张政1，黄永辉2，梁爽2，杨荣山2
（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司线路站场设计研究院，湖北武汉430063；
2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031）
摘要：以某在建大跨度钢桁梁柔性拱桥为研究对象，运用梁轨相互作用原理，采用有限元方法建立桥上无缝线路计算模型，提出4种扣件铺设方案并分析其梁轨相互作用。结果表明：（1）对于明桥面无缝线路，桥梁温度跨度和扣件纵向阻力是影响无缝线路纵向力的决定性因素，大跨度钢桁梁柔性拱桥的纵梁体系对无缝线路纵向力的影响有限。（2）若不设置钢轨伸缩调节器，无缝线路钢轨强度检算不能满足规范要求。（3）应根据桥梁梁端最大伸缩位移，选择相应的梁端伸缩装置和钢轨伸缩调节器。 关键词：钢桁梁柔性拱桥；明桥面；有限元方法；无缝线路；大跨度；梁轨相互作用
中图分类号：U211.2；U442文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）02-0122-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.02.122
0引言
钢桁梁柔性拱桥既具备连续钢桁梁承载能力大，又具备钢箱梁跨越能力强、刚度大、抗震性能良好等优势，其特殊结构广泛应用于大跨度铁路桥梁设计［1-3］。近年来，各国修建了大量钢桁梁柔性拱桥，如主跨297m的美国赫尔盖特桥、主跨503m的澳大利亚悉尼港大桥等。我国修建的大跨度钢桁梁柔性拱桥有：主跨168m的京沪高铁济南黄河特大桥［4］、主跨220m 的厦深铁路榕江特大桥［5］、主跨336m的沪通铁路天生港特大桥［6］以及主跨336m的京沪高铁南京大胜关长江大桥［7］。与普通桥梁相比，钢桁梁柔性拱桥的结构更复杂，其细长比随着桥梁跨度增加而增加；另外，由于拱桥的特殊结构（如纵梁体系），其变形也较复杂。因此，早期的大跨度钢桁梁柔性拱桥均铺设具有较强基础变形适应能力的有砟轨道。随着无砟轨道技术的进一步完善和施工控制水平的提高，一些大跨度钢桁梁柔性拱桥开始铺设明桥面无砟轨道，也带来了新的技术挑战。因此，有必要对大跨度钢桁梁柔性拱桥铺设无砟轨道无缝线路的受力和变形规律开展研究。
梁轨相互作用是研究大跨度钢桁桥无缝线路的主要问题。佐滕裕［8］基于新干线轨道设计方法，推导了
中华灵芝宝基金项目：国家自然科学基金项目（51978584）；中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017G006-G）
第一作者：张政（1987—），男，高级工程师。
E-mail：**************
通信作者：黄永辉（1997—），男，硕士研究生。
E-mail：****************
大跨度钢桁梁柔性拱桥明桥面无缝线路计算分析张政等
桥上铺设长钢轨时的梁轨相互作用；Esveld［9］根据桥
上无缝线路的产生机理，阐述了应用有限元方法计算
纵向力的思路；Okelo等［10］采用三维非线性有限元方
法建立梁轨相互作用空间一体化模型，更加细致地分
析梁轨相互作用；卢耀荣等［11］考虑钢轨阻力为非线性
位移函数，建立长钢轨在纵向力作用下的变形微分方
程，运用“龙格-库塔法”求解伸缩力和挠曲力；高亮
等［12］建立高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道
无缝线路纵横垂向空间耦合动力学模型，对高速条件
下无砟轨道和长大桥梁各细部结构的动力学特性进行
详细研究；李秋义等［13］根据梁轨相互作用原理，建立
“梁-轨-墩”有限元模型，计算桥墩温差引起的桥上无
缝线路钢轨附加力；刘文硕［14］建立反映线路阻力非
线性特性的梁轨一体化空间耦合模型，对多场耦合作
用下的梁轨相互作用特性进行研究；谢康等［3］对下承
式拱桥上无缝线路纵向力的影响因素进行分析；徐金辉
等［15］建立“线-桥-墩”纵向相互作用一体化模型，对
大跨度中承式拱桥桥上无缝线路进行计算研究。
目前，针对钢桁梁柔性拱桥明桥面无缝线路研究
实例较少。为研究该类型无缝线路受力与变形规律，
以某在建桥梁为例，计算大跨度钢桁梁柔性拱桥明桥
面无缝线路的纵向力特点，对钢轨伸缩调节器布置方
案提出建议。
1工程概况
1.1桥梁参数
某在建桥梁为全长996m的双线中-活载铁路下承
式钢桁梁柔性拱桥，其立面布置示意见图1。该桥梁跨
径布置为（138+2×360+138）m，2片主桁，桁高16m，
桁间距15m，宽跨比1/24，拱肋矢高65m。钢桁梁采
用华伦式桁架，节间长度为13.5m和14.0m，节间布置
为（4×13.5+15×14.0+8×13.5+18×14.0+8×13.5+15×14.0+4×13.5）m，全桥共72个节间。在钢桁3个中支点处，向边跨侧2个节间和向中侧跨1个节间布置下加劲，下加
罗氏芬劲高16m。纵梁间距2m，分为普通纵梁和伸缩纵梁，
为避免纵梁纵向传力，每隔2个节间（约25m），在纵
梁间留110mm断缝，并设置纵向活动铰。纵向活动铰
可使纵梁活动端纵向滑动和竖向扭转，并避免纵梁活动端在行车过程中上下跳动引起病害［16］。
1.2轨道参数
60kg/m钢轨，钢轨容许应力363.1MPa；采用明桥面短板，轨道板与桥面紧密连接，计算时可考虑轨道板附着于纵梁；采用弹条Ⅱ型分开式扣件、小阻力扣件或超小阻力扣件。
桥梁所在地最高轨温59.1℃，最低轨温0℃，锁定轨温29.5℃，锁定范围±5℃。因此，设计轨温锁定上限34.5℃，下限24.5℃。
1.3列车设计荷载
列车设计荷载为双线中-活载。计算制动力时，轮轨黏着系数μ取0.164。
1.4扣件铺设方案
提出4种桥上扣件铺设方案，具体如下：
（1）方案1。全桥铺设常阻力扣件，不设置钢轨伸缩调节器。
（2）方案2。路基段铺设常阻力扣件，桥上全部铺设小阻力扣件，不设置钢轨伸缩调节器。
（3）方案3。路基段铺设常阻力扣件，桥上全部铺设超小阻力扣件，不设置钢轨伸缩调节器。
（4）方案4。在距左边墩24.5m和971.5m设置单向钢轨伸缩调节器，基本轨长度25m，铺设小阻力扣件，其他地段铺设常阻力扣件。
1.5无缝线路计算模型
采用ANSYS软件建立全桥有限元模型（见图2）。钢桁梁和钢轨均采用BEAM188单元模拟，吊杆采用LINK8单元模拟。为了消除边界条件影响，两侧钢轨各伸出桥外200m，钢轨两端采用全约束。扣件间
距1m，采用COMBIN14线性弹簧单元模拟扣件的横向和垂向刚度，其大小分别为50kN/mm和35kN/mm，扣件纵向阻力采用COMBIN39单元进行模拟。除纵梁外，所有钢桁梁均连接于公共节点。对于纵梁断开的处理，采用约束方程形式，保证断开纵梁两端具有相同的垂向位移，使纵梁间只传递剪力，不传递轴力和弯矩［17-19］。波士顿咨询公司模型
2计算结果分析
2.1方案1—方案3
我国无缝线路的设计原则是少设或不设钢轨伸缩
大跨度钢桁梁柔性拱桥明桥面无缝线路计算分析张政等
调节器。对于线路、桥梁和轨道，应采用系统设计，以减少钢轨伸缩调节器的设置。因此，首先对不设置钢轨伸缩调节器的方案1—方案3进行分析。
2.1.1钢轨伸缩附加力
根据桥梁设计资料，全桥升温30℃，桥面系升温15℃，吊杆升温20℃。钢轨伸缩附加力见图3（a ）。由图可知，方案1—方案3的最大钢轨伸缩附加力分别为2174.1、1298.5、977.7kN ，在左右2个边墩均出现相应的极大值。铺设小阻力扣件或超小阻力扣件可有
supercapture效降低钢轨伸缩附加力，相对于方案1，方案2和方案3的最大钢轨伸缩附加力依次降低40.3％和55.1％。在纵梁断开处，钢轨伸缩附加力产生突变，但突变幅度较小，3种方案伸缩附加力突变为：方案1＞方案2＞
方案3。因此，铺设小阻力扣件或超小阻力扣件可降低纵梁体系对钢轨伸缩附加力的影响。
2.1.2钢轨挠曲附加力
由于桥梁左右完全对称，仅考虑列车在左侧情况，钢轨挠曲附加力见图3（b ）。由图可知，方案1—方案3的最大钢轨挠曲附加力分别为699.8、534.0、675.4kN ，均出现于左边墩。出现极大值的原因是在列车荷载作用下，梁端产生较大的纵向位移。由于纵梁在局部类似两跨连续梁结构，纵梁断开处挠曲附加力发生突变。在列车荷载作用范围内，钢轨挠曲附加力突变幅度较小。相对于方案1，方案2的钢轨挠曲附加力减
小
（a ）
1-1（d ）桥纵面
（b ）2-2（c ）
3-3
图1
钢桁梁柔性拱桥立面布置示意图
图2全桥有限元模型
全合成切削液配方大跨度钢桁梁柔性拱桥明桥面无缝线路计算分析张政等23.7％，方案3的钢轨挠曲附加力增加20.9％，其主要
原因是超小阻力扣件纵向阻力太小，减弱了梁轨相互
作用，使钢轨承受的挠曲附加力无法有效传递至纵梁，
导致梁端钢轨挠曲附加力过大。
2.1.3钢轨制动力
考虑最不利的荷载情况，计算全桥钢轨制动力，钢
轨制动力见图3（c）。由图可知，方案1—方案3的最大
钢轨制动力分别为565.4、525.0、1374.5kN，均出现于
左右2个边墩。在纵梁断开处，方案1和方案2的钢轨制
动力出现幅度极小的突变，方案3无突变。由此可知，
纵梁体系对钢轨制动力影响极小。方案2的最大钢轨制
动力比方案1降低7.2％，方案3的最大钢轨制动力比
方案1出现了倍数增长。方案3的纵梁位移较小，钢轨
位移较大，造成这种情况的主要原因与钢轨挠曲附加
力相同。
2.1.4钢轨强度检算
方案1—方案3的钢轨断缝值分别为15.8、29.7、42.3mm，断缝值依次增加，但均小于钢轨断缝允许值70mm，其钢轨强度检算结果见表1。由表可知，3种
方案的钢轨合应力均大于钢轨容许应力，3种方案均不
可取。因此，考虑设置钢轨伸缩调节器。
2.2方案4
2.2.1钢轨伸缩附加力
全桥升温30℃，桥面系升温15℃，吊杆升温20℃。在桥梁两端设置单向钢轨伸缩调节器，钢轨伸
缩附加力见图4（a）。由图可知，钢轨最大伸缩拉力为500kN，出现于左右2个边墩，其值较方案1—方案3
分别降低77.0％、61.5％、48.9％。由此可知，钢轨伸
缩调节器可大幅度降低钢轨伸缩附加力。在纵梁断开
处，伸缩附加力出现突变，突变幅度较小，但与不布
置钢轨伸缩调节器的方案相比，伸缩附加力突变幅度
较大。由于钢轨伸缩调节器的尖轨和基本轨可相互错动，因此在钢轨伸缩调节器布置部位纵向力为0。
2.2.2钢轨挠曲附加力
由于桥梁左右完全对称，仅考虑列车在左侧情况，铺设钢轨伸缩调节器后，钢轨挠曲附加力见图4（b）。由图可知，最大钢轨挠曲附加力为350.9kN，出现于左边墩，同时右边墩出现极大值。该方案钢轨挠曲附加
表1方案1—方案3钢轨强度检算结果
MPa
注：δd为钢轨动弯应力；δt为钢轨温度应力；δf为钢轨最大附加应力；δz为钢轨制动应力；［δ］
为钢轨容许应力
（a
）钢轨伸缩附加力
（b）钢轨挠曲附加力
（c）钢轨制动力
图3方案1—方案3梁轨相互作用
大跨度钢桁梁柔性拱桥明桥面无缝线路计算分析张政等
力小于前3种方案。在列车活载作用范围内，纵梁断开处挠曲附加力产生突变，突变幅度较小。
2.2.3钢轨制动力
考虑最不利的荷载情况，计算全桥钢轨制动力，钢轨制动力见图4（c ）。由图可知，最大钢轨制动力为126.2kN ，出现于左边墩。该方案钢轨制动力小于前3种方案。在纵梁断开处，制动力产生微小突变，且中
主墩附近突变幅度大于其他部位。
2.2.4钢轨伸缩调节器伸缩量
在桥梁两端铺设钢轨伸缩调节器时，钢轨升降温为34.5℃，在基本温度力作用下，钢轨伸缩调节器的伸缩量为211mm ；在钢轨伸缩附加力作用下，钢轨伸缩调节器的伸缩量为207mm ；在钢轨挠曲附加力作用下，钢轨伸缩调节器的伸缩量为54.2mm ；在钢轨制动力作用下，钢轨伸缩调节器的伸缩量为0.25mm 。在铺设钢轨伸缩调节器时，考虑风载、列车荷载等对两端伸缩量的影响，保留一定富余量，建议量程大于±500mm 。
2.2.5钢轨强度检算
方案4的钢轨强度检算结果见表2。由表可知，钢轨合应力远小于钢轨容许应力。由于方案4设置了钢轨伸缩调节器，可不考虑断轨力以及断缝值对钢轨强度的影响。
3结论
通过对某在建桥梁（138+2×360+138）m 明桥面无上海建通
缝线路的计算分析，得到如下结论：
（1）纵梁体系对大跨度钢桁梁柔性拱桥明桥面无缝线路纵向力影响范围有限，其主要影响因素是桥梁的温度跨度和扣件纵向阻力；
（2）对于大跨度钢桁梁柔性拱桥桥上无缝线路，采用小阻力或超小阻力扣件可大幅降低钢轨附加力，但制动力作用下的钢轨附加应力较大，不满足钢轨强度检算要求。因此在大跨度钢桁桥上铺设无缝线路必须设置钢轨伸缩调节器；
（3）在大跨度钢桁梁柔性拱桥桥上设置钢轨伸缩调节器可以有效降低钢轨应力，且钢轨伸缩调节器的伸缩范围应该根据桥梁的最大可能伸缩位移。
参考文献
［1］夏正春.大跨度钢桁梁柔性拱桥稳定性能研
究［J ］.铁道标准设计，2017，61（6）：73-76.［2］张井春，徐庆旋.
日本钢桥概况及中国钢桥的应用
（a
）钢轨伸缩附加力
（b ）钢轨挠曲附加力
（c ）钢轨制动力图4
方案4梁轨相互作用
表2
方案4钢轨强度检算结果
MPa
注：δd 为钢轨动弯应力；δt 为钢轨温度应力；δf 为钢轨最大附加应力；δz 为钢轨制动应力；［δ］为钢轨容许应力
