武廣鐵路客運(yùn)專線橋上無縫道岔設(shè)計(jì)研究

李秋義

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

橋上無縫道岔技術(shù)在德國、法國、日本、中國臺(tái)灣等高速鐵路上都曾得到了應(yīng)用。德國和法國建立了軌道-橋梁有限元計(jì)算模型,研究了道岔和橋梁位置關(guān)系。中國臺(tái)灣高速鐵路采用了德國橋上無縫道岔設(shè)計(jì)技術(shù),采用軌枕埋入式無砟軌道和德國BWG公司道岔。目前,我國正在建設(shè)的客運(yùn)專線有多組道岔以各種形式布置橋上,橋上無縫道岔設(shè)計(jì)已經(jīng)成為客運(yùn)專線的關(guān)鍵技術(shù)之一。橋上無縫道岔問題已經(jīng)引起國內(nèi)學(xué)者高度重視,已有相關(guān)研究成果相繼發(fā)表[1～5]。武廣鐵路客運(yùn)專線樂昌東站南咽喉正線有4組18號(hào)道岔位于昌山特大橋上,樂昌東站橋上無縫道岔設(shè)計(jì)是軌道工程的技術(shù)難點(diǎn)之一(圖1)。

圖1 樂昌東站橋上道岔

本文分析了橋上無縫道岔受力與變形規(guī)律及力學(xué)傳遞機(jī)理,提出了道岔與橋梁相互作用原理,建立了“岔-梁-墩一體化”計(jì)算模型,基于有限單元法提出了道岔與橋梁相互作用計(jì)算方法。以武廣鐵路客運(yùn)專線樂昌東站南咽喉昌山特大橋橋上無砟無縫道岔為例介紹橋上無縫道岔的設(shè)計(jì)方法。

2 橋上無縫道岔非線性有限元計(jì)算方法

2.1 道岔-橋梁相互作用原理

道岔-橋梁相互作用原理是橋上無縫道岔縱向力和位移計(jì)算的理論基礎(chǔ)。道岔-橋梁相互作用原理可以定義如下：在梁體溫度變化、列車荷載、列車制動(dòng)/加速以及道岔里軌隨溫度變化伸縮的作用下,梁和橋上軌道(包括道岔)之間產(chǎn)生相對(duì)位移,橋上軌道(包括道岔)產(chǎn)生鋼軌縱向附加力,對(duì)橋面系作用大小相等、方向相反的反作用力,此力通過梁、支座傳遞至墩臺(tái),在橋上軌道(包括道岔)與橋梁之間形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系。道岔與橋梁相互作用力包括伸縮力、撓曲力、斷軌力、制動(dòng)力。道岔與橋梁之間的相互作用如圖2所示。

圖2 道岔與橋梁相互作用

2.2 道岔-橋梁相互作用計(jì)算模型

本文利用有限元方法建立了無砟軌道“岔-梁-墩”相互作用的一體化模型(圖3、圖4),把橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、軌道板、梁體組成三層結(jié)構(gòu)體系,道岔和軌道板之間的扣件采用彈簧模擬,軌道板和梁體通過彈簧連接。

圖3 橋上無砟無縫道岔模型平面

圖4 橋上無砟無縫道岔模型立面

2.3 求解方法

根據(jù)“岔-梁-墩”一體化模型,基于ANSYS二次開發(fā)技術(shù)編制了梁軌相互作用非線性有限元程序,利用APDL語言(命令流技術(shù))來控制程序流程,自動(dòng)完成有限元建模、荷載的施加、方程的求解,可提高計(jì)算精度和工作效率。

3 橋上無縫道岔設(shè)計(jì)方法

3.1 橋上無縫道岔設(shè)計(jì)的專業(yè)接口關(guān)系

橋上無縫道岔設(shè)計(jì)過程中涉及到站場、橋梁、軌道3個(gè)專業(yè),需要橋梁、軌道、站場專業(yè)之間的緊密配合、科學(xué)論證、不斷優(yōu)化。首先，站場專業(yè)根據(jù)車站的功能進(jìn)行道岔的布置,然后橋梁專業(yè)進(jìn)行橋梁孔跨的布置以及道岔梁設(shè)計(jì),軌道專業(yè)對(duì)橋上無縫道岔進(jìn)行設(shè)計(jì)檢算,提出道岔和橋梁布置的調(diào)整意見,并提供橋梁專業(yè)墩臺(tái)附加力,橋梁和站場專業(yè)對(duì)方案調(diào)整后軌道專業(yè)重新檢算,直至各項(xiàng)檢算通過,最后確定三方均能接受的方案。橋上無縫道岔設(shè)計(jì)的專業(yè)接口關(guān)系如圖5所示。

圖5 橋上無縫道岔設(shè)計(jì)的專業(yè)接口關(guān)系

3.2 橋上無縫道岔設(shè)計(jì)檢算的內(nèi)容

(1)橋上無縫道岔鋼軌附加力和位移的計(jì)算。包括鋼軌伸縮力、撓曲力、制動(dòng)力和位移計(jì)算。

(2)墩臺(tái)附加力計(jì)算及墩臺(tái)檢算。包括墩臺(tái)伸縮、撓曲、制動(dòng)附加力、斷軌力的計(jì)算，荷載組合，墩臺(tái)檢算。

(3)橋上無縫道岔檢算。包括鋼軌應(yīng)力檢算，岔區(qū)無縫線路穩(wěn)定性(有砟軌道)、道岔限位器和間隔鐵螺栓強(qiáng)度檢算，鋼軌斷縫檢算，轉(zhuǎn)轍器位移、轍叉部分鋼軌允許位移檢算，設(shè)計(jì)鎖定軌溫的確定。

3.3 橋上無縫道岔的設(shè)計(jì)流程

橋上無縫道岔設(shè)計(jì)流程包括四個(gè)步驟：(1)道岔和橋梁的布置；(2)鋼軌力和位移計(jì)算；(3)道岔轍叉和轉(zhuǎn)轍器處梁軌相對(duì)位移檢算；(4)道岔及橋梁相關(guān)檢算。

3.4 橋上無縫道岔設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展方向

根據(jù)國外的橋上無縫道岔的發(fā)展歷程、設(shè)計(jì)理念和鋪設(shè)實(shí)踐,可以總結(jié)出我國橋上無縫道岔技術(shù)發(fā)展方向。

(1)結(jié)合中國實(shí)際情況,堅(jiān)持走以我為主的自主創(chuàng)新之路。

我國客運(yùn)專線采用道岔類型及結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)形式、橋上無縫道岔鋪設(shè)的地理環(huán)境和氣候條件、建設(shè)及運(yùn)營管理都與國外有明顯的區(qū)別,要解決我國橋上無縫道岔問題,不能完全照搬國外的模式,必須走出一條自主創(chuàng)新之路,建立一套自己的具有中國特色的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。

(2)運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想,將道岔和橋梁作為一個(gè)大系統(tǒng),綜合研究道岔和橋梁的縱橫向相互作用。采用有限元計(jì)算模型和計(jì)算方法分析道岔和橋梁的受力和變形。根據(jù)實(shí)測資料,通過統(tǒng)計(jì)分析確定設(shè)計(jì)參數(shù),并盡可能采用非線性參數(shù)以提高計(jì)算精度。

(3)橋上無縫道岔設(shè)計(jì),除了滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求之外,應(yīng)嚴(yán)格控制道岔與橋梁相對(duì)位移。

(4)從大系統(tǒng)角度出發(fā),綜合運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)、輪軌相互作用原理、道岔動(dòng)力學(xué)、橋梁動(dòng)力學(xué)原理,建立列車、道岔、橋梁的耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型,進(jìn)行車岔橋動(dòng)力仿真分析,評(píng)估列車運(yùn)行安全性和舒適性。

(5)理論與實(shí)踐相結(jié)合,通過橋上無縫道岔靜力和動(dòng)力試驗(yàn)研究,驗(yàn)證計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。

4 工程實(shí)例

本文以武廣鐵路客運(yùn)專線樂昌東站南咽喉昌山特大橋上無砟無縫道岔為例，介紹橋上無縫道岔設(shè)計(jì)方法和流程。昌山特大橋采用無砟軌道,中心里程DK1 944+691.22,橋全長863.79 m,橋跨布置為4-32 m簡支箱梁+1-32 m異型簡支箱梁+5×32 m連續(xù)梁+1-32 m簡支箱梁+6×32 m連續(xù)梁+9-32 m簡支箱梁。咽喉區(qū)6、8號(hào)道岔位于5×32 m變寬連續(xù)梁上,單渡線2、4號(hào)位于6×32 m連續(xù)梁。采用新鐵德奧18號(hào)高速無砟道岔,岔區(qū)采用軌枕埋入式無砟軌道。道岔-橋梁布置形式見圖6。

圖6 樂昌東站道岔-橋梁布置(單位：m)

(1)鋼軌伸縮力和梁軌相對(duì)位移

采用道岔-橋梁相互作用程序，計(jì)算橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力及梁軌相對(duì)位移見圖7、圖8,鋼軌最大附加拉力319.11 kN,最大附加壓力529.14 kN,最大梁軌相對(duì)位移6.2 mm。

圖7 鋼軌伸縮附加力

圖8 梁軌伸縮相對(duì)位移

(2)鋼軌撓曲力和梁軌相對(duì)位移

鋼軌撓曲附加力及梁軌相對(duì)位移見圖9、圖10,鋼軌最大撓曲附加拉力54.8 kN,最大撓曲附加壓力87.7 kN,最大梁軌相對(duì)位移0.30 mm。

圖9 鋼軌撓曲附加力

圖10 梁軌撓曲相對(duì)位移

(3)鋼軌制動(dòng)力和梁軌相對(duì)位移

鋼軌制動(dòng)附加力及梁軌相對(duì)位移見圖11、圖12,鋼軌最大制動(dòng)附加拉力172.5 kN,最大制動(dòng)附加壓力89.5 kN,最大梁軌相對(duì)位移0.5 mm。

圖11 鋼軌制動(dòng)附加力

圖12 梁軌制動(dòng)相對(duì)位移

(4)梁軌相對(duì)總位移

梁軌相對(duì)總位移計(jì)算應(yīng)考慮最不利的組合,即鋼軌與橋梁總相對(duì)位移=伸縮相對(duì)位移+撓曲相對(duì)位移+制動(dòng)相對(duì)位移,梁軌相對(duì)總位移見圖13。

圖13 梁軌相對(duì)總位移

從圖13可以統(tǒng)計(jì)出正線各組道岔敏感部位(轍叉和轉(zhuǎn)轍器)與橋梁最大相對(duì)位移轍叉與橋梁相對(duì)位移0.25 mm,轉(zhuǎn)轍器與橋梁相對(duì)位移6.2 mm。

(5)檢算結(jié)果

轉(zhuǎn)轍器和轍叉處相對(duì)位移、道岔鋼軌強(qiáng)度、岔區(qū)無縫線路穩(wěn)定性、道岔限位器、螺栓剪力檢算、斷縫檢算結(jié)果見表1。

表1 檢算結(jié)果

可見,樂昌東站橋上無縫道岔轍叉處和轉(zhuǎn)轍器處相對(duì)位移、道岔鋼軌強(qiáng)度、穩(wěn)定性、斷縫檢算均滿足要求。

5 結(jié)語

“岔-梁-墩一體化”計(jì)算模型真實(shí)地反映了道岔與橋梁相互作用關(guān)系,有限元計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確地分析道岔和橋梁的受力和變形,道岔強(qiáng)度、穩(wěn)定性、道岔與橋梁相對(duì)位移多重控制的設(shè)計(jì)理念確保了橋上道岔結(jié)構(gòu)的安全。從武廣鐵路客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試的效果來看,樂昌東站橋上無縫道岔的安全性和舒適性指標(biāo)滿足要求,運(yùn)營狀態(tài)良好,初步經(jīng)受了實(shí)踐的考驗(yàn),今后將繼續(xù)跟蹤武廣鐵路客運(yùn)專線樂昌東站橋上無縫道岔運(yùn)營狀況,進(jìn)一步完善客運(yùn)專線橋上無縫道岔設(shè)計(jì)。

[1] 王 平，楊榮山，劉學(xué)毅.無縫道岔鋪設(shè)于長大連續(xù)梁橋上時(shí)的受力與變形分析[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào),2004,2(3):16-21.

[2] 劉衍峰，高 亮，馮雅薇.橋上無縫道岔受力與變形的有限元分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,30(1):67-70.

[3] 曾志平，陳秀方，趙國藩.連續(xù)梁橋上無縫道岔伸縮力與位移計(jì)算[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006,6(1):35-38.

[4] 曾志平，陳秀方，趙國藩.簡支梁橋上無縫道岔溫度力與位移影響因素分析[J].中國鐵道科學(xué),2007,6(1):54-58.

[5] 孫大新，高 亮，劉衍峰.橋上無砟軌道無縫道岔力學(xué)特性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,31(1):90-92.

[6] 宋建恩.無砟軌道無縫道岔設(shè)計(jì)計(jì)算方法及受力與變形規(guī)律探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(5)：3-5.