系杆拱连续梁桥-多线轨道互制分析的荷载步法

为研究考虑加载历史的桥梁-多线轨道系统受力特性，通过推导考虑加载历史的线路纵向阻力迭代公式并以某(77+3×156.8+77) m系杆拱连续梁桥为例，建立考虑钢管混凝土拱、吊杆、梁体、桥墩、桩基、多线轨道的大跨度系杆拱连续梁桥一体化有限元模型，分析加载历史对系杆拱连续梁桥-轨道系统受力影响及结构检算结果。结果表明：代数求和算法计算钢轨应力峰值偏大61.9%,墩顶水平力偏大74.0%,考虑温度效应须同时对钢轨、梁体和拱施加温度荷载；挠曲工况下双线同向加载时墩顶水平力为1 058.2 kN,双线对向加载时墩顶扭矩为4 193.6 kN·m;计算温度制挠力时，代数求和算法计算钢轨应力较荷载步法偏大7%,墩顶水平力偏大8%～27%,设计不经济；代数求和算法计算墩顶扭矩与荷载步法最大偏差可达51.3%。     

大跨度铁路连续梁-拱组合桥与无缝线路相互作用研究

研究大跨度铁路连续梁-拱组合桥与无缝线路的相互作用问题,采用非线性弹簧单元模拟梁轨接触,以某桥(82.9+172+82.9)m连续梁拱桥为例,建立考虑拱肋、横撑、斜撑、吊杆、主梁、轨道以及相邻路基梁轨相互作用模型,系统分析温度荷载、活载、制动力、风荷载、混凝土收缩徐变、支座不均匀沉降作用下连续梁-拱桥无缝线路纵向力的分布规律。研究结果表明:钢轨在跨中位置对梁体升温敏感程度大于梁端位置;单线活载与制动或牵引作用下,钢轨应力在中间加载时比左、右侧加载大;纵向风力达到1 k N/m以上的地区,须考虑风荷载的影响;同时,混凝土收缩徐变在降温荷载工况下,对钢轨应力有不利影响;支座沉降作用下,钢轨最大应力为4.9 MPa,设计时应予以考虑。     

(48+80+48)m连续梁桥与轨道系统地震响应规律研究

为研究高速铁路连续梁桥-轨道系统地震响应规律,采用非线性弹簧模拟线路纵向阻力,建立考虑轨道及下部结构的(48+80+48)m连续梁桥-轨道系统仿真模型,分析温度、活载和制动作用下桥上无缝线路梁轨相互作用纵向力分布规律,在此基础上,研究地震作用下连续梁桥-轨道系统动力响应特性。研究表明:温度、活载及列车制动作用下梁轨相对位移、钢轨应力等均在桥台附近取得极大值,地震频谱特性对梁轨系统动力响应有很大的影响。     

大跨度连续梁拱组合桥梁轨互制特征

为研究大跨度连续梁拱组合桥梁轨相互作用特征,以梅汕线上某(34+160+34)m刚架系杆拱钢箱连续梁组合桥为背景,采用理想弹塑性模型模拟线路纵向阻力,建立"轨-拱-梁-墩"一体化空间模型,对钢轨纵向力的分布规律进行分析,对是否考虑轨道作用下的主梁应力、梁端转角、墩底纵向反力进行比较。结果表明:连续梁拱组合桥远离固定支座的梁端处钢轨纵向力较大,其中最大伸缩应力达到114.0 MPa,在不设钢轨伸缩调节器时钢轨强度仍满足要求;轨道结构对温度荷载和制动力作用下的主梁应力影响较大;轨道结构对梁端转角及墩底纵向反力的分配亦有较大影响。     

多线预应力混凝土斜拉桥上无缝线路纵向受力与变形

为探讨大跨度斜拉桥上无缝线路纵向受力与变形规律,以一座多线预应力混凝土斜拉桥为例,采用有限元法建立了"塔-索-梁-轨"空间耦合有限元模型,分析了温度荷载、列车荷载以及制动荷载对桥上无缝线路纵向受力与变形的影响。结果表明:当桥塔温度变化时,钢轨伸缩力、钢轨纵向位移和桥梁的纵向位移均无明显变化,钢轨伸缩力最大幅值出现在连续梁两部,并在简支梁梁缝处出现峰值;在列车荷载作用下,各条线路的钢轨挠曲力和钢轨纵向位移随着距加载线路距离的增大而逐渐减小,钢轨挠曲力最大幅值出现在连续梁端部;在制动荷载作用下,钢轨制动力最大幅值出现在连续梁端部,并在加载的起点与终点出现峰值突变,加载的起点或终点与连续梁端部重合时为最不利位置。研究结果可为大跨度斜拉桥上无缝线路设计提供理论参考。     

支座摩阻力对高速铁路大跨度悬索桥梁轨相互作用的影响

运用ANSYS软件，建立某高速铁路大跨径悬索桥桥梁-轨道-塔墩空间有限元分析模型，采用组合弹簧模拟滑动支座，通过计入滑动支座摩阻力前后悬索桥桥梁-轨道系统的纵向附加力对比分析，研究支座摩阻力对梁轨相互作用的影响。结果表明：滑动支座摩阻力对大跨度悬索桥的制动附加力、偏载下的挠曲附加力和断轨附加力的影响比较显著，对伸缩附加力和对称加载下的挠曲附加力的影响较小；当摩阻系数分别为0.03,0.05和0.1时，偏载下钢轨最大挠曲附加应力分别是不计摩阻力时的58.65%,54.67%和53.39%，对称加载下钢轨最大制动附加应力分别是不计摩阻力时的72.85%,71.87%和71.01%，偏载下钢轨最大制动附加应力分别是不计摩阻力时的42.28%,39.80%和37.67%；随着摩阻系数的增大，钢轨的制动附加应力、偏载下的挠曲附加应力和断轨后钢轨断缝宽度均呈不断减小趋势，而主塔和活动墩的墩顶水平力则呈不断增大趋势。     

大跨度拱桥上无缝线路纵向力分布规律研究

拱桥在我国高速铁路中应用日益广泛，而不同形式大跨度拱桥上无缝线路纵向力分布规律仍有待探明。以112 m提篮拱桥、140 m钢箱系杆拱桥、(24+160+24)m系杆拱桥及(52+382+52)m钢箱拱桥4种不同形式拱桥为例，建立考虑轨道、梁体、吊杆和拱肋的拱桥-轨道系统精细化仿真模型，深入分析钢轨伸缩调节器对纵向力的影响，揭示复杂温度、竖向活载、列车制动及地震作用下大跨度拱桥与轨道相互作用规律，探讨加载历史对拱桥-轨道系统受力特性的影响。研究结果表明，在温度荷载、竖向活载、列车制动和纵向地震作用下，钢轨应力极值均出现在梁端附近，在梁端设置钢轨伸缩调节器能有效降低钢轨应力；与挠曲力、制动力相比，梁体温度变化引起的伸缩力为主要控制性荷载，吊杆和拱肋的温度变化对拱桥上钢轨纵向力影响较小；地震作用下梁端附近钢轨应力极值达到635.5 MPa;检算墩顶水平力时，应采用考虑加载历史影响的分析方法，计算结果更安全。     

高速铁路桥上无缝线路纵向附加力研究

采用实体单元模拟桥梁及桥梁墩台、空间梁单元模拟钢轨、弹簧单元模拟桥梁与墩台及轨道之间的连接,建立梁—轨纵向相互作用三维有限元空间力学模型。以丰沙线永定河单线铁路桥梁、秦沈线沙河双线铁路桥梁对其进行计算验证。以秦沈客运专线32 m多跨双线整孔简支箱型梁桥为例进行纵向力分析,研究结果表明:列车在桥上双线对开,钢轨挠曲附加力有明显增大;列车在桥上单线制动,四根钢轨的制动附加力有较大的差别;列车在桥上双线对向制动,相比单线制动,钢轨制动附加力有一定程度增大,但增大得并不多。     

有砟轨道基础桥上无缝线路计算软件开发及应用

运用梁轨相互作用基本原理,在考虑钢轨、桥梁和墩台相互作用的基础上,建立了桥上无缝线路的线桥墩空间一体化计算模型,用于对桥上无缝线路伸缩附加力、挠曲力、制动附加力、断轨力、梁轨相对位移及墩台纵向受力和变形的计算分析.为计算方便,以有限元软件ANSYS为计算平台,利用ANSYS参数化设计语言进行二次开发,编制了有砟轨道基础桥上无缝线路通用计算软件,可用于各种桥上无缝线路的设计计算.     

轨道结构与桥梁共同作用力学计算模型的研究

轨道结构与桥梁共同作用的力学计算模型是解决轨道纵向位移阻力与梁轨相对信移相互作用计算问题的关键。本文采用平面杆系建立轨道结构与桥梁共同作有的力学计算模型，将轨道结构、梁体、支座、墩台、基础作为整体来考虑。桥梁和轨道的联结采用性梁单元模拟，其材料弹性模量和屈服应力通过轨道纵向位移阻力与梁轨相对位移关系的双折线化确定；同时为考虑梁跨挠曲对无缝线路钢轨受力的影响，梁跨高度采用刚臂模拟。通过对梁轨相互作用模型结构的试验结果和《铁路无缝线路》（1995年修订版）一书中桥上无缝线路钢轨力的钢轨变形微分方程解计算算例作比较，证实这一力学计算模型的合理性。     

重载铁路非等跨简支梁桥上无缝线路纵向力研究

为研究重载铁路非等跨简支梁桥上无缝线路纵向力的分布规律,建立6-32 m+40 m+6-32 m(30 t轴重)重载铁路简支T梁与轨道相互作用有限元模型,与13-32 m简支梁桥相对比,研究温度、竖向活载、列车制动及地震作用下系统的受力和变形特征,探讨非等跨简支梁(40 m简支梁)对系统的影响规律。研究表明,各类荷载作用下,钢轨应力峰值多集中在各简支梁相接处及跨中位置;地震作用下,钢轨和墩底承受着极大的纵向力;非等跨简支梁桥对伸缩力和挠曲力影响较大,将使钢轨伸缩拉应力增大70%、钢轨挠曲应力增大50%、部分桥墩墩顶挠曲力增大50%;非等跨简支梁桥对制动力和地震力影响较小。     

简支梁桥上有轨电车嵌入式轨道纵向力分析

研究目的:因桥上无缝线路梁轨相互作用较为复杂,桥梁和轨道结构的受力与变形特性成为国内外学者的热点研究问题。为研究温度荷载、列车荷载和制动荷载作用下轨道结构的受力与变形规律及影响因素,根据嵌入式轨道的特点,本文通过建立嵌入式轨道桥上无缝线路有限元模型,计算伸缩力、挠曲力和制动力三种工况下轨道结构的受力与变形情况,并分析梁体温差、高分子材料纵向阻力和墩台纵向刚度对伸缩力的影响。研究结论:(1)嵌入式轨道的线路纵向阻力和垂向刚度均为线性变化,且轨板相对位移限值为6.2 mm;(2)轨道结构的受力和变形均随着梁体温差的增加而线性增加,允许梁体温差为38℃;随着线路纵向阻力的增加,钢轨纵向位移和伸缩力逐渐增大,而轨板相对位移则逐渐减小;桥梁墩台纵向刚度对轨道结构的受力和变形影响较小;(3)在挠曲力和制动力工况下,轨板相对位移和钢轨附加力均较小,故在设计时应重点关注伸缩力工况;(4)当梁体温差和轨温变化幅度为30℃时,钢轨强度和轨板相对位移均满足要求,因此在32 m简支梁上铺设有轨电车嵌入式轨道无缝线路是可行的;(5)本研究成果对桥上有轨电车嵌入式轨道设计具有参考价值。     

大跨度提篮拱桥上无缝线路设计关键技术研究

研究目的:通过研究提篮拱桥在温度变化、列车荷载作用下的变形规律,并建立铺设无砟轨道的大跨度提篮拱桥无缝线路的非线性有限元计算模型,进行梁轨相互作用分析,计算铺设无砟轨道的140 m跨径提篮拱桥上无缝线路变形、纵向力、伸缩位移、挠曲位移,为桥梁和无缝线路设计检算提供支持.研究结论:在计算提篮拱桥的伸缩力时,可采用与常见简支梁或连续梁相同的方法计算梁的伸缩位移量;在列车荷载作用下提篮拱产生的最大挠曲位移明显小于伸缩位移,钢轨挠曲力较钢轨伸缩力小,挠曲力一般不控制轨道检算,但可能控制墩台的设计检算.     

桥上纵连板式无砟轨道挠曲力计算分析

根据桥上纵连板式无砟轨道的结构特点,基于有限元方法建立桥上纵连板式无砟轨道挠曲计算模型,计算温度荷载下的挠曲力,分析列车荷载作用长度、活载入桥方式对挠曲力的影响,研究桥上纵连板式无砟轨道在挠曲力作用下的梁轨相互作用规律。结果表明:桥梁挠曲变形所引起的钢轨纵向附加力较小,其中简支梁桥上钢轨挠曲附加力不超过21.6 kN,连续梁桥上钢轨挠曲附加力不超过24.0 kN;在进行部件的受力检算时,应根据具体的部件选用伸缩力或挠曲力;与桥上有砟轨道及单元板式无砟轨道有较大不同的是,还需要根据不同的检算部件寻求最不利的挠曲力列车荷载加载方式;建议采用活动端迎车进行加载。     

桥梁温度跨度对双块式无砟轨道无缝线路的影响研究

为研究桥梁温度跨度对桥上双块式无砟轨道无缝线路的影响,运用线板桥墩一体化模型,计算不同温度跨度下,分别采用常阻力和小阻力扣件时的钢轨纵向力、道床板纵向力、抗剪凸台纵向力、梁轨相对位移以及钢轨断缝,分析桥梁温度跨度对轨道结构强度与变形的影响。结果表明:(1)随着桥梁温度跨度的增加,钢轨伸缩、挠曲、制动附加力和梁轨相对位移均增大;道床板、抗剪凸台纵向力和钢轨断缝保持不变。(2)扣件阻力减小时,轨道结构纵向力均减小;但梁轨相对位移和钢轨断缝增大。(3)为保证钢轨强度要求,当桥上铺设常阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取135m;当桥上铺设小阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取250m。     

大跨度混合梁斜拉桥-轨道系统受力特性

研究目的:考虑结构刚度-质量不平顺、热膨胀系数、导热率等差异,为研究大跨度混合梁斜拉桥与轨道系统的非线性互制作用,基于梁轨相互作用原理,采用带刚臂的梁单元模拟梁体,用非线性杆单元模拟梁轨接触,并与UIC算例对比以验证其正确性。以(2×57. 5+172. 5+600+4×57. 5) m跨西江混合梁斜拉桥为例,建立考虑桥塔、拉索、主梁、轨道以及相邻桥跨的高速铁路大跨度混合梁斜拉桥梁轨相互作用模型,分析温度、活载、列车制动以及地震作用下斜拉桥上无缝线路纵向力的分布特征,并对关键设计参数的影响进行探讨。研究结论:(1)在斜拉桥两端设置钢轨伸缩调节器可大幅降低梁端处钢轨温度应力峰值,钢轨温度应力主要由温升幅度较高的钢箱梁段控制;(2)竖向活载和列车制动作用下桥塔均承受着较大的水平力;(3)地震作用下,斜拉桥跨中钢轨也承受着较大的应力,梁段质量分布情况对钢轨应力和位移具有较大的影响;(4)塔梁相接处设置的黏滞阻尼器可有效减少列车制动和地震过程中桥塔承受的纵向力;(5)本研究成果对大跨度混合梁斜拉桥关键结构设计优化具有参考价值。     

考虑活动支座摩阻的大跨连续梁桥上梁轨相互作用研究

为探究活动支座摩阻对大跨连续梁桥上无缝线路梁-轨相互作用的影响,基于梁-轨相互作用及有限元理论,将活动支座摩阻等效为非线性弹簧,建立可考虑活动支座摩阻的连续梁桥上无缝线路空间耦合模型,对考虑活动支座摩阻前、后的钢轨及桥墩结构受力变形展开对比分析。结果表明,活动支座摩阻增强了连续梁与无缝线路的纵向约束,当活动支座摩阻率从0增大至0.06时,温度作用下,连续梁桥上钢轨纵向力及梁轨相对位移峰值分别减小了24.32%和29.89%,连续梁桥固定墩纵向力增加了2.44倍;制动荷载作用下,钢轨制动力、梁轨相对位移及连续梁桥固定墩纵向力分别减小了53.51%、56.94%和41.63%;断轨工况下,部分断轨力通过活动支座摩阻传递给非固定墩,连续梁桥固定墩纵向力减小了60.64%,钢轨断缝值减小了3.3%;活动支座摩阻对大跨连续梁桥上无缝线路及桥墩纵向力影响较大,建议在大跨连续梁桥上无缝线路及桥墩设计中考虑活动支座摩阻的影响。     

铁路桥梁墩台刚度对无缝线路的影响

基于梁轨相互作用原理,采用有限元方法建立线-桥-墩一体化计算模型,以多跨简支梁和连续梁为例,分析不同墩台刚度对桥上无缝线路计算的影响。计算结果表明:钢轨伸缩力与伸缩位移、墩台纵向力均随着墩台纵向水平刚度的增大而增大,但增加幅度逐渐减缓;墩台自身的纵向水平位移会改变梁轨系统的纵向受力情况,当桥梁墩台自身位移较大时,应在桥上无缝线路纵向力计算中考虑其作用;钢轨挠曲力随着墩台刚度增大而增大,桥墩纵向水平刚度对钢轨制动力及梁轨相对位移的影响较为明显,应据此设定其对墩台最小水平刚度的限值;墩台刚度越大,钢轨断缝值越小。为满足断缝值不超限,桥梁墩台设计时应合理确定其纵向水平刚度值。     

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道挠曲力影响因素分析

针对我国高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道梁-板-轨相互作用问题,采用有限元法分别建立双线多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型,考虑桥梁及轨道结构的细部尺寸与力学属性,计算列车荷载作用下各轨道及桥梁结构的挠曲力与位移,分析扣件纵向阻力、滑动层摩擦因数等参数对桥上无缝线路挠曲受力与变形的影响规律。研究结果表明:列车荷载作用下大跨连续梁桥上轨道结构的受力与变形要明显大于多跨简支梁桥,单线加载时有载侧和无载侧之间相差不大,且近为双线加载时的1/2;需要根据不同的检算部件选取最不利的列车荷载作用长度;采用小阻力扣件改善钢轨受力与变形时,固定支座桥台和连续梁活动支座桥墩处的轨板相对位移应加强观测;滑动层摩擦因数、固结机构纵向刚度及固定支座墩/台顶纵向刚度均需控制在合理范围内。     

有轨电车小半径曲线连续钢梁桥上无缝线路布置及其伸缩工况

为研究有轨电车小半径曲线连续钢梁桥上铺设无缝线路，利用有限元法建立轨道-桥梁曲线线型相互作用模型，分别对有缝线路布置、不设钢轨伸缩调节器无缝线路布置、设钢轨伸缩调节器无缝线路布置进行了降温伸缩工况计算。研究结果表明：有缝线路轨缝在大跨度桥梁梁端较难协调桥梁伸缩位移，轨缝存在夏季顶死、冬季拉大的病害；不设钢轨伸缩调节器的无缝线路导致曲线连续梁桥墩承受较大的钢轨温度力径向分力，曲线与直线线型衔接处存在轨向不平顺；设钢轨伸缩调节器的无缝线路通过钢轨伸缩调节器释放了钢轨温度力，桥墩承受的钢轨温度力径向分力较小。考虑到梁轨的纵向和横向耦合作用，采用曲线线型建立计算模型较为符合实际工况。