【数学建模论文】浅谈高架桥上无缝线路设计的关键技术

【摘要】：相对于国外来说，我国在城市轨道的建设方面起步比较晚。但是，因为在铁路桥中无缝线路的技术已经比较成熟，所以在城市轨道的高架桥无缝线路的设计过程中，可以将其的研究成果作为一种借鉴有效的利用起来，实际的工程应用中已经取得良好的效果，本文就高架桥无缝线路设计中的关键技术进行了分析，供相关人员参考。

【关键词】：高架桥，无缝线路设计，关键技术，研究

1.引言

由于与车站的道岔的焊接使得其缓冲区被取消，从而实现了线路的无缝化。这种跨区间的无缝线路，使得线路的整体强度以及平顺性得到了提升，同时降低了轨间的磨损以及维修养护工作量，并且对列车的运行条件的改善和提升线路的可靠性以及安全性等都有好处，所以在高架桥线路中的结构形式常采用跨区间的无缝线路设计。

2.高架桥无缝线路设计过程中计算模型的建立

无缝线路在高架桥上使用，必须针对其进行设计的理论以及计算方法的新的研究。桥上无缝线路的设计理论基础是桥上无缝线路的纵向力形式的力学模型的建立。一方面，力学模型要对梁轨之间的作用关系真实反映，另一方面其分析、计算过程中要简便，计算模型的抽象的正确与否对整个计算的准确性以及精确性都要较大的影响。计算原理和模型桥上无缝线路的试验和运营实践证明，尽管桥梁和无缝线路的结构型式多种多样，但各种梁型桥上无缝线路纵向力的产生机理均符合梁轨相互作用原理。梁轨相互作用的原理是我国桥上无缝线路中纵向附加力这个计算模型的依据，其原理是：温度对其影响、列车的纵向制动力以及竖向的荷载的作用，使得钢轨与桥梁之间有了相对位移产生，但是这种位移受到道床以及扣件产生的阻力的约束，伴随有纵向的水平力的产生，并由梁以及支座传给墩台，从而引起墩台的破坏。

桥上无缝线路纵向力计算采用梁轨相互作用模型,如图1所示。图中: i表示桥梁支座位移，Fk表示单位长度扣件纵向阻力，Ki表示桥梁下部结构的纵向刚度(包含支座和墩台身及基础刚度),EJ表示钢轨伸缩调节器或钢轨折断处，P为列车垂直荷载，Fb为轨面制动力，tR为钢轨温差，tB为梁温差，L1、L2分属于不同的温度跨。当L1或L2为零时，连续梁则为简支梁,长钢轨在桥梁两端的长度为任意长。因此，计算模型既可用于连续梁桥又可用于简支梁桥无缝线路纵向力的计算。

图1梁轨相互作用计算模型

梁轨之间产生的相互作用，最终使得钢轨与桥梁形成一个力学平衡体系，这个体系内部是相互作用以及相互约束的。为了对纵向力进行科学、合理性验证，国内的研究人员曾经在桥梁的无缝线路上进行测试试验，并将得到的挠曲力、伸缩力与理论计算得到的进行分析、对比，并最终证明了这种方法的准确性。但是，确定梁轨中的相等的位移点，是大跨度的混凝土形式的连续梁桥上的无缝线路中的附加力中的难点，也是梁轨相互作用原理应用中应该重点解决的重点。

3.高架桥线路纵向阻力的确定

线路纵向阻力对纵向力影响较大，是进行高架桥无缝线路设计中的一个关键性参数。线路纵向阻力数值的大小受到多个方面的影响，如轨道采取的结构类型、外界的天气状况、线路维护与养护情况、频率、列车竖向荷载作用力大小等，其数值从客观上反映了轨道与梁体间作用力与位移之间存在的规律。在高架桥无缝线路设计过程中，纵向阻力可以采用固定值，也可以采用变化的值：当采用固定值时进行设计时，轨道与梁体间作用力与位移之间的微分方程就可以化简为代数方程，从而大大简化计算过程，因为其设计过程简单，所以更容易被工程技术人员接受，因此在现有规范中，都是使用的固定阻力；当采用变化值时进行设计时，其计算过程较为复杂，大大加大的工作量，因此难以得到技术人员的认可。当作用力较小，轨道与梁体之间的相对位移不大时，无论是采用线性阻力还是非线性阻力，对结果的影响并不大，但是当轨道与梁体之间的相对位移比较大时，钢轨与桥梁之间的纵向阻力表现出明显的弹塑性特征，此时若是使用固定阻力，就会出现较大的计算误差。

4.高价桥墩纵向水平线刚度对桥上无缝线路设计的影响

纵向水平线刚度的大小对于高架桥无缝线路设计有着较大的意义，是一个极为重要的设计参数，会对钢轨与墩台纵向力的分配好，梁、轨位移之间的位移产生较大的影响。当该值较低时，就会降低整体结构的可靠性，而此值较高值，又不符合经济性要求。因此，在进行高架桥无缝线路设计时，就要仔细研究桥墩纵向水平线刚度对高架桥的影响规律，在满足结构要求安全系数的基础上，最大程度的降低工程造价。

通过对纵向水平线刚度进行研究，发现在桥墩纵向线刚度不断增加，而制动力随之下降的情况下，钢轨的出现了增长的趋势，但是钢轨的最大挠曲力依然保持不变。在车辆采取制动措施的情况下，桥墩纵向水平线刚度越大，梁、轨位移之间的位移就越小；轨道的设置可以减小梁、轨之间的相对位移，从而提高道床的稳定性，由此可见，适当增加桥墩线刚度；对于实现高架桥无缝线路的设计是有利的；在进行高架桥无缝线路的设计时，制动力作用时轨、梁之间的快速位移是控制桥墩纵向水平线刚度的主要因素，在进行无碴轨道设计时，制动力作用时钢轨的附加力是控制桥墩纵向水平线刚度的主要因素。

5.降低高架桥上无缝线路钢轨附加纵向力的具体措施

对于高架桥结构来讲，采取必要的措施，降低桥上无缝线路的纵向力有着重要的意义。根据现有的研究经验显示，可以从改进轨道结构和桥跨结构两方面采取措施，达到降低上无缝线路纵向力的目的，如可通过提高桥梁下部结构刚度方式降低纵向力，或是采用传力装置，将纵向力转移至桥台上，从而减小桥身上承受的纵向力。

在我国的科学研究工作中，曾经研发了一种桥梁速敏关节的纵向力传递装置。这种装置不仅具有运动黏度的流体工作介质，还拥有渗漏通道设计相结合的类似油缸-活塞系统，当外界环境发生变化，引起桥体出现细小变形时，该装置产生的阻力比较小，并没有影响到桥梁结构的整体受力情况，但是加载速度或是变形速度较快时，即列车需要停止或启动时，该装置就可迅速转化为激活状态，做出一系列的相应措施。

6.高架桥曲线段无缝线路设计中采取的措施

6.1调整设计锁定轨温

在有一定弧度的高架桥上采用无缝线路设计，通常要引入调整设计锁定轨温的办法，在满足允许温升与最大温升相差较小的情况下，该方法不但可以提高安全保证系数，并且方便易行、造价低廉。在具体的设计中，可以采用两种方式：一种是改变设计锁定轨温，另一种是缩小设计锁定轨温范围。

6.2增加线路横向阻力

当高架桥上存在一定弧度时，轨枕两侧和枕底与道砟接触面之间会形成一定的摩擦阻力，摩擦擦阻力与阻碍轨枕横向移动的力一起组成了道床的横向阻力，通过提高道床的横向阻力的方式，可以提高高架桥曲线断的安全，在设计中，为了达到这一目地，通常可以采用以下几种方式：增加道床砟肩宽度，砟肩堆高、轨枕根数,采用重型轨枕，若外界情况较为复杂，还可以采用设置横向阻力设备的方法。

6.3减少桥上无缝线路钢轨附加力

有砟轨道的纵向阻力等于扣件阻力和道床纵向阻力的较大值，一般而言，为防止钢轨爬行，扣件阻力应大于道床纵向阻力。但在特殊地段的桥上无缝线路设计中，为减少桥墩受力以及钢轨附加力，会在一定范围设置小阻力扣件。与普通扣件相比，小阻力扣件采用扣压力小的弹条，同时配摩擦系数小的轨下垫板，轨下垫板一般采用在橡胶垫板上粘贴不锈钢板、聚四氟乙烯板等，目前以采用不锈钢板较为普遍。

7.结束语

从我国目前的情况来看，高架桥无缝线路设计还缺少必要的规范对其进行具体的要求，这为高架桥无缝线路设技术的推广带来了一定的阻碍。在今后的工作中，相关工作人员应该继续加强对无缝线路技术的研究工作，不断的建立健全相应的设计理论，充分发挥该技术的优势，推进无缝线路技术发展的同时，带动我国经济水平继续发展。

【参考文献】

[1]铁道部科学研究院.桥上无缝线路线路设计方法[M].北京:铁道科学研究院，1999

[2]铁道部建设司.新建铁路桥上无缝线路设计及墩台顶纵向力计算暂行规定，2012.

[3]DS899/59，联邦德国铁路新干线上桥梁的特殊规程[S].