超大跨度π形刚架上承式拱桥无缝线路力学行为与设计研究

《KSCE Journal of Civil Engineering》：Research on Mechanical Behavior and Design of Continuous Welded Rail on Super-large-span Deck Arch Bridge with π-shaped Rigid Frame

　　

摘要：单线客货共线铁路在采用π形刚架的超大跨度上承式拱桥上铺设无缝线路（CWR），主跨长度为570m。为支撑该上承式拱桥上无缝线路的设计，研究人员研究了桥梁参数对上承式拱桥上无缝线路受力与变形的影响。结果表明，拱上梁跨布置显著影响上承式拱桥上无缝线路的纵向力，合理的梁跨布置可有效降低纵向力。当桥墩纵向水平刚度从94.4kN/cm增大至10000kN/cm时，钢轨伸缩力、钢轨挠曲力、钢轨制动力和钢轨折断轨缝分别减小了1.43%、1.24%、1.22%和1.79%。拱肋刚度对钢轨挠曲力的影响远大于对钢轨伸缩力和钢轨制动力的影响，钢轨挠曲力的最大降幅可达68.53%。建议在该超大跨度上承式拱桥的无缝线路中，于拱肋两侧各设置一组钢轨伸缩调节器。

**超大跨度π形刚架上承式拱桥无缝线路力学行为与设计研究——论文解读**

**一、研究背景与问题**

拱桥因其跨越能力强、结构刚度大且适应山区地形等优势，在中国铁路建设中应用日益广泛，典型工程包括沪昆高铁北盘江大桥、南昆铁路南盘江大桥、大瑞铁路澜沧江大桥以及哈齐高铁新建松花江大桥等。无缝线路（CWR）凭借保持轨道平顺性、提升列车运行稳定性及降低养护维修工作量等优点，已在全球铁路广泛采用。既有研究已针对普通桥梁类型上的轨道-桥梁相互作用机理进行了系统探讨，涵盖高速铁路桥梁不同轨道结构形式的相互作用机制、大跨度连续梁桥无砟轨道无缝线路受力与变形、有砟轨道与桥梁相互作用的理论与试验成果、CRTSⅡ型板式无砟轨道与桥梁结构在列车荷载下的挠曲力与位移、温度梯度对轨道-桥梁相互作用的影响、桥梁长度与构造方案及中间支承纵向刚度对钢轨力的影响等方面，并据此建立了相应设计规范。

近年随着大跨度铁路桥梁的建设应用，研究者开始关注特殊桥型上的无缝线路力学特性研究，包括连续刚构桥、斜拉桥和悬索桥等。相较于常规连续梁桥，大跨度拱桥不仅跨度更大，而且结构构件更多，增加了纵向轨道-桥梁相互作用的复杂性。既有针对拱桥无缝线路的研究主要集中于中等跨度和常规大跨度拱桥（主跨小于500m），研究内容包括拱肋对钢轨纵向力的影响、不同无缝线路布置方案对力学行为的影响、跨度与支座布置对受力变形的影响、温度荷载与桥梁跨度布置及桥墩纵向水平刚度等因素的作用，以及拱肋温差与荷载分布对钢轨受力的影响等。然而，目前尚无公开文献研究超长拱肋与拱上π形刚架组合结构体系的轨道-桥梁耦合行为。因此，有必要针对超大跨度π形刚架上承式拱桥的无缝线路力学行为与设计方案开展专项研究。本研究依托黄桶至百色铁路跨越红水河的大跨度上承式混凝土拱桥，该桥主跨570m，拱顶设置140mπ形刚架，属于超大跨度上承式拱桥。

**二、主要技术方法**

研究人员基于纵向轨道-桥梁相互作用原理，采用通用有限元软件ANSYS 12.0建立了轨道-超大跨度上承式拱桥-桥墩一体化计算模型。模型中采用BEAM54单元模拟混凝土简支梁、混凝土T构梁、拱上钢-混组合连续梁、拱上π形刚架、拱肋及T构梁桥墩，采用BEAM3单元模拟钢轨，采用COMBIN39非线性弹簧单元模拟轨道与桥梁间的纵向相互作用，采用COMBIN14线性单元模拟桥墩和桥墩的纵向刚度，桥梁两端各设置120m路基区段以消除边界效应。为验证模型准确性，研究人员基于UIC规范774-3中案例E1-3的计算参数建立了60m简支梁无缝线路模型，钢轨伸缩应力与制动应力计算误差分别为+3.59%和-3.23%，验证了方法的可靠性。

**三、研究结果**

**3.1 拱上梁跨布置的影响**：研究人员设计了三种拱上梁跨布置方案，计算结果表明不同方案下钢轨伸缩力曲线形状相似，最大钢轨伸缩力均出现在8#墩处，峰值分别为651.21kN、513.46kN和643.70kN。采用4×40m简支梁的方案3钢轨伸缩力最小，原因是简支梁缩短了桥梁的伸缩长度。钢轨折断轨缝在方案1、方案2和方案3下分别为65.34mm、61.69mm和58.59mm。在列车荷载作用下，方案2的钢轨挠曲力和制动力最小，分别为355.69kN和266.95kN，相比原方案分别降低了35.19%和37.89%。

**3.2 桥墩纵向水平刚度的影响**：仅改变1#和8#桥墩的纵向水平刚度（从94.4kN/cm增大至10000kN/cm），钢轨伸缩力从651.21kN降至641.90kN，降低1.43%；钢轨折断轨缝从65.34mm降至64.17mm，降低1.79%；钢轨挠曲力从716.14kN降至707.23kN，降低1.24%；钢轨制动力从464.13kN降至458.47kN，降低1.22%。增大桥墩纵向水平刚度可减小拱肋截面变形引起的桥墩挠曲，增强轨道与桥梁间的约束效应，从而减小桥梁纵向位移。

**3.3 拱肋截面刚度的影响**：将拱肋截面刚度设置为原设计的0.5至4.0倍。钢轨伸缩力随拱肋刚度增大而增大，从641.89kN增至663.92kN，增幅3.43%；钢轨折断轨缝从66.01mm降至64.52mm，降幅2.26%。在列车荷载作用下，钢轨挠曲力从1067.81kN降至336.04kN，降幅达68.53%；钢轨制动力从529.14kN降至395.34kN，降幅25.29%。拱肋截面刚度对钢轨挠曲力的影响远大于对钢轨伸缩力和制动力的影响。

**3.4 π形刚架截面刚度的影响**：将π形刚架截面刚度设置为原设计的0.5至3.0倍。钢轨伸缩力从651.26kN降至651.03kN，降幅0.03%；钢轨折断轨缝从65.35mm降至65.32mm，降幅0.04%；钢轨挠曲力从716.17kN降至716.02kN，降幅0.02%；钢轨制动力从464.13kN降至464.11kN，降幅0.004%。π形刚架截面刚度的变化对钢轨受力与变形的影响可忽略不计。

**四、无缝线路方案设计与讨论**

研究人员提出了四种无缝线路设计方案：方案1为全桥铺设常阻力扣件系统；方案2为全桥铺设小阻力扣件系统；方案3在1#和8#桥墩处各设置一组钢轨伸缩调节器；方案4在5#和8#桥墩处各设置一组钢轨伸缩调节器。验算结果表明，方案1、方案2和方案3均不满足钢轨强度要求，而方案4同时满足钢轨强度、稳定性和钢轨折断轨缝要求。考虑到拱肋区域内轨道竖向变形显著，可能加剧钢轨伸缩调节器处的轨道不平顺并影响行车安全，建议将钢轨伸缩调节器设置在拱肋外侧，最终推荐采用方案4，即在5#和8#桥墩处各设置一组钢轨伸缩调节器。

**五、研究结论**

（1）拱上梁跨布置显著影响超大跨度上承式拱桥上无缝线路的纵向力，采用合理的梁跨布置可有效降低纵向力。（2）对于该超大跨度上承式拱桥，随着1#和8#桥墩纵向水平刚度的增大，钢轨伸缩力、钢轨挠曲力和钢轨制动力均减小，桥梁无缝线路设计由钢轨挠曲力控制，建议适当增大1#和8#桥墩的纵向水平刚度。（3）随着拱肋截面刚度的增大，钢轨伸缩力增大，而钢轨挠曲力和制动力显著减小，钢轨挠曲力降幅可达68.53%，拱肋截面刚度对钢轨挠曲力的影响大于对钢轨伸缩力和制动力的影响，为减小无缝线路纵向力，建议尽可能增大拱肋截面刚度。（4）随着π形刚架截面刚度的增大，钢轨伸缩力、钢轨折断轨缝、钢轨挠曲力和制动力分别仅减小0.03%、0.04%、0.02%和0.004%，表明π形刚架截面刚度对超大跨度上承式拱桥无缝线路的受力与变形基本无影响。（5）为满足超大跨度上承式拱桥上无缝线路的强度与变形要求，必须设置钢轨伸缩调节器。考虑钢轨伸缩调节器在梁缝处的长期运营维护，建议在拱肋外侧各设置一组钢轨伸缩调节器，具体位于5#和8#桥墩处。

该研究填补了超大跨度π形刚架上承式拱桥无缝线路设计领域的空白，系统揭示了桥梁关键参数对无缝线路受力与变形的影响规律，提出的设计方案为同类桥梁的无缝线路设计提供了重要参考依据。