斜拉桥主梁梁端轨梁相互作用机理及计算方法研究中文摘要

温度和列车作用下斜拉桥梁端转角与伸缩变位是导致轨道结构失效并危及行车安全的控制因素，需依靠科学的轨桥相互作用分析来寻找合理解决策略。目前研究不考虑加载速率及动态轮压对线路纵向阻力的影响，缺乏斜拉桥日温差取值依据，不计多种荷载加载历程对轨桥非线性系统的影响，忽视车致动力效应，导致投资浪费与安全隐患并存。.项目基于室内试验提出温度静载及列车动载下无砟轨道扣件纵向阻力弹塑性模型，利用现场实测建立典型双层桥面钢桁架斜拉桥日温差模型，采用有限元法建立轨桥静动力相互作用模型，计算其在温度循环加载历程下的累积响应，在此初始条件下，运用模态叠加法和拟力迭代法计算列车匀速通过或制动下的动力响应，从而得到模拟加载历程的非线性系统总响应。将这一改进算法与传统方法应用于实例分析，对比分析梁端轨道结构响应特征及蕴含的影响机理，提出相应控制策略，为斜拉桥及桥上轨道结构匹配设计、正常使用及安全运营提供理论支撑。

首先在试验室内对DT-2、WJ-2、克隆蛋三种扣件进行了有载和无载的情况下的位移阻力系数的试验，根据试验结果分析了钢轨位移阻力系数滞回特性和有载到无载之间变化规律，提出了能反映轨梁相互作用的位移阻力系数的双弹簧模型，该模型纠正了德国学者P.Ruge and C.Birk等人的位移阻力系数模型一些不合理的假定，更加符合实际情况，具有创新性和先进性。 其后，根据获得的轨梁位移阻力双弹簧模型，在简支梁体系内进行了考虑加载历程的钢轨附加力的计算，并和传统的线性叠加方法对比。分析表明：由于梁轨作用问题是一个复杂的非线性问题，必须考虑荷载反复作用下的钢轨残余应力，它对附加应力计算结果产生较大的影响。按加载历程方法计算的钢轨附加应力比线性叠加法小，而轨梁相对位移要大很多。对斜拉桥进的计算分析得出了相同的结论，但是位移差值要更大些。斜拉桥钢轨附加力和梁轨相对位移最大值位于斜拉桥两边墩处，数值计算结果和试验数据吻合。钢轨附加力主要与斜拉桥结构体系有关，和主梁刚度大小关系不大，对塔梁固结体系，钢轨附加应力将变得很小。 移动车辆制动和启动作用下梁轨相互作用属于动力问题，目前都用静力方法计算。课题组针采用移动车辆荷载过桥方式，对斜拉桥钢轨在制动和启动作用下的附加应力进行动力计算，并将结果与静力学计算数据进行了比较，结论是两种方法计算结果相差不大，可以用静力方法来计算制动作用下的梁轨的相互问题，回答了这个长期争议问题。 斜拉桥结构温度场对钢轨温度附加应力影响研究表明：拉索、桥塔、墩台和钢轨虽然具有不同的温度分布，但拉素、桥塔、墩台和钢轨的温差产生的钢轨温度附加应力影响不大，可以不予考虑，影响钢轨温度附加力的主要因素是梁轨的温差。对轨道U梁和钢轨温度场进行了大量测试，并应用热力学理论进行日照作用下温度场分布计算研究。研究发现，目前梁轨温度附加应力计算的假定和实际出入太大，梁内温度场不宜采用单一温度值和平面假定来计算。研究发现采用热力学理论计算日照下温度场和现场实测吻合，可以用来计算梁轨温度附加应力。 最后，对斜拉桥钢轨伸缩调节器设置的合理跨进行了研究。分别建立了303 m, 454.5m, 606 m, 757.5 m, 909 m, 1060.5 m的轨道交通斜拉桥模型，研究必须设置钢轨调节设置的合理跨度。此项研究已有一些初步结论，可作为后续研究。

在我国《新建桥上无缝线路暂行规定》、以及《铁路无缝线路设计规范》（送审稿）中，均提及在进行铁路桥上设计时，必须考虑梁轨相互作用，对无缝线路的强度和稳定性进行检算，在检算下部结构时应考虑钢轨传递给下部结构的纵向力。

无缝线路纵向力，指桥上无缝线路所承受的伸缩力、挠曲力和断轨力。

伸缩力：因温度变化，桥梁与长钢轨相对位移而产生的纵向力。

挠曲力：列车荷载作用下，桥梁挠曲引起桥梁与长钢轨相对位移而产生的纵向力。

断轨力：因长钢轨折断，引起桥梁与长钢轨相对位移而引起的纵向力。

国内铁道科学研究院、中南大学 （原长沙铁道学院）、西南交通大学、北京交通大学对该问题有过一定的研究和探讨。

对于无缝线路纵向力，国内外学者进行了广泛的研究。关于其力学模型，通常采用纵向非线性弹簧模拟梁轨之间的非线性作用，采用带刚臂的梁单元模拟桥梁，该模型被证明可以正确模拟无缝线路与桥梁之间的相互作用问题 。