 提 篮拱 桥很 少 ， 实 际应 用 经验 很 缺 乏 ， 因此有必 要对其 进行研 究 。 1 计算模型 研究 铁路 大跨 度 提篮拱 桥桥上无 缝 线路纵 向受力 的关键在于： 合理的计算假定和有限单元的选取、 正确 的截面简 化 以及 准确 的挠 曲力计算 求解 方法 。 1 ． 1 计 算假定 及单元 选取 提篮拱 较平行 拱 的优势 在于横 向刚度 的大 幅度提 高 ， 在竖向刚度上相差并 不大 ； 对桥上无缝线路纵 向受 力起决 定性 因素是拱 圈结 构 的竖 向刚度 。基 于 以 上两点作如下假定 ： ( 1 ) 拱脚 与基础连 接为全 约束 ， 不考 虑基础 位移 ； ( 2 ) 拱圈建模不考虑横向刚度 ， 只考虑竖向刚度 ； ( 3 ) 拱 肋 上墩 台建 模 只 考 虑 纵 向 刚度 ， 即 垂 直 于 线路方 向的截 面刚度 ； ( 4 ) 拱肋上墩台底端与拱肋 的联结视为固结 ； 收稿 日期： 2 0 1 0—0 5 —0 6 基金项目： 国家 自然科学基金科学部主任基金 ( 5 0 8 4 8 0 1 5 ) ， 2 0 0 8年铁道 部科学技术 司技术研究项 目( 2 0 0 8 G 0 3 1 - I) 作者简介： 魏贤奎 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 博士研究 生 ， 2 0 0 9年毕 业 于西南交 通 大学 ， 工学学士 ， E — ma i l ： k z f r 1 9 8 6 @1 2 6 ． c o m。 铁道标准设计 儿W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( “ ) 线路／ 路 基 ( 5 ) 梁体 建模 时刚度取 梁截 面水平 轴刚度 ； ( 6 ) 线路阻力按非线性考虑 ， 计算段墩 台刚度取 为线性值； ( 7 ) 模型为单轨单梁形式 ， 计算双线桥时将截面 刚度取为实际值 的一半。 分 析可知桥 梁 和轨 道 大 系统 的结 构特 点 ： 轨 道结 构通过扣件道床系统和梁体上缘发生相互作用 ； 梁体 的支座与梁体下缘连接传递纵 向力和竖 向力； 提篮拱 拱肋 上立 柱墩 与拱肋 上缘联 结 。基 于大 型有 限元 分析 软件 A N S Y S 进行有 限元建模 时， 拱肋单元 、 墩 台单元 及 梁 体 单 元 可 选 用 二 维 弹 性 锥 状 非 对 称 梁 B E A M 5 4单元 模拟 。B E A M5 4单 元 为单 轴且 能 承受 拉 压与弯 曲， 每个节点上有 3个 自由度 ： 沿 和 Y轴的位 移和绕 z轴的转动。单元允许具有不对称 的端 面结 构 ， 并且 允许 端面节 点偏 离截 面形心位 置 ( 图 1 ) 。 ① ? 旨 ． ( 菩 ～ y 图 1 BE AM5 4单 元 依据上述计算假定 和单元选取 ， 所建力学模型能 够较 为接近实 际 的结 构 ， 基 于有 限 元 法建 立 线桥 墩 空 间一体 化计算 模型 如图 2所 示 。 线路纵 向阻力钢轨 图 2线 桥 墩 空 间 一体 化计 鼻模 型 1 ． 2截面简化计算 钢管 混凝土截 面采用等效 截面 ， 其等效方 法按 《 钢管混凝土结构设计与施工规程》( C E C S 2 8 ： 9 0 ) 中 的条款采用⋯ ， 即： 『 EA ：E A。+ E A。 EI= Ec I e + I sA g 1 线路／ 路 基 魏贤奎， 王 平一大跨度上承式钢管混凝土提篮拱桥桥上无缝线路计算分析 式 中 ， 和 E ， 分 别 为钢 管 混凝 土 截 面 的 等效 轴 向刚 度和对其等效重心轴的抗弯刚度； E A 和 E ， 分别为 钢管内混凝土的轴 向刚度和对其重心轴的抗弯刚度 ； E A 和 E ， 分 别 为钢 管 的 轴 向 刚度 和 对 其 重 心 轴 的 抗 弯刚度 。 1 ． 3挠 曲力求解 方法 与路基 上铺设 无缝 线 路 不 同 的是 ， 在 桥上 铺设 无 缝线 路要充 分 的考 虑线 路 与桥 梁 的相互 作 用 ， 严格 的 控制轨道与桥梁的相互作用的附加力， 挠曲力是诸多 附加 力 中的一种 ， 它 是 因列 车 荷 载梁 的挠 曲而 引起 的 钢轨 附加力 。挠 曲力 的计算 往 往 较 为复 杂 ， 通 常需 借助桥梁专业软件计算梁拱共 同受力 时的变形 ， 再进 行梁轨相互作用分析来求解 。 笔者提出并运用了挠曲力计算的新方法 ： 利用有 限元分析软件 A N S Y S中 B E A M 5 4单元允许端面节点 偏离截 面形 心位置 这一 特 点 ， 建模 时 直接 用 实 际梁 截 面的上下缘节点作为单元节点 ， 这样就可 以很方便 的 计算 出列车荷 载作 用下 桥梁 上 缘 节点 的纵 向位 移 ， 进 而方便 的计算 出挠 曲力 。 为 了验 证 挠 曲力 计 算 新 方 法 的 正 确 性 ， 以 一 跨 3 2 m简支梁( 两端均为活动支座) 为例， 满跨布置列车 荷载 ， 自编程序建模计算 ， 将挠 曲力计算结果与验证程 序的比较 ( 图 3 ) ， 可见两个计算结果较为接近 ， 且符合 文献 [ 7 ] 中挠 曲力 分 布规 律 ， 说 明 了挠 曲力 计 算 新 方 法是正确 的 。 2计算 实例 距左桥 台距离， 瑚 —— 自编程序结果⋯⋯ 验证程序结果 图 3挠 曲力计算结果比较 2 ． 1 桥梁 简介 某新建 双线铁 路 大跨 度 钢管 混 凝 土提 篮 拱桥 ， 计 算跨径为 3 8 0 m， 矢高 7 6 m。拱顶 7 7 m范围内采用混 凝土“ 兀” 形 刚架 ， 拱顶 7 7 m范 围以外拱上梁跨采用 3 2 m铁路标准简支 T形梁 ， 立柱墩采用钢管混凝土刚 架墩 ( 图 4 ) 。桥 上铺 设 有砟 轨道 无缝 线 路 ， 全 桥铺 设 常 阻力 扣件 ， 不 设钢 轨伸缩 调节器 。 2 ． 2 模型 建立 模型建立时假定左边交界墩处为坐标原点 ， 为了 2 减小边界条件的影响， 按实际桥梁布置情况， 两边各取 6跨作 为计算 段 。 ( b ) 桥梁俯视 图 4桥 梁 结 构 2 ． 3 纵 向力计 算 2 ． 3 ． 1 伸 缩力计 算 在现有 规范 中 ， 只规 定 了常 规 桥梁 梁 体 温度 差 的 取值 ， 没有涉及特殊桥型温度差的取值。本文计算伸 缩力 时 ， 分 别考虑拱 圈温 度差 和 不 考虑 拱 圈 温度 差 两 种工况， 混凝土有砟梁温度差取为 1 5 o C ， 在考虑拱 圈 温度差 时 ， 暂定 温 度 差 为 1 5℃ 。伸缩 力 计 算 结果 如 图 5所示 ， 梁轨相 对位移 如 图 6所示 。 《 至 婚 垂 察 器 暑 皇 漳 靛 距左交界墩距离， m 图 5钢 轨 伸 缩 力 o o o 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 o 距左交界墩距离， m 图 6伸 缩 工 况 梁 轨 相 对 位 移 由图 5和 图 6可 以看 出 ， 考虑拱 圈温度 差时 ， 最 大 钢 轨 伸 缩 力 为 4 0 3 ． 6 0 k N ／ 轨 ， 最 大 梁 轨 相 对 位 移 为 6 ． 0 7 m m； 不 考 虑 拱 圈温 度 差 时 ， 最 大钢 轨 伸缩 力 为 1 7 5 ． 3 3 k N ／ 轨 ， 最 大梁轨 相对位 移为 3 ． 3 5 m m。 2 ． 3 ． 2 挠 曲力计算 检算荷载采用中一活载 ， 荷载从左至右入桥 ， 计算 全跨布置荷载和半跨布置荷载 2种工况。挠 曲力计算 结 果如 图 7所示 ， 梁轨相 对位 移如 图 8所示 。 由图 7和 图 8可 以看 出 ， 全跨 布 置荷载 时 ， 最大 挠 曲拉力 为 1 1 6 ． 6 1 k N ／ 轨， 最 大挠 曲压 力 为 1 7 3 ． 4 6 k N ／ 轨 ， 最大梁轨相对位移为 1 ． 0 3 m m； 半跨布置荷载 铁道 标准 设 计RAI LWAY S T ANDA RD DES I GN 2 0 1 0( 1 1) 魏 贤奎 ， 王 平一大跨度上承式钢管混凝 土提篮拱桥桥上无缝线路计算分析 时 ， 最 大 挠 曲拉 力 为 3 3 9 ． 7 3 k N ／ 轨 ， 最 大挠 曲压 力 为 3 6 7 ． 3 7 k N ／ 轨， 最大粱轨相对位移为 2 ． 4 3 m m。 莓 至 雹 恭 距左交界墩距 离， m 图 7钢轨挠 曲力 2． ⋯ 0 一一 ： 一 2 ． 0 L ： i 一2 ． 一5 1 — — 距 左 交 界 墩距 离／ m 图 8 挠 曲工况梁轨相对位移 2 ． 3 ． 3制动 力计算 中一活载从左至右入桥制动 ， 计算全跨 范围内制 动和半跨范围内制动两种工况。制动力计算结果如图 9所示 ， 梁 轨快速 相对位 移 如图 1 0所 示 。 簿 按 距左交界墩距离， m 图 9钢轨制动力 ／ 半 跨 范围 内 制 动 7 距左交界墩距离， m 图 1 O 制动工况梁轨快速相对位移 由图 9和 图 1 0可 以看 出 ， 全 跨范 围内制 动 时 ， 最 大制 动 力 为 1 7 9 ． 5 7 k N ／ 轨， 最 大 梁 轨 相 对 位 移 为 1 ． 4 4 m m；半 跨 范 围 内 制 动 时 ，最 大 制 动 力 为 1 1 5 ． 6 2 k N ／ 轨 ， 最 大梁轨 相对位 移为 1 ． 2 9 m m。 2 ． 4计算结果分析 在 2 ． 3 ． 1中 ， 考 虑拱 圈温 度 差后 的钢 轨 最 大 伸缩 铁道标准设 计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 1 1 ) 线路／ 路 基 力较不考虑拱圈温度差增大了 1 ． 3 1 倍 ， 钢轨伸缩力分 布图发生了很大的变化， 说 明拱圈的温度变化对轨道 结构 的受力有 很大 的影 响。 从 2 ． 3 ． 2的计算结果可以发现 ， 钢轨挠 曲力计算 时， 在拱跨全 跨范 围内布置检算 荷载求得 的挠 曲力 较 小 ， 是 因 为拱 圈 的变 形 较 为对 称 ， 梁 轨相 对 位 移 较 小 ； 在半跨 范围内布置 检算荷载 ， 拱 圈发生近似反对 称 的变形 ， 梁轨 相对 位 移较 大 ， 因而求 得 的挠 曲力 较 大 。 制动工况检算时， 通常在全桥范围内制动所求得 的梁轨快 速相对 位移 最 大 ， 所 得结 果 可 用 于道 床稳 定 性 的检算 。 3结 论及建 议 通过对某新建双线铁路上承式钢管混凝土提篮拱 桥桥上无缝线路纵 向力的计算分析 ， 可得如下结论及 建议 ： ( 1 ) 拱 圈 的温 度差 对 钢 轨 伸 缩 力 影 响 很 大 ， 由于 现有规范中没有明确规定拱圈温度差的取值 ， 在实际 检算时 ， 应根据已有应用经验及设计院提供的资料， 确 定合理的拱圈温度差 。 ( 2 ) 与常 规 桥梁 的挠 曲力 的规 律 不 同 ， 上 承 式 提 篮拱桥拱圈的变形对挠 曲力影 响较大， 通常在半跨拱 布置检算荷 载求得 的挠 曲力最为不利。值得注 意的 是 ， 常规桥梁挠曲力较伸缩力要小很多 ， 一般不控制轨 道检算 ， 而提篮拱桥挠曲力的计算结果很大 ， 与伸缩力 接近， 建议要重视此种桥型挠曲力的计算。 ( 3 ) 文章中提 出的计算方法 ， 适用于常规桥 型和 特殊桥型桥上无缝线路纵 向力 、 梁轨相对位移的计算 及分 布规律 的研 究 ， 所 得 结 果 可 以指 导桥 上 无缝 线 路 的设计 。 参考 文献 ： [ 1 ] 陈宝春． 钢管混凝土 拱桥设计 与施工 [ M] 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 1 9 9 9 ： 1 —5 ． [ 2 ] 曾德荣， 张庆 明． 提 篮式 拱桥 拱肋 内倾 角对横 向稳 定性 的影响 [ J ] ． 重庆交通学院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 1 ) ： 4 —8 ． [ 3 ] 郭月峰． 钢管混凝土提篮拱桥 内倾角对内力分布影响的研究 [ J ] ． 福建建筑 ， 2 0 0 7 ， 1 1 3 ( 1 1 ) ： 3 9— 4 0 ． [ 4 ] C E C S 2 8 ： 9 0， 钢管混凝土结构设计与施工规程 [ S ] ． [ 5 ] 李成辉． 轨道[ M] ． 成都 ： 西南交通大学 出版社 ， 2 0 0 4： 1 8 4—1 8 5 ． [ 6 】 刘文兵． 大跨度提篮拱桥上无缝 线路设计关键技术研究 [ J ] ． 铁 道 工程学报 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 7 —7 0 ． [ 7 ] 广钟 岩 ， 高慧 安． 铁 路无 缝 线路 [ M] ． 北 京 ： 中国铁 道 出版 社 ， 2 0 0 5： 2 2 4—2 3 4 ． [ 8 ] 李宏辉． 九曲河提篮拱桥受力特性分析 [ D] ． 成都 ： 西南交通 大学 桥梁与隧道工程系 ， 2 0 0 2 ： 1 —6 ． [ 9 ] 单德山 ， 李乔． 铁路提篮拱桥车桥耦合振 动分 析[ J ] ． 西南交通 大学学报 ， 2 0 0 5 ， 4 0 ( 1 ) ： 5 3—5 7 ， 3