無軌道梁端扣件上拔力的有限元分析

無軌道梁端扣件上拔力的有限元分析

軌道的垂直靜載、梁體的傾斜、相鄰墩臺的不均勻沉降、橋梁側(cè)坡的梯度差異以及軌道板（道床板）的溫度梯度等因素可能導(dǎo)致梁端支架的垂直傾角。(1)列車豎向靜活載作用引起的梁端轉(zhuǎn)角。梁體在列車荷載作用下將發(fā)生撓曲變形,在梁端支座截面產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角,如圖2所示。(2)徐變上拱引起的梁端轉(zhuǎn)角。由于橋上無砟軌道在鋪設(shè)時預(yù)應(yīng)力混凝土梁的收縮徐變尚未全部完成,在鋪軌后的運營過程中,預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁會產(chǎn)生殘余徐變上拱,梁體跨中拱起,在梁端支座截面產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角,如圖3所示。(3)相鄰墩臺的不均勻沉降差異引起的梁端轉(zhuǎn)角。在橋上無砟軌道鋪設(shè)完成后的運營過程中,由于相鄰墩臺的不均勻沉降會使得相鄰墩臺產(chǎn)生沉降差,由此在橋梁端部產(chǎn)生豎向梁端轉(zhuǎn)角,如圖4所示。(4)橋梁上下梁面的梯度溫差引起的梁端轉(zhuǎn)角,如圖5所示。1.2回采過程中,梁縫上下鋼管不穩(wěn)定兩相鄰橋跨,當(dāng)一側(cè)梁端相對另一側(cè)梁端發(fā)生豎向位移時,相對下沉一端梁體通過扣件帶動鋼軌下沉,引起梁縫左右鋼軌的不平順。相對下沉的一端扣件承受上拔力,另一端承受下壓力,如圖6所示。縱坡地段橋梁的整體溫度差引起的豎向相對位移、同墩的兩支座不均勻壓縮等因素都是引起梁端豎向相對位移的原因,如圖7、圖8所示。2模型假設(shè)描述為了分析梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移對扣件系統(tǒng)受力的影響,根據(jù)橋梁和鋼軌的位移關(guān)系(圖9),本文建立了梁端扣件上拔力空間有限元計算模型,見圖10。該計算模型包括鋼軌單元、扣件單元、無砟軌道單元、橋梁單元。模型中采用如下假設(shè):(1)鋼軌采用梁單元模擬,單元長度按照扣件節(jié)點劃分。(2)無砟軌道采用梁和剛臂組合單元模擬,縱向為梁單元,橫向為剛臂。(3)扣件采用彈簧單元模擬,彈簧剛度根據(jù)扣件荷載變形曲線確定。(4)梁體采用梁單元和剛臂組合單元模擬,剛臂高度代表梁高,梁體與無砟軌道在節(jié)點剛性連接。(5)左梁順時針轉(zhuǎn)動為負(fù)(-),逆時針轉(zhuǎn)動為正(+);右梁順時針轉(zhuǎn)動為正(+),逆時針轉(zhuǎn)動為負(fù)(-),見圖11。根據(jù)以上計算模型,利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Ansys的APDL參數(shù)化編程技術(shù),實現(xiàn)自動建模、劃分單元、建立剛度矩陣、自動求解和結(jié)果輸出,這樣可減少手工建模工作量,提高工作效率。3影響梁端扣件剛度的因素梁端轉(zhuǎn)角、豎向相對位移均會引起梁端處橋梁和軌道豎向的相互作用,對梁端扣件產(chǎn)生附加上拔力或下壓力,附加上拔力和下壓力受到梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移的大小、梁端懸臂長度、梁縫處扣件間距、梁高的變化等因素的影響,以下分析各因素的影響規(guī)律。3.1梁端轉(zhuǎn)角《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》規(guī)定:對于無砟軌道,當(dāng)梁端懸出長度l≤0.55m時,橋臺與橋梁之間的轉(zhuǎn)角θ≤1.5‰弧度,相鄰兩孔梁之間梁端轉(zhuǎn)角θ≤3.0‰弧度;當(dāng)梁端懸出長度0.55m<l≤0.75m時,橋臺與橋梁之間的轉(zhuǎn)角θ≤1.0‰弧度,相鄰兩孔梁之間梁端轉(zhuǎn)角θ≤2.0‰弧度。根據(jù)上述扣件上拔力有限元計算模型,假設(shè)左側(cè)梁端轉(zhuǎn)角分別為0.5‰、1.0‰、1.5‰、2.0‰弧度時的扣件受力分布、計算結(jié)果見圖12。(圖12中X坐標(biāo)為扣件的編號,自梁縫向左依次為-1,-2,-3……,-9,-10;向右依次為:1,2,3……,9,10;扣件系統(tǒng)附加力符號規(guī)定拉力為正,壓力為負(fù))從計算結(jié)果可以看出:(1)左側(cè)梁端發(fā)生轉(zhuǎn)角時,No.-1號扣件承受最大上拔力,No.1號扣件承受最大下壓力值,梁端扣件受轉(zhuǎn)角的影響范圍在梁縫兩側(cè)各6組扣件。(2)梁端轉(zhuǎn)角越大,所引起的扣件最大上拔力和最大下壓力也就越大。3.2點豎向相對位移對軌道結(jié)構(gòu)的影響豎向相對位移不但影響軌道平順性和旅客舒適性,而且影響扣件的上拔力大小?！陡咚勹F路設(shè)計規(guī)范(試行)》規(guī)定:對于設(shè)有縱向坡度的無砟軌道橋梁,應(yīng)考慮梁體縱向伸縮引起的梁縫兩側(cè)鋼軌支承點豎向相對位移對軌道結(jié)構(gòu)的影響。假設(shè)橋梁梁縫兩端豎向相對位移(右側(cè)梁端不動,左側(cè)梁端下沉)分別為0.2mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm時,扣件系統(tǒng)受力如圖13所示。從以上計算結(jié)果可以看出:(1)當(dāng)右側(cè)梁端不動,左側(cè)梁端下沉?xí)r,豎向相對位移引起的最大上拔力出現(xiàn)在右側(cè)第一組扣件位置,最大下壓力出現(xiàn)在左側(cè)第一組扣件位置?？奂凶畲笊习螇毫妥畲笙聣毫鞠嗟取?2)梁端最大上拔力、最大下壓力隨著豎向相對位移的增大而增大。(3)豎向相對位移對扣件受力影響較為敏感,較小的豎向相對位移可以引起扣件中較大的上拔力、下壓力。3.3單懸臂長度的確定不同跨度的橋梁,其梁端懸臂長度也不相同。為了分析不同梁端懸臂長度對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響,計算懸臂長度分別為500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm時,左側(cè)橋梁發(fā)生轉(zhuǎn)角為1‰弧度的單側(cè)轉(zhuǎn)動時扣件系統(tǒng)受力如圖14所示。不同懸臂長度的扣件最大上拔力、下壓力見表1。從以上計算結(jié)果可以看出:梁端扣件上拔力和下壓力均隨梁端懸臂長度的增大而增大,因此,為減小梁端扣件的受力,應(yīng)盡量控制梁端懸臂長度。3.4合理高度當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角相同時,橋梁高度不同引起得扣件上拔力和下壓力也不同。當(dāng)橋梁左側(cè)梁端轉(zhuǎn)動1‰弧度,橋梁高度分別為3m、3.5m、4m、4.5m、5m時,扣件系統(tǒng)受力如圖15所示?？梢钥闯?一側(cè)梁端轉(zhuǎn)角為1‰弧度時,扣件系統(tǒng)最大上拔力、最大下壓力隨梁高的增大而減小,但變化幅度并不大?？梢?梁高對扣件上拔力影響很小。3.5不同梁縫扣件間距當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角相同時,梁縫處扣件節(jié)點間距的大小直接影響扣件的受力。當(dāng)梁內(nèi)扣件間距為650mm,梁縫處扣件間距分別為500mm、550mm、600mm、650mm、700mm時,橋梁一側(cè)梁端轉(zhuǎn)動1‰弧度引起扣件最大上拔力、下壓力變化趨勢如圖16所示。不同梁縫扣件間距的最大扣件上拔力、下壓力見表2?？梢钥闯?橋梁在一側(cè)轉(zhuǎn)動工況下,當(dāng)鋼軌上扣件間距保持不變時,扣件最大上拔力、最大下拉力隨梁縫處扣件間距的增大而減小。4梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移(1)梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移都將引起梁端扣件的附加上拔力和下壓力。過大的扣件上拔力和下壓力會影響扣件使用壽命,引起扣件的破壞及失效,甚至危及高速行車的安全。(2)梁端發(fā)生轉(zhuǎn)角引起的扣件最大上拔力、最大下壓力出現(xiàn)在梁端第一組扣件位置,扣件最大上拔力和最大下壓力隨梁端轉(zhuǎn)角的增大而增大。(3)豎向相對位移引起的最大上拔力、最大下壓力也出現(xiàn)在梁端第一組扣件位置。梁端最大上拔力、最大下壓力隨著豎向相對位移的增大而增大。豎向相對位移對扣件受力影響較為敏感,較小的豎向相對位移可以引起扣件中較大的上拔力、下壓力。(4)梁端懸臂長度、梁高、梁縫處扣件間距對扣件上拔力、下壓力的影響較小。橋梁受荷載作用將引起梁端位移,包括梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移(錯臺)。對于有砟軌道,由于道砟的流動特性,這種微小的位移一般不會對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;但是對于無砟軌道,軌道系統(tǒng)與橋梁處于較大的剛性連接狀態(tài),橋梁的梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移(錯臺)將對扣件、鋼軌及無砟軌道產(chǎn)生不利影響,引起梁端扣件的上拔力或下壓力。當(dāng)上拔力大于鋼軌扣件的扣壓力時,將導(dǎo)致鋼軌與軌下墊板脫開;當(dāng)鋼軌下壓時,將增大墊板所受壓力。該壓力大于墊板材料疲勞允許應(yīng)力時,將導(dǎo)致其發(fā)生疲勞破壞。梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移的結(jié)果將直接反映到扣件節(jié)點上,使兩梁梁端扣件支承點產(chǎn)生高度差,將影響到梁端軌面的平順性?？瓦\專線無砟軌道梁端扣件的上拔力問題必須引起足夠的重視,無砟軌道設(shè)計必須考慮梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移對軌道系統(tǒng)的影響。為了保證線路安全,減少維修工作量,梁端轉(zhuǎn)角引起的上拔力不應(yīng)大于鋼軌扣件的扣壓力,墊板所受壓應(yīng)力應(yīng)控制在墊板疲勞允許應(yīng)力范圍之內(nèi)。目前,國內(nèi)對于梁端轉(zhuǎn)角引起扣件上拔力研究較少。梁端轉(zhuǎn)角和豎向相對位移引起的扣件上拔力計算是無砟軌道設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一,國內(nèi)尚缺乏成熟的計算理論和設(shè)計方法,開展無砟軌道梁端扣件上拔力研究對于客運專線無砟