簡支梁橋橋上無縫線路梁軌相互作用力學(xué)模型分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u2068簡支梁橋橋上無縫線路梁軌相互作用力學(xué)模型分析概述 1211471.132m簡支梁橋的梁軌相互作用模型 165971.1.1模型簡介 1117701.2主要計(jì)算參數(shù) 2231521.2.1橋梁設(shè)計(jì)參數(shù) 2264301.2.2軌道設(shè)計(jì)參數(shù) 3250701.2.3荷載計(jì)算參數(shù) 4183081.3建立模型 4110141.432m簡支梁橋上無縫線路縱向力分布規(guī)律 7174381.4.1伸縮力 7278152.4.2撓曲力 870521.4.3制動力 91.132m簡支梁橋的梁軌相互作用模型在本文中，使用有限元軟件SAP2000在橋上建立無縫軌道模型，分別使用梁單元、線性彈簧單元和非線性彈簧單元還原鋼軌和梁、道床垂向剛度和道床縱向阻力。同時(shí)，將放置在橋梁兩端的鋼軌延長100m以減少路基上鋼軌對橋上無縫軌道受力的影響。根據(jù)該模型，建立了長度為32m的簡支梁橋模型，并進(jìn)行了梁和鋼軌的相互作用計(jì)算和分析，可以有效簡化計(jì)算并了解力傳遞的途徑。1.1.1模型簡介建立橋梁-軌道有限元模型，應(yīng)遵循以下假設(shè)：無縫線路在橋梁上的橫向力很小，橋梁與軌道之間的橫向位移不影響橫梁和軌道的縱向力，因此，在繪制橋-軌有限元模型時(shí)，僅考慮平面力，并且可以考慮桿系結(jié)構(gòu)單元。（2）線路的縱向阻力由軌道結(jié)構(gòu)的類型決定。鋼軌扣件和道床是防止軌道縱向運(yùn)動的主要結(jié)構(gòu)，選擇線路的最小縱向阻力作為下限值，有砟軌道通常使用道床阻力，而無砟軌道則使用扣件阻力。（3）橋梁墩臺縱向剛度線性變化，不考慮其縱向位移。建立橋梁-軌道有限元模型的物理模型如下圖2-1所示。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11橋梁-軌道相互作用模型1.2主要計(jì)算參數(shù)研究橋梁-軌道模型受力特性的三個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)是橋梁、軌道和荷載，本小節(jié)介紹橋梁、軌道和荷載設(shè)計(jì)參數(shù)的定義和取值。本文參照我國現(xiàn)行規(guī)范、德國和UIC規(guī)范。1.2.1橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)（1）溫度跨度：溫度跨度的概念是指橋梁的固定支撐與相鄰橋梁或橋臺的固定支撐之間的距離。梁體在溫度變化的作用下產(chǎn)生膨脹和收縮變形，并驅(qū)動軌枕位移，從而使扣件產(chǎn)生的縱向力作用在軌道上，從而影響無縫線路的方案選擇。因此，在計(jì)算縱向力時(shí)需要考慮橋梁溫度跨度的長度的影響。溫度跨度示意圖如下圖2-2所示。圖2-2溫度跨度示意圖德國[5]和UIC規(guī)范[4]指出,未安裝伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，混凝土橋的溫度跨度應(yīng)小于90m，鋼橋則需小于60m。我國“現(xiàn)行規(guī)范”規(guī)定，在兩種情況下，橋梁都必須配備鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，即溫度跨度超過100m的鋼箱梁橋或者混凝土連續(xù)箱梁橋，其溫度跨度超過120m的。（2）下部結(jié)構(gòu)的縱向剛度：橋梁的整體剛度包含橋梁下部結(jié)構(gòu)的剛度，梁的跨度、橋墩的高度、橋墩的形狀和基礎(chǔ)的剛度都是影響下部剛度的因素，而下部結(jié)構(gòu)剛度的變化將導(dǎo)致橋梁和墩臺處于水平移動狀態(tài)，這個(gè)位移繼而改變了梁和鋼軌之間的相對位移，也影響鋼軌應(yīng)力以及橋墩和橋臺的力分布規(guī)律。橋梁下部結(jié)構(gòu)縱向剛度k可表示為：（2-1）墩頂縱向變形如圖2-3所示。圖2-3墩頂縱向變形示意圖1.2.2軌道設(shè)計(jì)參數(shù)線路縱向阻力：線路的縱向阻力是橋梁上無縫軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算的核心部分，并且它也是計(jì)算軌道縱向力的基礎(chǔ)。在選擇線路的縱向阻力參數(shù)大小的時(shí)候需注意考慮橋梁的設(shè)計(jì)承載力、容許斷縫長度、軌道強(qiáng)度等級和軌道穩(wěn)定等條件的影響。軌道截面參數(shù)：軌道截面參數(shù)包括諸如每延米的質(zhì)量、截面面積、慣性矩等參數(shù)。我國鐵路線上使用的鋼軌按其型號可分為三類：分別是50kg/m、60kg/m和75kg/m，也可稱為50軌、60軌和75軌，本文采用60kg/m的鋼軌即CHN60，其截面特征示如下表2-1。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11CHN60鋼軌的截面特征鋼軌型號每延米的質(zhì)量(kg)截面面積(mm2)慣性矩分析(mm4)高度(mm)寬度(mm)對y軸對x軸鋼軌軌頭軌底CHN601.2.3荷載計(jì)算參數(shù)UIC規(guī)范[4]中指出，影響梁-軌之間的相互作用的荷載狀態(tài)可分為6類：溫度效應(yīng)、豎向荷載、制動力率、收縮徐變、豎向溫度變化、下部結(jié)構(gòu)受不均勻溫度變化影響、地震荷載和行波效應(yīng)及碰撞。本文主要討論前三類。溫度效應(yīng)：各國規(guī)范指出，軌道的變形、梁軌之間相互作用與固定區(qū)的無縫線路鋼軌溫度的變化幅度沒有關(guān)系，梁體的溫度變化僅會印象伸縮力的計(jì)算。我國幅員廣大，根據(jù)幾個(gè)地區(qū)觀測資料的統(tǒng)計(jì)分析，我國規(guī)定混凝土有砟軌道的溫度變化幅值取15℃。在本文中，考慮橋梁伸縮力計(jì)算時(shí)，采用升溫15℃的變化幅值。豎向荷載：在計(jì)算列車活荷載時(shí)，為了簡化計(jì)算，使用標(biāo)準(zhǔn)荷載圖中的均布荷載進(jìn)行計(jì)算。參考規(guī)范，在本章節(jié)的伸縮力計(jì)算中，豎向均布荷載取值64kN/m。（3）制動力率：制動力率也可以稱為牽引力率，其值受列車的垂直活載、輪軌接觸方式和制動方式等因素的影響。德國[5]和UIC規(guī)范[4]中規(guī)定，制動力率的值為0.25，因此，在涉及制動力計(jì)算時(shí)，本文中該值為0.25*64=16kN/m。2.3建立模型（1）定義：定義坐標(biāo)軸（Global坐標(biāo)軸），定義材料屬性（采用Q345鋼軌和C50混凝土），定義截面屬性（鋼軌截面和梁截面），定義兩種連接類型（連接和剛臂），定義兩種支座類型（固定支座和活動支座）。其中，32m簡支梁橋的梁截面如下圖2-4所示。圖2-4簡支梁橋梁截面（單位：mm）運(yùn)用autoCAD繪圖軟件對該梁截面進(jìn)行簡單的分析計(jì)算，先將坐標(biāo)原點(diǎn)移至截面形心，再計(jì)算其截面特性如下表2-2所示。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12簡支梁截面特性截面截面面積(mm2)慣性矩分析(mm4)梁截面的彈性模量(N/mm2)梁截面的線膨脹系數(shù)對x軸對y軸簡支梁截面86703264.44×8.12×2.1×1.0×（2）從坐標(biāo)的原點(diǎn)開始，沿x軸繪制總共33個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，其間隔為1m。選擇“框架”功能中的鋼軌截面，將第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和第二個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，再選擇“帶屬性復(fù)制”功能將這33個(gè)節(jié)點(diǎn)連接組成簡支梁橋橋上鋼軌的模型。在這33個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)組成的鋼軌下方0.1m和2.2m處，同樣繪制特殊節(jié)點(diǎn)，組成梁軌連接和簡支梁橋橋面的模型，與上方組成鋼軌的特殊節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，再使用“兩點(diǎn)連接單元”功能，在0.1m處使用“連接”連接，在2.208m處使用“剛臂”連接。在代表梁體的框架單元中兩端的節(jié)點(diǎn)下方2.0m處各繪制一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)作為支座，與正上方梁體節(jié)點(diǎn)用“剛臂”連接，作為下翼緣剛臂。（3）在鋼軌的左右兩側(cè)各繪制100個(gè)間隔1m特殊節(jié)點(diǎn)，用相同的方法連接，作為路基上鋼軌。使用“單點(diǎn)連接單元”功能，將路基上代表鋼軌的點(diǎn)與路基一一進(jìn)行連接。根據(jù)《TB10015-2012鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，軌道的垂直剛度采用非線性連接，即600kN/cm。（4）在梁體下剛臂的兩處特殊節(jié)點(diǎn)處分別指定為橋梁的固定支座和活動支座。其中，在定義連接屬性-支座時(shí)，固定支座除R3方向外其他所有方向都勾選固定，活動支座只勾選U1、U3、R1、R2方向進(jìn)行固定，其他方向活動。注：U1代表垂直橋方向，U2代表平行橋方向，U3代表水平橋方向，R1代表繞1軸的旋轉(zhuǎn)，R2代表繞2軸的旋轉(zhuǎn)，R3代表繞3軸的旋轉(zhuǎn)。（5）圖2-5、2-6分別顯示了在x-z視圖和3-d視圖下的32m簡支梁梁-軌相互作用有限元模型的整體形狀。圖2-532m簡支梁梁-軌相互作用有限元模型（x-z視圖）圖2-632m簡支梁梁-軌相互作用有限元模型（3-d視圖）1.432m簡支梁橋上無縫線路縱向力分布規(guī)律1.4.1伸縮力在定義中，定義荷載模式為升溫15℃，荷載工況為非線性，在32m簡支梁有限元模型中選中所有梁截面，并施加升溫15℃的溫度荷載，再選中所有鋼軌截面，對鋼軌進(jìn)行運(yùn)行分析。分析完成后，通過“顯示”功能中的表格，過濾掉重復(fù)鋼軌坐標(biāo)的點(diǎn)，選擇最大值進(jìn)行繪圖分析，得到鋼軌軸向應(yīng)力圖，如下圖2-7所示。圖2-7鋼軌軸向應(yīng)力圖（伸縮應(yīng)力）由圖2-7可以看出，在15℃的溫度荷載作用下，鋼軌的伸縮應(yīng)力的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左端固定支座的位置，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在右端活動支座上，如下表2-3所示。表2-3鋼軌溫度應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置及大小鋼軌伸縮應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置拉/壓應(yīng)力數(shù)值(MPa)橋梁左端固定支座拉21.1橋梁右端活動支座壓43.32.4.2撓曲力在定義中，定義荷載模式為撓曲，荷載工況選擇非線性，在32m簡支梁截面上施加Gravity方向、大小為64KN/m的均布荷載，選中所有鋼軌截面，對鋼軌進(jìn)行撓曲力運(yùn)行分析。分析完成后，會發(fā)現(xiàn)模型出現(xiàn)肉眼可見的變形，同樣選擇鋼軌顯示表格，選擇輸出鋼軌應(yīng)力，過濾掉重復(fù)坐標(biāo)的鋼軌編號，選擇最大值進(jìn)行排序，鋼軌的撓曲軸向應(yīng)力圖如下圖2-8所示。圖2-8鋼軌軸向應(yīng)力圖（撓曲應(yīng)力）從圖2-8可以看出，在Gravity方向的均勻載荷作用下，鋼軌撓曲應(yīng)力的拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在簡支梁橋左端的固定支座處，壓應(yīng)力最大值則出現(xiàn)在右端活動支座的位置上，如表2-4所示。表2-4鋼軌撓曲應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置及大小鋼軌撓曲應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置拉/壓應(yīng)力數(shù)值(MPa)橋梁左端固定支座拉9.0橋梁右端活動支座壓4.71.4.3制動力在定義中，定義荷載模式為制動力，荷載工況為非線性，在32m簡支梁橋模型中施加水平方向（X方向）、取值為16KN/m的均布荷載，施加制動力的范圍是左側(cè)路基上鋼軌和整段橋梁上的鋼軌，在“選擇”功能中使用標(biāo)簽選擇，增量選擇鋼軌編號。在水平制動力