陈罄超
中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031
摘要：为了研究墩台纵向水平刚度对桥上无缝线路纵向附加力的影响，基于梁轨相互作用原理，采用有限元方法建立线-桥-墩一体化计算模型，以多跨简支梁和连续梁为例，分析了不同的墩台刚度对桥上无缝线路计算的影响。计算结果表明，钢轨伸缩力与位移、墩台纵向力随着墩台纵向水平刚度的增加而增大，但增幅渐缓；对于桥梁墩台自身位移较大时，应在桥上无缝线路纵向力计算中考虑其作用；钢轨挠曲力将随着墩台刚度值不同而变化，且其对简支梁的影响较连续梁要大；桥墩纵向水平刚度对钢轨制动力、梁轨相对位移的影响较为明显，设计中应设定墩台最小水平刚度限值；应合理确定桥梁墩台纵向水平刚度值，以减小钢轨断缝值。
关键字：纵向水平刚度；无缝线路；梁轨相互作用；钢轨附加力
1前言
桥上的无缝线路承受桥上附加纵向力作用[1]。这些附加纵向力同时反作用于梁跨，并传递至固定支座上，使桥墩产生弹性变形，墩顶发生纵向位移，墩顶纵向位移又改变了梁体纵向位移分布，继而影响梁轨间的纵向附加力。桥梁墩台纵向水平刚度为使桥梁墩台支承垫石顶产生单位纵向水平位移时所需的纵向作用力。从梁轨相互作用机理来看，墩台纵向水平刚度会显著影响到梁体的纵向位移分布，也必然会影响到钢轨与桥梁所受到的纵向附加力[2-4]，因此桥墩的纵向水平刚度取值应在合理范围。本文通过建立简支梁及连续梁桥上无缝线路计算模型，分析无缝线路对墩台纵向水平刚度大小的影响。
2计算背景
基于桥上无缝线路梁轨相互作用机理及轨道、桥梁的结构受力特点[5]，建立的线桥墩一体化计算模型[6-8]，以连续梁为例，见图1所示。在该计算模型中，采用弹簧单元模拟线路纵向阻力。
简支梁以5跨32m为例进行计算，固定支座位于简支梁左边，梁体结构参见《时速250公里客运专线铁路有砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁》（通桥（2008）2221A）通用图设计，梁高2.8m，桥台纵向水平刚度取为3000kN/cm.双线，桥墩纵向刚度取值为350kN/cm.双线[10]，桥梁日温差为15℃，线路纵向阻力依据《铁路无缝线路设计规范》设计规定采用双线性阻力形式[9]。连续梁以2×32m简支梁+（32+48+32）m连续梁+2×32m简支梁为例，支座布置如图1所示，连续梁墩台纵向水平刚度为1000kN/cm.双线，线路阻力参数及桥梁日温差取值与简支梁相同。
图1桥梁支座布置图
计算桥上无缝线路纵向附加力时，分别选取不同的墩台纵向水平刚度计算分析钢轨、墩台纵向力以及钢轨位移的变化。
3计算结果及分析
3.1墩台纵向水平刚度与无缝线路伸缩力的影响计算
根据《铁路无缝线路设计规范》，计算伸缩附加力时，混凝土有砟梁温度差取为15℃，其余计算参数同前。随着每个墩台纵向水平刚度的变化。简支梁及连续梁上钢轨最大伸缩压力、墩台最大纵向力、钢轨最大伸缩位移的变化如表1所示。
表1墩台纵向水平刚度对伸缩力的影响
从表1中可见，随着桥梁墩台纵向水平刚度的增大，无论是简支梁还是连续梁，钢轨伸缩力与伸缩位移、墩台纵向力均随着增大，但增加幅度在逐渐减缓。这主要是因为桥梁墩台纵向水平刚度越大，在钢轨反作用力下桥梁整体位移所受约束越强，梁轨位移相等点越靠近固定支座，相等点两侧的纵向阻力之和越大，致使钢轨及桥梁承受的纵向力也就越大。从减小钢轨伸缩力的角度考虑，桥梁墩台纵向水平刚度不宜过大。
3.2墩台纵向水平刚度与无缝线路挠曲力的影响计算
挠曲工况计算时，根据《铁路无缝线路设计规范》之规定，荷载类型取中－活载，入桥类型为从左至右，其余计算参数同前。简支梁及连续梁上钢轨最大挠曲压力、墩台最大纵向力、钢轨最大纵向位移的变化如表2所示。
表2墩台纵向水平刚度对挠曲力的影响
从图3中可见看出，连续梁桥上钢轨挠曲力的分布却随墩台纵向水平刚度的改变而有所变化，这主要是由于与连续梁相邻的简支梁桥墩纵向水平刚度增大后，导致两者交界处的桥梁相对纵向位移增大而导致连续梁端部的钢轨挠曲力有所增大，而连续梁上钢轨挠曲力则主要是由连续梁自身的纵向位移波动所决定，随其整体位移的变化幅度较。从表2中可见，随着桥梁墩台纵向水平刚度的增大，墩台纵向力和钢轨纵向位移均随着桥墩纵向水平刚度的增大而增大，简支梁上钢轨挠曲力也随之增大，而连续梁上钢轨最大挠曲压力基本上未发生变化。总的来看，桥墩纵向水平刚度的变化对简支梁挠曲力的影响较大而对连续梁挠曲力的影响较小。
3.3墩台纵向水平刚度与无缝线路制动力的影响计算
制动力计算时，计算列车制动力时轨面摩擦系数取为0.164，荷载类型为中－活载，荷载从左至右入桥。钢轨制动力、墩台纵向力、钢轨纵向位移及梁轨相对位移的变化如表3所示。
表3墩台纵向水平刚度对挠曲力的影响
表3中可见，随着桥梁墩台纵向水平刚度的增大，墩台纵向力随之增大而钢轨纵向力及纵向位移均随之减小，梁轨相对位移也随之减小；当桥墩纵向水平刚度增大至一定程度后，中间桥墩承受着大部分的制动荷载，左桥台承受的纵向力反而有所减少。
3.3墩台纵向水平刚度与无缝线路断缝值的影响
以连续梁为例，钢轨降温幅度为50℃，假设钢轨断缝位于连续梁右端梁缝处，计算得到的钢轨断轨力及墩台受力分布如图7所示，钢轨断缝值随桥梁墩台纵向水平刚度的变化如图8所示。
图2钢轨及墩台纵向力分布图3钢轨断缝值
从图3可见，随着墩台刚度的增大，对钢轨伸缩的约束作用增大，因而钢轨断缝值逐渐减小。
4结论
通过建立简支和连续梁桥桥上无缝线路纵向力分析模型，采用不同的墩台纵向水平刚度进行计算，可得如下结论及建议：
1）随着桥梁墩台纵向水平刚度的增大，钢轨伸缩力与伸缩位移、墩台纵向力均随着增大，但增加幅度在逐渐减缓。从减小钢轨伸缩力的角度考虑，桥梁墩台纵向水平刚度不宜过大。
2）墩身水平位移会改变梁轨系统的受力情况。当墩台自身水平位移较大时，应考虑其对桥上无缝线路纵向力计算的影响。
3）随着桥墩纵向水平刚度的变化，简支梁及连续梁桥上钢轨挠曲力分布均有所变化，但前者影响较后者要大。
4）桥墩纵向水平刚度对制动工况下钢轨受力及梁轨相对位移的影响较大，因此桥上无缝线路设计中对桥墩纵向水平刚度的最小限值进行了规定。
5）墩台刚度越大，钢轨断缝值减小。为满足断缝值不超限，要限制桥梁墩台最小水平刚度值。
参考文献：
[1]卢耀荣.无缝线路应用与研究[M].北京：中国铁道出版社，2004.
[2]李志辉.铁路高墩、大跨、长联简支梁桥上无缝线路桥墩纵向水平线刚度优化[D].中南大学，2011.
[3]张迅.常用跨度连续梁桥墩顶纵向水平线刚度限值研究[D].西南交通大学，2008.
[4]申全曾.高速铁路小跨度梁桥墩设计纵向水平刚度限值的探讨[J].铁道标准设计，1997（12）：
[5]广钟岩，高慧安.铁路无缝线路[M].北京：中国铁道出版社，2005.
[6]魏峰.制动力作用下铁路桥墩墩顶纵向水平刚度变化模型试验研究[J].铁道工程学报，2007（12）：49-52.
[7]徐庆元，陈秀方，李树德.高速铁路桥上无缝线路纵向附加力研究[J].中国铁道科学，2006（03）：8-12.
[8]徐庆元，周小林，杨晓宇.桥上无缝线路附加力计算模型[J].交通运输工程学报，2004（01）：25-28.
[9]魏峰，牛斌，季文玉.客运专线铁路简支梁桥墩台纵向线刚度分析研究[J].铁道建筑，2010（04）：21-25.
[10]中铁第四勘察设计院.《铁路无缝线路设计规范》[S].