高速铁路无砟轨道桥梁梁端变形相关问题研究
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摘要
随着我国高速铁路的迅猛发展，无砟轨道应用日益广泛。无砟轨道是以混凝土或沥青砂浆取代散粒道砟道床而组成的轨道结构形式，它具有良好的稳定性、平顺性、耐久性。对于无砟轨道线路，由于梁端竖向转角的影响，造成在梁缝处轨道的局部隆起，使接缝一侧的钢轨扣件产生钢轨上拔力，另一侧造成轨下垫板下压的现象。另外，接缝范围内钢轨支点对轨道板（或混凝土道床板）的上拔力大于轨道板（或混凝土道床板）的自重时，会导致轨道的整体失稳。同时，相邻两跨桥梁之间及桥梁与桥台之间的转角、错台变形会产生轨道几何状态的不平顺，进而影响列车运行的舒适性和平稳性。针对上述问题，本文以室内试验和有限元仿真分析为研究手段，系统研究了梁端变形对无砟轨道强度和动车组通过梁端区域时安全性、舒适性的影响，为梁端限值的制定奠定了基础。
本文借鉴国外相关研究，针对我国高速铁路所采用的无砟轨道结构类型，依据无砟轨道各部件强度，确定了扣件上拔力、下压力限值和钢轨应力限值及梁端无砟轨道稳定系数；参考日本国铁舒适度评定标准，考虑到梁端变形的局部影响范围，给出动车组通过梁端区域时的瞬时安全性、舒适度指标。上述相关参数限值的确定为梁端变形限值制定确立了前提条件。
本文采用弹性支承梁模型，进行了梁端变形对扣件附加力和钢轨应力影响的理论分析；利用影响线方法和最优化原理，计算了24m、32m和40m三种不同跨度简支箱梁分别在ZK活载和四种类型的动车组荷载作用下跨中挠度最大值和梁端转角最大值，分析了梁端转角与挠跨比之间的比例关系，得出桥梁刚度设计控制因素为梁端转角限值。
模拟桥梁梁端变形，进行了室内试验研究。通过室内试验，得出了WJ-7型扣件系统刚度曲线，试验研究了梁端竖向转角和错台对扣件附加力、钢轨应力的影响幅值和范围。利用ANSYS有限元程序建立的3D-实体单元有限元模型模拟了室内试验工况，利用室内试验结果对有限元模型进行了进一步的验证；再利用参数化3-D实体单元模型分析了梁端伸出长度、扣件间距、扣件刚度及无砟轨道结构类型等因素对扣件附加力、钢轨附加应力的影响规律。
本文采用Abaqus有限元程序建立车辆-轨道-桥梁耦合动力分析模型，单元划分均采用六面体映射网格划分。以桥梁-线路-车辆耦合动力分析有限元模型为基础，分别计算了梁端发生竖向转角、竖向错台和横向转角、横向错台四种工况下动车组分别以300km/h和350km/h通过时的运行安全性和舒适性，分析了动车组通过梁端变形区域时安全性、舒适性随变形幅值的变化规律。
With rapid development of high speed railways in China, ballastless track is more andmore widely used. The ballastless track is a track structure which use concrete or asphaltmortar to replace the gravel ballast roadbed which features good stability, regularity anddurability. For ballastless track, the vertical corner at beam end will result in local hunch oftrack at the joint, which further cause uplift force of the fastener on one side of the joint andpressure stress of the subplate on the other side. If the uplift force acting on the track plate(or concrete slab) is larger than the weight of track plate (or concrete slab) at the supportingpoint, the whole track structure might lose stability. In addition, the corner between beams oftwo adjacent spans and that between the beam and abutment as well as faulting of beam endswill cause geometric irregularities of the track so as to influence the running comfort andsmoothness. For the above issues, influence of the beam end deformation on strength ofballastless track as well as the safety and comfort while EMU train passes by the beam endare systematically analyzed by indoor test and finite element simulation analysis so as toprovide reference for determination of limit value of beam end.
By drawing on relevant researches abroad, limit values for uplift force for clip, pressurestress and rail stress as well as stability coefficient for ballastless track at beam end areproposed according to the strengths of various components of ballastless track for high speedrailways in China; the instantaneous comfort index is proposed by referring to JR evaluationstandard and taking into consideration the influencing scope of beam end deformation. Allthe above limits serve for determination of beam end deformation limit.
Elastic support beam model is used to make theoretical analysis on influence of beamend deformation on fastener and rail stress; the influence line method and optimizationprinciples are applied to calculate the maximum values of midspan deflection and beam endcorner of24m,32m and40m simple support box beam under the action of ZK live load andfour types of EMUs so as to work out the proportional relationship between beam end cornerand deflection/span ratio. Finally it is concluded that the beam end corner limit is the controlfactor for rigidity design of bridge.
The beam end deformation is simulated in indoor test and the rigidity curve for WJ-7fastening system is worked out. The influence scope of beam end vertical corner and beamend faulting on fastener and rail is studied.3D solid unit finite element model established byANSYS program has simulated the testing load with the result used to validate the finiteelement model; parameterized3-D solid unit model is used to analyze the influence rules ofextension elongation of beam end, spacing between fasteners, rigidity of fasteners and typeof ballastless track on additional stress on fastener and rails.
Abaqus finite element program is used to establish the vehicle-track-bridge couplingdynamics analysis model which is divided into hexahedral grid, based on which four casesincluding vertical corner of beam end, vertical faulting of beam end, horizontal corner andhorizontal faulting of beam end are simulated to calculate the safety and comfort level withEMU passing by at respectively300km/h and350km/h, the variation law between the safetyand comfort level and the amplitude of displacement has been analyzed.
本文借鉴国外相关研究，针对我国高速铁路所采用的无砟轨道结构类型，依据无砟轨道各部件强度，确定了扣件上拔力、下压力限值和钢轨应力限值及梁端无砟轨道稳定系数；参考日本国铁舒适度评定标准，考虑到梁端变形的局部影响范围，给出动车组通过梁端区域时的瞬时安全性、舒适度指标。上述相关参数限值的确定为梁端变形限值制定确立了前提条件。
本文采用弹性支承梁模型，进行了梁端变形对扣件附加力和钢轨应力影响的理论分析；利用影响线方法和最优化原理，计算了24m、32m和40m三种不同跨度简支箱梁分别在ZK活载和四种类型的动车组荷载作用下跨中挠度最大值和梁端转角最大值，分析了梁端转角与挠跨比之间的比例关系，得出桥梁刚度设计控制因素为梁端转角限值。
模拟桥梁梁端变形，进行了室内试验研究。通过室内试验，得出了WJ-7型扣件系统刚度曲线，试验研究了梁端竖向转角和错台对扣件附加力、钢轨应力的影响幅值和范围。利用ANSYS有限元程序建立的3D-实体单元有限元模型模拟了室内试验工况，利用室内试验结果对有限元模型进行了进一步的验证；再利用参数化3-D实体单元模型分析了梁端伸出长度、扣件间距、扣件刚度及无砟轨道结构类型等因素对扣件附加力、钢轨附加应力的影响规律。
本文采用Abaqus有限元程序建立车辆-轨道-桥梁耦合动力分析模型，单元划分均采用六面体映射网格划分。以桥梁-线路-车辆耦合动力分析有限元模型为基础，分别计算了梁端发生竖向转角、竖向错台和横向转角、横向错台四种工况下动车组分别以300km/h和350km/h通过时的运行安全性和舒适性，分析了动车组通过梁端变形区域时安全性、舒适性随变形幅值的变化规律。
With rapid development of high speed railways in China, ballastless track is more andmore widely used. The ballastless track is a track structure which use concrete or asphaltmortar to replace the gravel ballast roadbed which features good stability, regularity anddurability. For ballastless track, the vertical corner at beam end will result in local hunch oftrack at the joint, which further cause uplift force of the fastener on one side of the joint andpressure stress of the subplate on the other side. If the uplift force acting on the track plate(or concrete slab) is larger than the weight of track plate (or concrete slab) at the supportingpoint, the whole track structure might lose stability. In addition, the corner between beams oftwo adjacent spans and that between the beam and abutment as well as faulting of beam endswill cause geometric irregularities of the track so as to influence the running comfort andsmoothness. For the above issues, influence of the beam end deformation on strength ofballastless track as well as the safety and comfort while EMU train passes by the beam endare systematically analyzed by indoor test and finite element simulation analysis so as toprovide reference for determination of limit value of beam end.
By drawing on relevant researches abroad, limit values for uplift force for clip, pressurestress and rail stress as well as stability coefficient for ballastless track at beam end areproposed according to the strengths of various components of ballastless track for high speedrailways in China; the instantaneous comfort index is proposed by referring to JR evaluationstandard and taking into consideration the influencing scope of beam end deformation. Allthe above limits serve for determination of beam end deformation limit.
Elastic support beam model is used to make theoretical analysis on influence of beamend deformation on fastener and rail stress; the influence line method and optimizationprinciples are applied to calculate the maximum values of midspan deflection and beam endcorner of24m,32m and40m simple support box beam under the action of ZK live load andfour types of EMUs so as to work out the proportional relationship between beam end cornerand deflection/span ratio. Finally it is concluded that the beam end corner limit is the controlfactor for rigidity design of bridge.
The beam end deformation is simulated in indoor test and the rigidity curve for WJ-7fastening system is worked out. The influence scope of beam end vertical corner and beamend faulting on fastener and rail is studied.3D solid unit finite element model established byANSYS program has simulated the testing load with the result used to validate the finiteelement model; parameterized3-D solid unit model is used to analyze the influence rules ofextension elongation of beam end, spacing between fasteners, rigidity of fasteners and typeof ballastless track on additional stress on fastener and rails.
Abaqus finite element program is used to establish the vehicle-track-bridge couplingdynamics analysis model which is divided into hexahedral grid, based on which four casesincluding vertical corner of beam end, vertical faulting of beam end, horizontal corner andhorizontal faulting of beam end are simulated to calculate the safety and comfort level withEMU passing by at respectively300km/h and350km/h, the variation law between the safetyand comfort level and the amplitude of displacement has been analyzed.
引文
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