基本介紹
- 中文名：無縫線路縱向力
- 外文名：The longitudinal force of the seamless line
- 作用：影響鋼軌縱向力
簡介,鐵路斜拉橋上無縫線路縱向力規律分析,鋼軌伸縮力分析,鋼軌撓曲力分析,鋼軌制動力分析,斷縫值分析,日照作用下箱梁橋上無縫線路縱向力,日照溫度場理論,計算參數影響分析,大跨斜拉橋上無縫線路縱向力的變化規律,體系溫差變化幅度的影響,斜拉索修正彈性模量的影響,縱向阻力模型的影響,小阻力扣件的影響,
簡介
國內鐵道科學研究院、中南大學（原長沙鐵道學院）、西南交通大學、北京交通大學對該問題有過一定的研究和探討。
對於無縫線路縱向力，國內外學者進行了廣泛的研究。關於其力學模型，通常採用縱向非線性彈簧模擬梁軌之間的非線性作用，採用帶剛臂的梁單元模擬橋樑，該模型被證明可以正確模擬無縫線路與橋樑之間的相互作用問題。
文獻還對斜拉橋上無縫線路的縱向力進行了分析，探討了縱向阻力模型、斜拉橋結構體系、溫度荷載與風荷載等設計參數對鋼軌縱向力的影響。
鐵路斜拉橋上無縫線路縱向力規律分析
可將斜拉橋簡化為跨中設定固定支座的連續梁進行鋼軌伸縮力計算；計算鋼軌撓曲力時，可在斜拉橋主跨及其鄰跨上布置荷載，或僅在斜拉橋主跨上布置荷載，而且不必考慮列車入橋方向的變化；鐵路斜拉橋需設定速度鎖定器以有效限制列車制動作用下的主梁縱向位移，減小線路受力變形；斜拉橋上鋪設無縫線路應採用梁軌相互作用法以精確計算鋼軌斷縫值。
鋼軌伸縮力分析
由於現有規範中沒有關於主塔墩和斜拉索日溫差的規定，考慮主塔墩和斜拉索日溫差依次為0、15、20、25℃四種工況，鋼軌伸縮力及橋面縱向位移，四種工況下鋼軌最大伸縮力分別為1406.6、1411.1、1412.6、1414.1kN，說明主塔墩和斜拉索溫差對鋼軌伸縮力幾乎無影響，這是因為鋼軌伸縮力主要是由梁體的縱向伸縮位移引起的，而鋼桁斜拉橋的斜拉索剛度和主梁剛度懸殊，主塔墩的伸縮變形又發生在豎向，主梁在溫度作用下伸縮變形幾乎不受斜拉索約束和主塔墩變形的影響，從四種工況下的橋面縱向位 移看出來，主梁位移零點位於跨中附近，基於這一點，就可將該鋼桁斜拉橋主橋簡化為跨中設定固定支座等。
此橋需設定伸縮調節器以避免軌道強度及穩定性問題，伸縮調節器設定可在主梁兩端各設一組單向伸縮調節 器，其中伸縮調節器尖軌指向主橋以外。
鋼軌撓曲力分析
斜拉橋上鋼軌撓曲力計算規律尚無詳細總結，在此假設中－活載從左端入橋，考慮斜拉橋結構對稱性，選取以下4種典型計算工況：工況一，左一邊跨和左二邊跨布置荷載；工況二，左二邊跨和主跨左半跨布置荷載；工況三，左二邊跨和主跨布置荷載；工況四，主跨布置荷載。
考慮到斜拉橋結構的對稱性及主跨上布置荷載對鋼軌撓曲力影響最大，因此，建議此類橋型可按工況三和工況四荷載布置方式計算鋼軌撓曲力且不必考慮列車入橋方向的變化。
鋼軌制動力分析
算例斜拉橋採用半漂浮體系，主梁在順橋向不設定縱向約束，僅通過斜拉索間接與主塔墩相連，此種體系下為了減小列車制動作用下的結構變形，一般都要在主梁與主塔墩連線處設定速度鎖定器，速度鎖定器只在列車制動或地震等結構變形發生急劇變化的情況下才發揮作用，能夠強有力地約束主梁縱向位移。
斷縫值分析
用公式法計算斷縫值時，忽略了橋樑結構的影響，是按路基地段的無縫線路計算斷縫，這在計算中小跨度簡支梁或連續梁時的精度可以滿足要求，但對於大跨橋樑斷縫值的計算可能會與實際差別較大，需通過梁軌相互作 用法才能精確計算斷縫值。下面就通過CSBCWR計算軟體，採用公式法和建立全橋模型的梁軌相互作用法分別計算斷軌後的斷縫值，其中根據鋼軌伸縮力分布，在採用梁軌相互作用法分析時，計算主梁左右端 梁縫處分別斷軌2種工況。建議此類橋上鋪設無縫線路應採用梁軌相互作用法以精確計算鋼軌斷縫值。
日照作用下箱梁橋上無縫線路縱向力
高速鐵路橋樑在太陽輻射、大氣溫度和風速等因素的影響下，橋樑結構會產生非線性溫度分布。當受到超靜定結構多餘約束的制約時，該溫差將產生溫度變形和應力。
對於高速鐵路混凝土橋上的無砟軌道的鋼軌伸縮力，我國《無縫線路暫行規定》及《鐵路無縫線路設計規範（送審稿）》中均借鑑德國規範，採用梁體升溫20℃來計算。日照作用對橋上無縫線路的影響程度和影響範圍不明確。
日照溫度場理論
在無雨少雲、風速平緩的晴朗天氣下，混凝土橋與外界的熱交換過程可以分為太陽輻射、輻射換熱和對流換熱3大部分。
1）太陽輻射強度：
太陽輻射經過大氣層的吸收、反射和散射後，到達混凝土橋樑表面，一部分被混凝土吸收，另外一部分被反射．太陽輻射被大氣散射的能量中，有一部分再次投射到混凝土橋樑表面．太陽輻射投射到地表後，有一部分能量被地表反射，並投射到結構下表面。
2）對流換熱產生的熱流密度和輻射熱交換產生的熱流密度：
橋樑表面在一定風速作用下，混凝土與外界大氣之間將發生熱量交換．當熱輻射到達橋樑表面時，會發生吸收、反射和透射現象．對於混凝土材料，可以認為透射率為零，並符合灰體的性質。
計算參數影響分析
影響日照作用下鋼軌力的主要因素包括軌道板形式、大氣透明度係數以及混凝土表面吸收率等．
1）底座板厚度的影響：
改變箱型截面底座板厚度將會改變日照作用下頂板溫度場的分布，進而對鋼軌應力產生影響。底座板厚度分別減少0.1m、增加 0.1～0.3m時的鋼軌應力最大值 （計算時間為正午12時，下同）。底座板厚度 的增加可以在 一定程度上減小日照作用下的鋼軌受力。
2）大氣透明度係數的影響：
晴天大氣透明度係數，對太陽直接輻射強度有一定影響。該值與海拔、水陸環境、煙塵等天氣狀況有關。日照作用下的鋼軌應力與大氣透明度係數基本呈正比關係。當大氣透明度係數提高時，鋼軌拉應力增長明顯。
3）混凝土表面輻射吸收率的影響：
混凝土表面輻射吸收率，對日照作用下的鋼軌應力有較大影響。該值與混凝土表面顏色和光滑程度有關。當吸收率取0.25時，鋼軌應力曲線出現符號相反的情況，表明此時橋樑對外放熱占主導地位，橋樑溫度降低。當吸收率大於0.55並逐漸增大時，鋼軌應力增加明顯加快。
大跨斜拉橋上無縫線路縱向力的變化規律
大跨度斜拉橋結構複雜，為“塔 － 索 － 梁”空間組合結構，鋪設無縫線路後，在荷載作用下，會形成“塔 － 索 － 梁 － 軌”耦合作用體系，其無縫線路力學傳遞機理極為複雜。以通過建立大跨度鋼桁梁斜拉橋上無縫線路“塔 － 索 － 梁 － 軌”空間耦合計算模型，分析不同體系溫差、斜拉索修正彈性模量、縱向阻力模型及小阻力扣件的影響，為大跨度斜拉橋上無縫線路設計提供理論依據。
隨著斜拉橋體系溫差變化幅度增大，鋼軌伸縮附加力明顯增加； 斜拉索彈性模量修正與否對伸縮力和制動力影響較小，而對撓曲力影響較大； 採用不同縱向阻力模型，伸縮力計算結果相差不大，撓曲力和制動力計算結果有較大差別。
體系溫差變化幅度的影響
斜拉橋為組合結構橋樑，斜拉索、橋塔以及主梁的溫度變化都會引起橋上無縫線路縱向附加力的變化，這與一般橋上無縫線路伸縮力計算時僅考慮主梁溫度變化是不同的。體系溫差變化影響分析中考慮混凝土結構的溫度變化幅度從 5 ℃ 增至 20 ℃ ，鋼結構的溫度變化幅度從 9 ℃ 增至 36 ℃ 。
隨著斜拉橋體系溫差變化幅度增加，鋼軌最大伸縮附加拉力增長趨勢逐漸變緩，而鋼軌最大附加壓力則基本上等幅度增加。
斜拉索修正彈性模量的影響
斜拉索在自重作用下有垂度，垂度大小受到索力影響，屬於非線性構件。由於拉索的自重垂度使其彈性模量下降或損失，引起拉索的剛度降低。斜拉索因自重垂度而引起損失後的彈性模量稱為修正彈性模量。
由於斜拉索對主梁有豎向彈性支承作用，列車荷載作用下，斜拉索修正彈性模量會引起斜拉索剛度和索力的改變，對主梁的豎向及縱向位移產生較大影響，進而影響到鋼軌撓曲附加力。
縱向阻力模型的影響
由於撓曲及制動工況下，梁軌相對位移相對較小，道床阻力大部分還處於彈性階段，因此，常阻力模型計算值要大於理想彈塑性模型計算值。
小阻力扣件的影響
線路縱向阻力採用理想彈塑性阻力模型，計算分別取以下三種工況。
工況一： 全橋採用常阻力扣件，即縱向阻力取道床阻力；
工況二： 全橋採用小阻力扣件；
工況三： 斜拉橋兩側邊跨( 左側 101.5 m + 188.5m兩跨和右側 159.5 m + 116.0m 兩跨) 、兩側引橋採用小阻力扣件，其餘地段為常阻力扣件。
大跨度斜拉橋上無縫線路設計鋪設小阻力扣件時，應結合工程造價優先考慮在斜拉橋邊跨和兩側引橋上鋪設小阻力扣件方案，與此相比，全橋鋪設小阻力扣件對減小無縫線路縱向力的效果並不明顯，但工程費用增加較多。
