高速铁路斜拉桥上无缝线路受力变形特征及结构优化设计研究

发布时间：2020-09-23 10:46

　　从工程应用来看,无缝线路是高速铁路的主要形式,为使线路跨越大江大河、各级公路等需要建设大量长大桥梁,但高速铁路高速运营时梁体的变形与轨道高平顺性要求相矛盾,无缝线路面临与长大桥这一复杂结构的协调性难题。斜拉桥是目前铁路桥梁中跨度最大、结构也最为复杂的一种桥梁,近年来在我国高铁桥梁上逐步开始应用,因此斜拉桥与无缝线路的组合也逐步发展,明确斜拉桥上无缝线路受力变形特征与其结构优化成为亟待解决的问题。本文以安九铁路大跨斜拉桥无缝线路为研究背景,基于梁轨相互作用理论与有限元模型,对比了全桥铺设常阻力扣件、小阻力扣件与设置调节器三种方案下的无缝线路结构受力变形规律;对调节器结构及铺设方案进行设计优化;探究了无缝线路长期服役过程中,桥梁轨道参数变化对斜拉桥无缝线路的影响,主要研究工作及结论如下:(1)基于有限元理论,研究了大跨斜拉桥梁轨相互作用机理,建立了大跨斜拉桥无缝线路空间耦合有限元模型。利用钢轨-扣件-轨枕-有砟道床-梁体之间的双层非线性弹簧单元模型模拟梁轨相互作用,更接近于结构实际的传力、受力特性,模拟结果更具有可信性。(2)计算了全桥铺设常阻力扣件、小阻力扣件、设置调节器三种方案在温度、列车荷载、列车与温度耦合荷载以及偶然荷载作用下无缝线路结构受力变形特征。斜拉桥温度跨度较大,全桥铺设常阻力或小阻力扣件时,无缝线路结构因伸缩力较大而无法通过强度与稳定性检算,需在梁端设置钢轨伸缩调节器(以下简称“调节器”);调节器对梁端挠曲荷载下钢轨受力变形影响较小;扣件阻力的减小会增大制(启)动附加力;耦合荷载与偶然荷载对于钢轨受力变形有较大影响,应当予以关注。(3)大跨斜拉桥无缝线路主梁梁端设置调节器时可满足无缝线路设计规范的要求,本文对调节器结构与铺设方案进行了优化设计。调节器最佳铺设方案为连续主梁梁端分别设置一组单向调节器,尖轨与基本轨的接头位于距离梁缝4.00m的连续主梁,尖轨也位于主梁;基本轨位于边跨简支梁并跨越主梁端部梁缝,始端距离梁缝6.00m;调节器范围内接头位置向基本轨方向5.00m范围内设置零阻力扣件,其余桥上铺设常阻力扣件;尖轨固定不动,基本轨伸缩。基于此方案,计算了不同工况下调节器伸缩量,考虑叠加效应及伸缩富余量,建议量程选择±600mm;斜拉桥无缝线路设置调节器后,必要时可以设置抬枕装置。(4)受自然环境以及长期荷载作用的影响,斜拉桥及无缝线路的部分参数将产生较大变化,探究了无缝线路设置调节器后,斜拉索刚度衰减、锁定轨温衰减、扣件与道床纵向阻力衰减对结构受力变形的影响。斜拉索刚度衰减对伸缩、制(启)动荷载下结构受力变形影响较小,挠曲荷载作用下结构的受力变形对斜拉索刚度变化更敏感;当锁定轨温衰减8℃时,客货共线钢轨强度不能满足规范要求;扣件、道床纵向阻力衰减,制(启)动力逐渐增大,梁轨相对位移也增大;斜拉桥上有砟轨道结构结构设计方法较为成熟,目前已广泛应用于现场。图120幅,表37个,参考文献94篇。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U441.7;U448.27
【部分图文】：

无缝线路,斜拉桥

形成无缝线路，以保障列车安全、可靠、平稳、舒适运行［３］。高速铁路无缝线路是逡逑轨道结构最突出的改进与创新［４’５］，包含了道床、轨枕、扣件、钢轨等结构的匹配逡逑技术，需克服复杂环境荷载影响、车辆动力作用、与路桥隧等结构的协调等技术逡逑难题，系统复杂、设计铺设要求高，且养护维修难度大。无缝线路以其行车的平逡逑稳性、乘坐的舒适性、使用寿命长、维修费用少等优点得到广泛应用，当前世界逡逑各国都在大力发展无缝线路。逡逑从工程应用来看，无缝线路是各国高速铁路的主要形式［６］。最早修建高速铁路逡逑的国家是日本，２０世纪６０年代，无缝线路的首次铺设是在东海道新干线。世界上逡逑发展无缝线路最早的国家是德国，１００年前己在有轨电车线路上使用焊接长钢轨，逡逑目前无缝线路约占运营里程的８０％。法国至今有无缝线路２万公里，占运营线路逡逑的５９％。世界上铺设无缝线路最长的是美国，至今有１２万公里。对于研究和铺设逡逑无缝线路较早的中国，１９５７年开始在京沪两地各铺设１公里无缝线路，次年就进逡逑行大规模试铺。２０１６年，我国正线无缝线路长度已达７万公里，占正线总长近７０％。逡逑无缝线路在秦沈、京津、武广、京沪等高速铁路中得到了全面应用，实现了在严逡逑寒地区、无砟轨道路桥隧上的连续铺设。无缝线路铺设里程将会越来越长，在未逡逑来高速铁路建设中必将有更大发展［７，８］。逡逑

桥上无缝线路,机制,无缝线路,钢轨

２．大跨斜拉桥－无缝线路空间耦合模型的建立逡逑本章基于限元理论与梁轨相互作用原理，以实际桥梁轨道尺寸建立了大跨斜逡逑拉桥－无缝线路空间耦合模型，考虑了钢轨－扣件－轨枕－道床－梁体的空间耦合作用。逡逑并对比了新建双层弹簧模型与既有模型的区别与优劣。逡逑２．１．梁－轨相互作用原理逡逑就斜拉桥上无缝线路而言，梁体受温度力的作用，从而产生伸缩，受列车荷逡逑载作用，产生挠曲，这些作用通过道床、轨枕及扣件传递到钢轨上，从而产生钢逡逑轨附加力，反过来，钢轨受到的附加力又通过扣件、轨枕、道床作用于桥梁上部逡逑结构及基础上［８３，８４］，包括梁体、主塔、斜拉索、固定支座等。如果桥上钢轨发生逡逑断裂，钢轨的伸缩也会通过扣件、轨枕、道床使墩台处的固定支座受到纵向力的逡逑作用。这说明线路纵向阻力和梁－轨相对位移是产生线桥纵向附加力的充要条件，逡逑斜拉桥无缝线路的传力机制如图２－１所示。逡逑

布置图,斜拉桥,全桥,铁路

速度目标值逦２５０ｋｍ／ｈ逦２５０ｋｍ／ｈ，局部限速；逡逑正线线间距逦５ｍ逦５ｍ逡逑最小曲线半径邋７０００．００ｍ，困难５５００．００ｍ；邋—般２２００ｍ，困难２０００ｍ，个别１０００ｍ；逡逑最大坡度逦２０％。，局部不大于３０％逦２０％0逡逑动车组类型逦ＣＲＨ动车组逦ＣＲＨ动车组（ＳＳ４货车）逡逑到发线有效长度逦６５０ｍ逦６５０ｍ逡逑列车运行控制方式逦自动控制逦自动控制逡逑调度指挥方式逦综合调度集中逦综合调度集中逦逡逑（２）桥梁基本资料逡逑１）设计活载：正线采用ＺＫ标准活载，安九斜拉桥客运专线两线采用ＺＫ标逡逑准活载，客货共线两线采用中－活载。逡逑２）主要工点设计逡逑①桥面系按四线设计，安九客运专线两线线间距５ｍ；预留两线按客货共线，逡逑线间距４．４ｍ；中间两线相邻线间距８ｍ。逡逑②主桥采用２－５０邋（混凝土梁）＋２２４邋（钢梁）＋６７２邋（钢梁）＋１７４邋（钢梁）＋３－５０逡逑（混凝土梁）钢箱混凝土混合梁斜拉桥，主塔采用Ｈ型钢筋混凝土塔柱，钢锚箱逡逑锚固方案。斜拉索懫用平行钢丝束。基础采用钻孔桩基础。全桥布置图如图２－４逡逑所示。逡逑

【参考文献】