梁端无砟轨道扣件系统及钢轨的受力

梁端无砟轨道扣件系统及钢轨的受力分析
易南福，殷明旻
（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）
1简述
相邻墩台基础不均匀沉降、温度荷载、车辆荷载、支座弹性变形、施工误差等都会引起梁端支座处截面发生位移，包括竖向位移与转角位移，对于无砟轨道来说，由于轨道结构与桥梁连接的刚度较大，轨道结构对梁的变形非常敏感，这种微小的变形将造成梁端局部钢轨隆起，从而引起钢轨和扣件系统的附加拉力或压力，当扣件附加拉力大于扣件系统扣压力时，将导致钢轨与垫板间脱空，扣件失效；当扣除附加压力超过一定限值后，在列车重复荷载作用下将导致弹性垫板疲劳破损[1~4]。

因此，对这一工程问题的研究显得必要而有意义。

2扣件系统的受力与变形过程
扣件系统的受力状态可分为三个阶段[3~4]：
2.1第一阶段
当扣件系统承受较大的下压荷载，扣件系统弹性垫板压缩量大于弹条有效弹程F
/2K s时，扣件系统节点弹性仅由弹性垫
板提供，扣件节点刚度为弹性垫板刚度K
p。

2.2第二阶段
扣件系统受力由向下往向上逐渐变化，表现为钢轨由下压作用向上抬作用过渡，弹性垫板压缩量逐渐减小直至为零。

此
时可以将其视为两个并联弹簧，因此扣件节点刚度为K
p
+2K s。

2.3第三阶段
当扣件系统承受的上拔力大于扣件的扣压力，弹性垫板失
效。

扣件系统节点刚度为弹条刚度2K
s。

3计算模型[1]
根据梁轨共同作用原理建立梁端轨道结构受力计算模型，梁体采用梁单元在梁体中性轴处建立，梁高用上、下刚臂模拟，采用纵向非线性弹簧模拟线路纵向位移阻力，扣件系统节点刚度采用竖向非线性弹簧实现。

模型中只考虑了梁缝两侧各7个扣件长度，扣件编号从左至右分别为-7～-1，1～7，扣件处钢轨节点编号也按此编号进行，模型整体示意图如图1所示。

4梁端支座单位竖向位移对钢轨及扣件系统受力的影响
4.1计算结果
梁端支座竖向位移考虑两种情况：①墩台整体竖向位移导致两侧梁同时竖向位移；②同一墩上单侧支座竖向位移（错台）。

由于梁端支座形式的不同而导致梁端位移对扣件系统受力的影响大小不同，因此，对梁端支座不同类型组合，分别计算两种梁端竖向单位位移作用下的钢轨和扣件附加力，结果见图2～7。

4.2计算结果分析
从图2与图3可看出，在不同支座工况下，固-固支座工况下所产生的扣件附加力及钢轨附加弯矩数值最小，活-活支座工况时最大；当支座组合为固-活组合时，活动支座一侧中间扣件附加力比固定支座侧中间扣件附加力大1.27kN，活动支座一侧中间扣件节点处钢轨附加弯矩比固定支座侧中间扣件节点处附加弯矩大1.35kN·m。

由此判断，在双侧支座竖向位移工况
摘要：采用梁轨一体化无砟轨道有限元模型，计算了不同梁端位移作用下扣件系统与钢轨的受力，得出：①梁端位移对扣件系统与钢轨的受力影响很大，设计中应引起足够的重视；②相比活动支座，固定支座对控制梁端扣件系统与钢轨受力更为有利；③同一墩台两侧梁发生不对称位移比发生对称位移时对无砟轨道梁端扣件系统与钢轨的受力影响更为显著。

关键词：无砟轨道；梁端位移；扣件系统；有限元模型
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下，固定支座对控制梁端扣件与钢轨受力更有利。

从图4与图5可看出，在单侧支座单位竖向荷载作用下，扣件附加力与钢轨附加弯矩显现了较好反对称性，最大附加力与弯矩值均发生在-1与1号节点处，且-1号扣件处的附加力与附加弯矩绝对值均大于1号处的。

同时可看出，对于此种工况下，支座类型对计算结果影响并不明显，这与双侧支座单位竖向位移作用下的结果不同。

从图6与图7可看出，梁端支座单侧竖向位移作用下的扣件附加力与钢轨附加弯矩数值明显大于双侧支座竖向位移作用下的。

单侧位移时，-1号扣件处的附加力与附加弯矩比双侧位移时分别大13.79kN和3.02kN·m。

因此，梁端双侧单侧位移作用下更不利于扣件及钢轨的受力，应尽量避免相邻梁面的位
移差（错台）。

5梁端支座单位转角位移对钢轨及扣件系统受力的影响
5.1计算结果
梁端支座单位转角位移同样考虑两种情况：①墩台处两侧支座同时发生相同方向的单位转角位移；②墩台处单侧支座发生单位转角位移，计算结果见图8～15。

5.2计算结果分析
从图8与图9可看出，在双侧支座转角位移作用下，扣件附加力与钢轨附加弯矩均呈现良好的对称性；最大附加力与附加弯矩均发生在-1和1号扣件处；同时可以看出，当梁端采用不同支座形式时，计算结果几乎没有变化，说明在梁端转角位移作用下，扣件附加力与钢轨附加弯矩受支座类型的影响较小。

从图10与图11可看出，在单侧支座转角位移作用下，发生转角位移一侧的扣件附加力与钢轨附加弯矩值均大于未发生转角位移一侧的扣件附加力与钢轨附加弯矩值。

-1号扣件附加拉力达到11.21kN，而此处弯矩附加值达到4.01kN·m。

从图12与图13可看出，在两种不同位移工况作用下，单侧支座转角位移作用下，-1号扣件的拉应力比双侧支座转角位移作用下的大2.6kN
，说明单侧支座转角位移作用下梁端扣件
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（上接第173页）
系统的受力更为不利。

从图14与图15可看出，在双侧支座竖向位移与双侧支座
转角位移两种工况下，转角位移对扣件附加力与钢轨附加弯矩的影响明显大于竖向位移的影响。

6总结
本文采用梁轨一体化有限元模型，对桥上无砟轨道梁端扣件系统及钢轨的受力进行分析，得出主要结论如下：
（1）梁端位移作用下，对扣件附加力及钢轨附加弯矩的影响很大，影响最大的是-1与1号扣件处，对梁端位移较大的特殊桥梁，梁端轨道结构应采取特殊设计，以保证扣件满足受力要求；
（2）梁端双侧竖向位移作用下，梁端支座类型对扣件附加力与钢轨附加弯矩的影响比较大，相比活动支座，固支座对控制梁端扣件与钢轨受力更为有利；
（3）相比梁端双侧位移，梁端单侧位移作用下对扣件附加力与钢轨附加弯矩的影响显著增大；
（4
）相比梁端双侧竖向位移，梁端双侧转角位移对扣件附加力与钢轨附加弯矩的影响显著大。

参考文献：
[1]易南福.高速铁路不同类型无砟轨道在不同荷载作用下的受力与变形研究[硕士学位论文].长沙：中南大学，2010.
[2]赵坪锐.客运专线无碴轨道设计理论与方法研究[博士学位论文].成都：西南交通大学，2009.
[3]李志红.广珠城际轨道交通梁端轨道结构受力变形分析.铁道建筑，
2009，（10）：95～97.
[4]张岷.双块式无砟轨道桥梁梁端扣件系统力学分析.铁道工程学报，
2009，（2）：56～59.
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切，区域成矿背景和成矿地质条件良好，经与呷村铅锌银矿床对比分析，该矿床成因与构造关系密切，可类比呷村铅锌银矿床成因，即火山喷流沉积型（黑矿型矿床）。

参考文献：
[1]侯立纬，
等.藏东川西地区岩浆活动的主要特征及其与板块构造.内生矿产的关系.青藏高原地质文集.1983.
[2]侯立纬，
等.藏东川西地区三叠纪沉积-构造演化.地质出版社.1992年.
[3]侯增谦，
莫宣学.三江义敦岛弧的构造-岩浆演化特征.青藏高原地质文集.No.21.第153~165页.1991a.
[4]侯增谦，
莫宣学.义敦岛弧形成演化及其对三江地区黑矿型块状硫化物矿床的控制作用.地球科学.第10卷.第2期.第153~164页.1991b.[5]李兴振，
等.西南三江地区大地构造单元划分及地史演化.中国地质科学院成都地质矿产研究所刊.第13号.第1~20页.1991.
[6]刘宝田，
等.四川理塘-甘孜一带古洋壳的发现及其对板块构造的意义.青藏高原地质文集.第12期.第119~128页.[7]叶庆同，等.金沙江、澜沧江、怒江地区铅锌矿床特征和成矿系列.地质出版社.1991.
[8]姚冬生.三江弧形构造的特征及演化历史.青藏高原地质文集.第12
期.51~62页.1983.
[9]杨开辉，
侯增谦，莫宣学.三江地区火山成因块状硫化物矿床的基本特征和主要类型.矿床地质.第11卷.第1期.1992.
[10]侯立玮，
等.四川西部义敦岛弧碰撞造山带与主要成矿系列[M].地质出版社.1994.
[11]胡世华，
等.川西夏塞银多金属矿床及外围成矿特征、富集条件、找矿远景及靶区优选
[R].1996.
160。