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摘要：对于列车来说，齿轨铁路与桥梁的梁轨相互作用影响到了其行驶的安全性，同时对其结构稳定性也有重要的影响。本文利用有限元理论，建立了相关模型，分析了在实际荷载的状况下，齿轨铁路轨道-简支梁桥相互作用。根据模型数据结果可以发现，简支梁桥上的齿轨铁路在实际荷载的情况下各项指标都要强于常规桥上的无缝线路，故而建议在铁路建设时应该增强轨道基础与梁体的约束作用，同时也应该注意齿轨轨缝不宜过大，要注意齿轨轨缝与梁缝的位置布局不宜相同。
关键词：铁路工程;齿轨铁路;简支梁桥;轨缝位置
引言
在一般的铁路工程建设中，普通铁路由于自身轨道黏着力不强的原因，只适合平地行驶，面对崎岖的山地地形，普通铁路则无法满足列车爬坡行驶的需求。为了解决这一问题，在铁路工程建设中，一般会采用在山地及景区等地形较高的爬坡地段，建设增设特殊齿轨的齿轨铁路这一方法，来加大列车和铁轨的手足力及摩擦力，以此满足列车爬坡需求。本文在前人研究的基础上，采用了有限元理论，建立计算模型，通过分析典型荷载作用下梁轨相互作用，提出受力条件较为有利的轨缝位置。
一、有限元模型的建立
本研究利用了有限元软件 ANSYS 来设计建设了简支梁桥齿轨 （钢轨）-轨枕-桥梁-墩台空间耦合这一计算模型。其中，跨简支梁桥的尺寸比例为32 m×15，并且在桥面上铺设了双线有砟轨道齿轨铁路。同时为了降低边界条件的影响作用，在桥梁两侧还各自建立了 150 m 路基，在此模型中，桥上轨道结构和路基的坡度均设置为250‰坡度。
在模型建设中，采用了铁木辛柯梁单元来模拟钢轨、轨枕和梁体。这样的设计能够模拟出剪力、承受轴力以及弯矩的具有梁属性。为了有效模拟桥墩支座、扣件和有砟道床的阻力与刚强度，试验在轨枕与梁体之间、钢轨与轨枕之间、梁体与桥墩之间都采用了弹簧单元进行链接。
二、梁轨相互作用分析
（1）温度作用
通过分析整个桥梁范围内的钢轨纵向力及墩台力，可以发现：最右侧的桥梁活支座处出现了钢轨的最大拉力值，而左侧桥台则是出现了拉力的最小值。从整体看来，桥台受到的纵向力最大，其他桥墩则受力较小。从钢轨与齿轨位移的分布规律图来看，分析钢轨与齿轨位移的数值，发现最大值均位于桥梁的活动支座处，进而可以发现，由于通螺栓的固定作用，其约束能力更强，所以使得齿轨和梁体之间具有更强的相互作用关系。另外，值得注意的是，由于齿轨的固定方式的特殊性——分解固定，所以使得齿轨变形更为自由，在某种程度上发散了温度。
（2）列车纵向荷载
通过分析在列车纵向荷载情况下的钢轨纵向力和墩台力时可以发现：钢轨纵向力在全桥范围内形成了反对称图。而整体纵向力的最大值位于荷载分布范围的两端。根据模型设计与计算，纵向荷载的大小直接受到轨道坡度改变的影响，轨道坡度改变越大，齿轨轨道受力越大。
三、与常规桥上无缝线路对比
齿轨改善了轨道结构的纵向约束并形成了轨道以5m为单位分段的纵向约束系统。本文建立常规桥上无缝线路空间耦合计算模型，模型中不考虑齿轨，其他各项参数均与上述计算模型完全相同。为了核实本计算模型的正确性，本文与其他研究中的计算模型进行对比，证明了这一模型的可行性。
通过研究看出，与常规桥上无缝线路比较，铺设于简支梁上的齿轨铁路各项指标相差都较大。齿轨铁路在承担纵向荷载上起到较大作用，轨道结构和其他附加力对桥墩的作用力较为明显。在实际观察中，应该注重铁轨结构纵向位移，可以通过加大梁体和轨道间的约束力，来防止轨道的爬行。
与常规桥上无缝线路比较，在断轨、列车垂向荷载以及温度作用下，齿轨铁路各项指标相差不大，这说明齿轨铁路在加强轨道机构整体性上具有较好的作用。
四、齿轨轨缝合理位置研究
由于齿轨的铺设方式不同，所以齿轨和梁体之间的相对位置关系具有多变性，梁缝和轨缝之间最重要的就是相对位置关系。在梁缝处的轨缝，通常会根据梁体伸缩而伸缩，齿轮与齿轨很难正常咬合。所以，可以通过研究齿轨轨缝位置对梁轨的影响作用，来探究合理的轨缝位置。
研究中，分别设计了不同的轨缝位置。有将齿轨轨缝完全啮合于梁缝的，有将齿轨轨缝与梁缝错开0.5 m～2.5 m的。通过观察各方案在降温时轨缝与钢轨受理的变化情况，可以得出，梁缝和轨缝啮合时，钢轨纵向力达到最大，轨缝位置越远，则钢轨受力越小。因而，钢轨受力最小的位置，应当是齿轨中间部分正好位于梁缝上时。
又通过探究齿轨轨缝变化量可看出，在梁體降温收缩过程中，齿轨轨缝在梁缝位置处时达到最大扩大量，在梁体跨中达到最大缩小量，当梁缝与轨缝错位放置时，齿轨轨缝的变化量能够明显减小，而跨中处的轨缝收缩量和梁缝处齿轨位置并无十分密切的联系。
通过以上研究可以得出，当梁缝两侧齿轨均为 2.5 m时，钢轨的纵向力和轨缝能够显著减小，且能够符合一般强度指标。所以，在铺设齿轨时，让齿轨中央位置保持在梁缝上时，齿轨铁路此时的稳定性和安全性可以达到极值。另外，由于铁路车辆自身的动力作用及齿轨自身结构形态的原因，在实际操作中，应该在轨缝处留有预留值，同时对轨道锚固以减小轨缝的变化。
五、结论
本文通过分析在不同荷载情况下，简支梁桥齿轨铁路上梁轨的相互作用，得出几个结论：
（1）在列车纵向荷载力下，当齿轨铁路建设在简支梁上的时候，较常规桥的无缝线路相比，墩顶纵向力、梁轨相对位移、钢轨纵向力和墩顶纵向位移增大了43.23%、45.45%、41.72%和 43.22%。该项数据指标可视为齿轨铁路的重点关注对象。
（2）当简支梁和轨道相互作用力比常规桥的无缝线路大时，轨道的结构形状和附加力都会有一定的变化。所以在实际操作中，可以通过增加梁体与轨道间的约束力，来加强纵向阻力，达到防止轨道的爬行目的。
（3）齿轨的强度的指标并不能作为设计时的控制指标。由于齿轨的布置方式为分段式布置，相邻齿轨之间存在的联系较为微弱，随着梁体的变形也会导致齿轨在一定程度上的偏移，其所受到的附加作用力比较小。
（4）轨道受力变形的其中一大原因在于，齿轨轨缝铺设的位置，所以，在实际操作中，可以通过将齿轨中间部分铺设于梁缝上的方式，来控制齿轨轨缝大小，达到车辆平稳运行和提高安全性的目的。
参考文献
[1]闫斌，藏公连.考虑加载历史的高速铁路梁轨相互作用析[J].铁道学报，2014，36（6）：75-80.
[2]李粮余， 欧灵畅， 尤睿等. 山地米轨铁路有砟轨道结构稳定性研究[J]. 铁道工程学报， 2019， 36（12）： 23 - 28.
[3] 蔡小培， 刘薇， 王璞， 等. 地面沉降对路基上双块式无砟轨道平顺性的影响[J]. 工程力学， 2014， 31（9）： 160 -165.
关键词：铁路工程;齿轨铁路;简支梁桥;轨缝位置
引言
在一般的铁路工程建设中，普通铁路由于自身轨道黏着力不强的原因，只适合平地行驶，面对崎岖的山地地形，普通铁路则无法满足列车爬坡行驶的需求。为了解决这一问题，在铁路工程建设中，一般会采用在山地及景区等地形较高的爬坡地段，建设增设特殊齿轨的齿轨铁路这一方法，来加大列车和铁轨的手足力及摩擦力，以此满足列车爬坡需求。本文在前人研究的基础上，采用了有限元理论，建立计算模型，通过分析典型荷载作用下梁轨相互作用，提出受力条件较为有利的轨缝位置。
一、有限元模型的建立
本研究利用了有限元软件 ANSYS 来设计建设了简支梁桥齿轨 （钢轨）-轨枕-桥梁-墩台空间耦合这一计算模型。其中，跨简支梁桥的尺寸比例为32 m×15，并且在桥面上铺设了双线有砟轨道齿轨铁路。同时为了降低边界条件的影响作用，在桥梁两侧还各自建立了 150 m 路基，在此模型中，桥上轨道结构和路基的坡度均设置为250‰坡度。
在模型建设中，采用了铁木辛柯梁单元来模拟钢轨、轨枕和梁体。这样的设计能够模拟出剪力、承受轴力以及弯矩的具有梁属性。为了有效模拟桥墩支座、扣件和有砟道床的阻力与刚强度，试验在轨枕与梁体之间、钢轨与轨枕之间、梁体与桥墩之间都采用了弹簧单元进行链接。
二、梁轨相互作用分析
（1）温度作用
通过分析整个桥梁范围内的钢轨纵向力及墩台力，可以发现：最右侧的桥梁活支座处出现了钢轨的最大拉力值，而左侧桥台则是出现了拉力的最小值。从整体看来，桥台受到的纵向力最大，其他桥墩则受力较小。从钢轨与齿轨位移的分布规律图来看，分析钢轨与齿轨位移的数值，发现最大值均位于桥梁的活动支座处，进而可以发现，由于通螺栓的固定作用，其约束能力更强，所以使得齿轨和梁体之间具有更强的相互作用关系。另外，值得注意的是，由于齿轨的固定方式的特殊性——分解固定，所以使得齿轨变形更为自由，在某种程度上发散了温度。
（2）列车纵向荷载
通过分析在列车纵向荷载情况下的钢轨纵向力和墩台力时可以发现：钢轨纵向力在全桥范围内形成了反对称图。而整体纵向力的最大值位于荷载分布范围的两端。根据模型设计与计算，纵向荷载的大小直接受到轨道坡度改变的影响，轨道坡度改变越大，齿轨轨道受力越大。
三、与常规桥上无缝线路对比
齿轨改善了轨道结构的纵向约束并形成了轨道以5m为单位分段的纵向约束系统。本文建立常规桥上无缝线路空间耦合计算模型，模型中不考虑齿轨，其他各项参数均与上述计算模型完全相同。为了核实本计算模型的正确性，本文与其他研究中的计算模型进行对比，证明了这一模型的可行性。
通过研究看出，与常规桥上无缝线路比较，铺设于简支梁上的齿轨铁路各项指标相差都较大。齿轨铁路在承担纵向荷载上起到较大作用，轨道结构和其他附加力对桥墩的作用力较为明显。在实际观察中，应该注重铁轨结构纵向位移，可以通过加大梁体和轨道间的约束力，来防止轨道的爬行。
与常规桥上无缝线路比较，在断轨、列车垂向荷载以及温度作用下，齿轨铁路各项指标相差不大，这说明齿轨铁路在加强轨道机构整体性上具有较好的作用。
四、齿轨轨缝合理位置研究
由于齿轨的铺设方式不同，所以齿轨和梁体之间的相对位置关系具有多变性，梁缝和轨缝之间最重要的就是相对位置关系。在梁缝处的轨缝，通常会根据梁体伸缩而伸缩，齿轮与齿轨很难正常咬合。所以，可以通过研究齿轨轨缝位置对梁轨的影响作用，来探究合理的轨缝位置。
研究中，分别设计了不同的轨缝位置。有将齿轨轨缝完全啮合于梁缝的，有将齿轨轨缝与梁缝错开0.5 m～2.5 m的。通过观察各方案在降温时轨缝与钢轨受理的变化情况，可以得出，梁缝和轨缝啮合时，钢轨纵向力达到最大，轨缝位置越远，则钢轨受力越小。因而，钢轨受力最小的位置，应当是齿轨中间部分正好位于梁缝上时。
又通过探究齿轨轨缝变化量可看出，在梁體降温收缩过程中，齿轨轨缝在梁缝位置处时达到最大扩大量，在梁体跨中达到最大缩小量，当梁缝与轨缝错位放置时，齿轨轨缝的变化量能够明显减小，而跨中处的轨缝收缩量和梁缝处齿轨位置并无十分密切的联系。
通过以上研究可以得出，当梁缝两侧齿轨均为 2.5 m时，钢轨的纵向力和轨缝能够显著减小，且能够符合一般强度指标。所以，在铺设齿轨时，让齿轨中央位置保持在梁缝上时，齿轨铁路此时的稳定性和安全性可以达到极值。另外，由于铁路车辆自身的动力作用及齿轨自身结构形态的原因，在实际操作中，应该在轨缝处留有预留值，同时对轨道锚固以减小轨缝的变化。
五、结论
本文通过分析在不同荷载情况下，简支梁桥齿轨铁路上梁轨的相互作用，得出几个结论：
（1）在列车纵向荷载力下，当齿轨铁路建设在简支梁上的时候，较常规桥的无缝线路相比，墩顶纵向力、梁轨相对位移、钢轨纵向力和墩顶纵向位移增大了43.23%、45.45%、41.72%和 43.22%。该项数据指标可视为齿轨铁路的重点关注对象。
（2）当简支梁和轨道相互作用力比常规桥的无缝线路大时，轨道的结构形状和附加力都会有一定的变化。所以在实际操作中，可以通过增加梁体与轨道间的约束力，来加强纵向阻力，达到防止轨道的爬行目的。
（3）齿轨的强度的指标并不能作为设计时的控制指标。由于齿轨的布置方式为分段式布置，相邻齿轨之间存在的联系较为微弱，随着梁体的变形也会导致齿轨在一定程度上的偏移，其所受到的附加作用力比较小。
（4）轨道受力变形的其中一大原因在于，齿轨轨缝铺设的位置，所以，在实际操作中，可以通过将齿轨中间部分铺设于梁缝上的方式，来控制齿轨轨缝大小，达到车辆平稳运行和提高安全性的目的。
参考文献
[1]闫斌，藏公连.考虑加载历史的高速铁路梁轨相互作用析[J].铁道学报，2014，36（6）：75-80.
[2]李粮余， 欧灵畅， 尤睿等. 山地米轨铁路有砟轨道结构稳定性研究[J]. 铁道工程学报， 2019， 36（12）： 23 - 28.
[3] 蔡小培， 刘薇， 王璞， 等. 地面沉降对路基上双块式无砟轨道平顺性的影响[J]. 工程力学， 2014， 31（9）： 160 -165.