活动支座摩阻力对桥上无缝线路力学特性的影响
焦㊀雷1,2,3，曲㊀村1,2,3，杨志远4
(1．北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037;2．北京市轨道结构工程技术研究中心，北京100037;
3．城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京100037;4．厦门轨道交通集团有限公司，厦门361000)
采用日期:20201120
基金项目：北京市科技计划课题 城市轨道交通板式减振轨道成套技术研究 (Z151100001315008)；北京市科技计划课题 时速120~160公里铁路无砟轨道系统研制 (Z171100002117003)
第一作者：焦雷(1988—㊀)，男，高级工程师，主要研究方向为铁路及城市轨道交通轨道结构㊂
摘㊀要：在我国铁路的建设过程中，高架桥梁所占的比例越来越大㊂桥梁的活动支座处存在一定数量的
摩阻力，在温度和车辆荷载的作用下，可能会使轨道和桥梁结构的受力与变形增大㊂由于现有的铁路设计规范中对活动支座处的摩阻力并没有特殊的规定，因此在进行常规的理论仿真分析时，一般不考虑活动支座处摩阻力的影响，这种算法上的简化可能会使温度和车辆荷载作用下的计算结果产生比较大的偏差㊂通过建立考虑活动支座摩阻力和不考虑活动支座摩阻力的两种铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路精细化空间耦合仿真模型，研究活动支座处摩阻力对梁轨相互作用的影响，并对今后分析桥上无砟轨道无缝线路结构时是否考虑活动支座处的摩阻力提供建议和参考依据㊂
关键词：桥梁；无砟轨道；无缝线路；活动支座；摩阻力
中图分类号:U213．21㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:16729889(2021)01007905
Influence of the Expansion Bearing Friction Force to Mechanical Characteristics of
CWR Track on Bridge
吃一堑长一智英文
JIAO Lei 1,2,3,QU Cun 1,2,3,YANG Zhiyuan 4
(1．Beijing Urban Construction Design &Development Group Co．,Ltd．,Beijing 100037,China;
2．Beijing Engineering Rearch Center of Track Structure,Beijing 100037,China;3．National Engineering Laboratory for
Green &Safe Construction Technology in Urban Rail Transit,Beijing 100037,China;
4.Xiamen Rail Transit Group Co．,Ltd．,Xiamen 361000,China)
Abstract :With the construction of railways in our country,the ratio of the bridge in railways is higher and higher.As there is always friction force at the expansion bearing of the bridge,it will produce some influence to the force and displacement of the track structure and bridge structure under load of temperature and train,and magnify the force and displacement.Now in the railway design code,there is no special provision to the friction force of expansion bearing.In general the oretical analysis,friction force of expansion bearing is not considered.This shortcut calculation may cau more influence to the analytical re-
sults of temperature load and train load,and produce deviation.This paper will build two kinds of the meticulous spatial cou-pled simulation models of CRTSⅠslab ballastless CWR track on bridge,one is considered the friction force of expansion bear-ing and one is not considered.And this paper studies the influence of the friction force of expansion bearing to the interaction between beams and rails.Provide reference and propo to whether the friction force at the expansion bearing is considered in the analysis of the ballastless CWR track on bridge.
Key words :bridge;ballastless track;CWR;expansion bearing;friction force
㊀㊀随着我国铁路建设事业的发展，以桥代路㊁节约耕地成为我国铁路重要的设计理念之一，铁路建设中桥梁的比例普遍较高[13]㊂
passive voice我国铁路桥梁的基本型式为简支梁桥和连续梁桥㊂简支梁桥两端的桥墩上一般分别设置一个固定支座和一个活动支座；连续梁桥一般只在中间
现代交通技术2021年
的一个桥墩上设置固定支座，其余的中间桥墩和边墩上都设置活动支座㊂由于活动支座处总是存在一定的摩阻力，在温度荷载和列车荷载作用下，会给桥梁㊁轨道及无缝线路的力学特性带来一些影响[411]，可能造成受力与变形增大㊂
一般说来，桥梁的上部结构为一大质量的整体㊂理论分析和现场实测表明，上部的桥梁结构在温度荷载㊁列车竖向荷载和制动荷载的共同作用下会产生平面运动㊂因此，活动支座处的摩阻力将会通过主梁的传递，对固定支座所承受的作用力产生影响㊂
目前，我国已陆续制定了‘新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定“(铁建设函 2003 205号)㊁‘京沪高速铁路设计暂行规定“(铁建设函 2004 157号)㊁‘新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定“(铁建设函 20
05 285号)㊁‘铁路轨道设计规范“(TB10082 2017)㊁‘新建时速300~350公里客运专线铁路设计暂行规定“(铁建设 2007 47号)㊁‘高速铁路设计规范(试行)“(TB10621 2009)㊁‘铁路无缝线路设计规范“(TB10015 2012)㊁‘高速铁路设计规范“(TB10621 2014)等，这些规范在不同的时期规定了桥上无缝线路纵向力计算及结构设计方法，反映了我国桥上无缝线路的发展历程㊂
但由于现有的铁路设计规范中对活动支座处的摩阻力并没有特殊的规定，因此在进行常规的理论仿真分析时一般不考虑活动支座处摩阻力的影响，仅考虑固定支座所在桥墩沿桥纵向与梁体固结，然而，这种算法上的简化可能会使温度和车辆荷载作用下桥上无缝线路计算结果产生比较大的偏差㊂为更加真实地反映实际情况，参考国外规范的要求[1213]，在分析温度荷载和车辆荷载对桥上无缝线路的作用时，应该考虑活动支座对桥梁墩台的摩擦作用㊂为此，本文对活动支座摩阻力对梁轨相互作用的影响进行了研究，分析了考虑摩阻力后相关参数对梁轨相互作用的影响㊂
本文通过建立考虑活动支座摩阻力和不考虑活动支座摩阻力的两种铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路精细化空间耦合仿真模型[1416]，研究活动支座处摩阻力对梁轨相互作用的影响，并对今后分析桥上无砟轨道无缝线路结构时是否考虑活动支座处的摩阻力提供建议和参考依据㊂
1㊀模型建立和参数选取
本文以铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道结构长大桥梁((60+100+60)m连续梁)为例进行计算分析，两侧各考
虑5跨32m简支梁作为辅助跨，并且建立了相似参数的双块式和CRTSⅡ型板式无砟轨道结构长大桥梁仿真模型[1718]，计算并进行了对比验证㊂1．1㊀模型主要部件组成apple of love
在温度荷载和列车荷载作用下，铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构主要由钢轨㊁纵向传力机构(包括扣件)㊁CRTSⅠ型板式无砟轨道结构(包括轨道板㊁凸形挡台㊁树脂填充层㊁砂浆层㊁底座板等)㊁桥梁结构(包括梁体㊁桥墩)等部件组成㊂本文对各部件利用有限元模型分别进行模拟，所建立的铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路有限元模型如图1所示㊂铺设双块式和CRTSⅡ型板式无砟轨道的桥上无缝线路有限元模型如图2所示㊂桥梁模型示意如图3所示
㊂
图1㊀铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上
无缝线路有限元模型
图2㊀铺设双块式和CRTSⅡ型板式无砟轨道的
桥上无缝线路有限元模型
㊃08㊃
第1期焦㊀雷，等．
活动支座摩阻力对桥上无缝线路力学特性的影响
图3㊀桥梁模型示意
1．2㊀单元模拟和参数选取
英文儿歌视频大全(1)钢轨主要考虑其承受温度变化和车辆竖向及制动荷载的作用，采用梁单元进行模拟㊂(2)扣件主要考虑其限制钢轨位移与变形的作用，采用弹簧单元进行模拟㊂
(3)轨道板㊁凸形挡台㊁树脂填充层㊁CA(水泥
pyramidal沥青)砂浆层和底座板等主要考虑其外形尺寸和材料属性，均采用实体单元进行模拟，其中，轨道板的混凝土强度等级为C60；凸形挡台采用C40级混凝土，半径为260mm；树脂填充层厚度为40mm，弹性系数取10ʃ2kN /mm;CA 砂浆层厚度为50mm；底座板采用C40级混凝土㊂
(4)桥梁主要考虑其外形尺寸和材料属性，采
用实体单元进行模拟，桥墩采用弹簧单元进行模拟㊂
1．3㊀活动支座处的摩阻力系数
考虑活动支座处的摩阻力系数分别取为0㊁
0．005㊁0．01㊁0．02和0．04，基本上可以包括所有类型支座的摩阻力系数㊂2㊀活动支座摩阻力影响分析2．1㊀温度荷载作用影响分析
计算工况：以钢轨降温50ħ为例，轨道板㊁底
座板参照最新规范考虑降温30ħ，桥梁也考虑适
宜的温度荷载[19]㊂在考虑活动支座摩阻力系数分
别为0㊁0．005㊁0．01㊁0．02㊁0．04的情况下，梁轨相对位移如图4所示，钢轨伸缩附加力如图5所示；温度荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果如表1所示剪纸英语
㊂
图4㊀梁轨相对位移
1
图5㊀钢轨伸缩附加力
表1㊀温度荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果
活动支座摩阻力系数
梁轨相对位移/mm 桥梁伸缩位移/mm 钢轨伸缩力/kN 轨道板应力/MPa 凸形挡台应力/MPa 底座板应力/MPa 连续梁固定支座纵向力/kN 简支梁固定支座纵向力/kN
015．45030．327339．49116．20031．20033．800210．000178．9060．00515．28529．456327．26116．20031．20033．800289．710163．3300．0114．82128．920325．48316．20031．20033．800346．958120．9540．0214．55127．615324．72316．20031．20033．800363．739123．9080．04
14．036
25．163
320．477
16．200
31．200
shenzhou33．800
398．351
122．466
㊀㊀分析图4㊁图5和表1可知，在温度荷载作用下，随着活动支座摩阻力系数由0至0．04逐渐增大，梁轨相对位移和桥梁伸缩位移有所减小，说明活动支座摩阻力在一定程度上限制了梁轨的变形；钢轨伸缩力略有减小；无砟轨道各部件(包括轨道板㊁凸形挡台和底座板)受到的应力基本不变；长大连续梁固定支座所在桥墩的纵向力明显增大，两侧作为辅助跨的简支梁固定支座所在桥墩的纵向力明显减小㊂对比模型计算得到的规律与此相同㊂说明在温度荷载作用下，活动支座处的摩阻力对轨
道结构的受力影响较小，而对所在桥梁墩台的纵向力影响较大㊂
2．2㊀列车竖向荷载作用影响分析
计算工况：列车竖向荷载采用0．8UIC 活载即ZK 标准荷载，不考虑列车速度系数的冲击作用㊂
在考虑活动支座摩阻力系数分别为0㊁0．005㊁0．01㊁0．02㊁0．04的情况下，梁轨相对位移如图6所示，钢轨挠曲附加力如图7所示；列车竖向荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果如表2所示㊂
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18㊃
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年
图6㊀梁轨相对位移
2图7㊀钢轨挠曲附加力
表2㊀在列车竖向荷载作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果
活动支座摩阻力系数钢轨垂向
位移/mm
梁轨相对
位移/mm
桥梁跨中
挠度/mm
钢轨挠曲
力/kN
轨道板应
力/MPa
凸形挡台
应力/MPa
底座板应
力/MPa
连续梁固定支
座纵向力/kN
简支梁固定支
座纵向力/kN
028．3500．83127．255122．4451．9004．88015．00072．06119．473 0．00528．2780．81727．187122．6711．9004．86015．000119．40817．078 0．0128．2040．79627．108123．0591．9104．85015．100164．49835．132 0．0228．0240．76926．927124．3501．9104．800
15．200198．43540．872 0．0427．8400．74226．741125．1701．9204．74015．300225．57140．269
㊀㊀分析图6㊁图7和表2可知，在列车竖向荷载作用下，随着活动支座摩阻力系数由0至0．04逐渐增大，钢轨垂向位移略有减小，但幅度不大；梁轨相对位移变化不大；桥梁跨中挠度也略有减小；钢轨挠曲力略有增大；无砟轨道部分部件(包括轨道板和底座板)受到的应力略有增大，而凸形挡台受到的应力略有减小；桥梁支座受力逐渐增大㊂对比模型计算得到的规律与此相同㊂说明活动支座摩阻力对上部轨道结构的受力与变形影响较小，对桥梁墩台的纵向力影响较大㊂
2．3㊀列车制动力作用影响分析
计算工况：列车竖向荷载不变，轮轨黏着系数取为0．164[20]㊂在考虑活动支座摩阻力系数分别为0㊁0．005㊁0．01㊁0．02㊁0．04的情况下，梁轨相对位移如图8所示，钢轨制动附加力如图9所示；列车制动力作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果如表3所示㊂分析图8㊁图9和表3可知，在列车制动力作用下，随着活动支座摩阻力系数由0至0．04逐渐增大，梁轨相对位移有所减小；桥梁纵向位移逐渐减小；钢轨受到的制动力㊁无砟轨道各部件(包括轨道板㊁凸形挡台和底座板)受到的应力都有所减小；桥梁支座纵向力明显减小㊂对比模型计算得到的规律与此相同㊂说明活动支座处的摩阻力对轨道结构和桥梁结构的受力与变形都有一定的约束作用，而在铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路
㊀
㊀
图8㊀梁轨相对位移
3
图9㊀钢轨制动附加力
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第1期焦㊀雷，等．活动支座摩阻力对桥上无缝线路力学特性的影响
的设计和仿真计算中，不考虑活动支座处存在的摩阻力也是偏于安全的㊂
表3㊀列车制动力作用下铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路结构的受力与变形计算结果
活动支座摩阻力系数梁轨相对
位移/mm
桥梁纵向
位移/mm
钢轨制动
力/kN
轨道板应
力/MPa
凸形挡台
应力/MPa
底座板应
力/MPa
连续梁固定
支座纵向力/kN
简支梁固定
支座纵向力/kN
06．55023．674431．4280．1490．2220．6222292．538409．709 0．0056．30222．022417．5890．1600．2090．5732134．024389．893 0．016．05820．388403．3940．1590．1970．5261978．117368．339 0．025．58017．177374．0890．1490．1870．4361670．719324．344 0．044．76712．929320．9830．1490．1870．290936．879257．312
3㊀结论
本文通过建立铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的精细化空间耦合仿真模型及对比模型，分析了活动支座处的摩阻力对轨道结构和桥梁结构的受力与变形的影响，得到以下结论:
(1)在温度荷载作用下，活动支座处的摩阻力在一定程度上限制了轨道与桥梁结构的变形，对上部轨道结构的设计影响不大，但对桥梁墩台的纵向力有一定影响，长大连续梁固定支座所在桥墩的纵向力明显受其影响，设计可能会产生较大的偏差㊂因此，在今后的桥梁设计中，建议在连续梁的设计中选用抗纵向变形能力较大的固定支座㊂(2)在列车竖向荷载作用下，活动支座处的摩阻力对上部轨道结构的受力与变形影响较小，只是影响了桥梁固定支座所在桥墩的纵向受力，设计也可能会产生较大的偏差㊂因此，在以后的桥梁设计中，也建议选用抗纵向变形能力较大的固定支座㊂(3)在列车制动力作用下，活动支座处的摩阻力对轨道结构和桥梁结构的受力与变形都有一定的约束作用，因此在铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道的桥上无缝线路的设计和仿真计算中，不考虑活动支座处的摩阻力是偏于安全的㊂
(4)简支梁桥两端的桥墩上一般都分别设置一个固定支座和一个活动支座，从整体上讲，是否考虑活动支座摩阻力，桥墩提供的总刚度都不变，所以影响不大；连续梁桥一般只在中间的一个桥墩上设置固定支座，其余的中间桥墩和边墩上都设置活动支座，桥墩刚度未被计入，所以在后续研究中，还应重点考虑长大连续梁桥的活动支座摩阻力对梁轨间纵向力传递的影响㊂
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