武廣鐵路客運專線雷大橋特大橋道岔區(qū)板式無砟軌道設計研究

張世杰,孫 立,楊艷麗,李秋義,崔國慶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線站處,武漢 430063)

1 概述

雷大橋特大橋位于武廣客運專線新郴州站北端,里程:D K 1 853+965.95～D K 1 854+561.57,橋梁全長 595.62 m,橋跨布置為1-24 m簡支梁 +2-32 m簡支梁 +(40+64+40)m連續(xù)梁 +5-32 m簡支梁 +6×32 m預應力混凝土連續(xù)梁,其中 18號道岔板式無砟軌道位于 6×32 m連續(xù)梁上。雷大橋特大橋在整橋上設置長為 700 m的連續(xù)底座板帶,支座布置及道岔和橋梁相對位置如圖1所示。

圖1 雷大橋特大橋支座布置及道岔和橋梁相對位置

底座板被延長至橋臺與路基中端刺連接見圖2(梁端摩擦板長度 39.2 m,摩擦板端部設置端刺錨固),端刺前后各設置 4排 φ 28 mm抗剪鋼筋連接軌道板和底座板。底座板由橋上一直延伸到路基上端刺的后面,并通過 5 m的過渡段,過渡到區(qū)間雙塊式無砟軌道系統(tǒng),5 m過渡段內(nèi)設置抗剪箍筋。在橋梁的固定支座處,底座板與橋梁進行錨固連接。

底座板和橋面之間設置滑動層(兩布一膜),道岔板和底座板之間設置砂漿墊層并通過銷釘連接。整個橋面采用 3面排水措施,并在梁面和加高層上噴涂防水材料。

圖2 雷大橋特大橋梁端端刺縱斷面結(jié)構(gòu)

雷大橋特大橋在決定整橋采用底座板縱連道岔板上橋方案以前已經(jīng)完成架梁,在固定支座位置,橋梁沒有預留剪力齒槽結(jié)構(gòu),為了把底座板縱向力傳遞給橋梁,在連續(xù)梁和簡支梁固定支座位置設置縱向固定裝置(耳板)與防撞墻連接見圖3。底座板邊緣每隔一定距離設置一個橫向固定裝置,橫向固定裝置與防撞墻之間設置限位板以允許縱向自由滑動。

圖3 縱、橫向固定裝置示意

2 計算原理

橋上 CRTSⅡ型板式無砟軌道,整橋底座板縱連,兩端底座板越過橋臺和路橋過渡段的端刺連接。作用在底座板的溫度力和制動力通過摩擦板及端刺傳遞到與橋梁工程相連接的路基中。將道岔、無砟軌道和橋梁作為一個相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng),根據(jù)道岔—橋梁相互作用原理,建立“岔—板—梁—墩”一體化有限元計算模型,基于 A N S Y S二次開發(fā)技術(shù)進行道岔—橋梁相互作用非線性有限元分析。

3 力學模型

利用有限元方法建立“岔—板—梁—墩”相互作用的一體化模型,把橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個由道岔、軌道板(由標準軌道板或道岔板、砂漿調(diào)整層和底座組成,亦稱道床板)和梁體組成三層結(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。力學分析模型如圖4所示。該模型的特點是道岔板、底座板、橋梁采用實體模型,能夠比較真實反應道岔板、底座板、橋梁結(jié)構(gòu)的特性。

4 計算方法

圖4 雷大橋特大橋連續(xù)梁上道岔區(qū)有限元模型

應用有限單元法,利用 A N S Y S軟件開放的體系結(jié)構(gòu),基于 A N S Y S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,采用 A P D L(A N S Y S參數(shù)化設計語言)來控制程序流程,自動完成有限元建模、荷載的施加、方程的求解。岔板橋墩空間一體化模型見圖5,采用牛頓迭代法求解。

5 計算分析

底座板降溫 -54℃,橋梁降溫 -30℃,底座板剛度折減系數(shù)取為 r=1.0,底座板和橋摩擦板摩擦系數(shù)取 μ=1,無制動荷載。

5.1 1#道岔受力和變形(見圖6～圖8)

尖軌端前為 3個承軌臺為坐標 O點,X代表縱向線路長度,下同。

5.2 2#道岔受力和變形(見圖9～圖11)

圖5 岔—板—橋—墩空間一體化模型

圖6 鋼軌縱向力

圖7 鋼軌縱向位移

圖8 尖軌、心軌與軌道板相對位移

5.3 基本軌與軌道板相對位移(見圖12)

5.4 墩臺及縱向固定裝置縱向力(見圖13、圖14)

5.5 計算結(jié)果(見表1)

6 結(jié)論

圖9 鋼軌縱向力

圖10 鋼軌縱向位移

圖11 尖軌、心軌與軌道板相對位移

本文通過建立雷大橋特大橋橋上道岔區(qū)板式無砟軌道整橋有限元模型,分析橋上 18號左開單渡線、縱向固定裝置、橋墩和端刺受力及變形,經(jīng)過計算分析,主要得出以下結(jié)論:

1)1#道岔和 2#道岔鋼軌拉力最大值都出現(xiàn)在連續(xù)梁的梁端,溫度引起的附加力為 113.2 k N,由于鋼軌和底座板共同承擔縱向力傳遞作用,可見縱連底座板結(jié)構(gòu)設計有利于減小鋼軌附加力。

圖12 基本軌與軌道板相對位移

圖13 墩臺縱向力

圖14 縱向固定裝置縱向力

2)1#道岔較 2#道岔尖軌和心軌尖端絕對位移、尖軌和心軌尖端與軌道板相對位移要大,這跟道岔在整橋上布置位置有關。雷大橋特大橋橋上道岔緊跟路基(廣州向)相連接,底座板在路基上被固結(jié),導致 1#道岔尖軌和心軌尖端與軌道板相對位移較 2#道岔大。

3)1#道岔較 2#道岔轍跟和轍岔傳力部件受力相差不大,可見 18號單渡線布置在 6×32.6 m梁上,固定支座在連續(xù)梁中間,道岔整體受力比較均勻,對道岔的受力及變形是有利的。

4)6×32.6 m梁左端第一跨簡支梁縱向固定裝置受力較大,在道岔和底座板的共同作用下,通過底座板向簡支梁上傳遞的力較大,導致簡支梁橋墩受力較大,在設計過程中應該注意加強連續(xù)梁相鄰簡直梁縱向固定裝置布置長度或增加剪力齒槽排數(shù)。

表1 伸縮力計算結(jié)果

5)雷大橋整橋底座板縱連,兩端底座板越過橋臺和路橋過渡段的端刺連接。作用在底座板的溫度力和制動力通過摩擦板及端刺傳遞到與橋梁工程相連接的路基中,為了確保能將存在的力傳遞至路基中,在摩擦板下設置了小端刺,大、小端刺除承受底座板中的縱向力以外,縱向上受到路基土體的縱向阻力和路基土體自重產(chǎn)生的摩擦力,在豎向上受到土體支撐以達到平衡。

6)從道岔與底座板的相對位移分析,轉(zhuǎn)轍器和轍叉部分相對位移均遠小于允許值,橋上縱連底座板式結(jié)構(gòu)對減少道岔變形比較有利。

綜上所述,雷大橋道岔板上橋采用縱連底座板結(jié)構(gòu)設計彌補了 CRTSⅡ型板設計上的空缺。通過計算分析認為,橋上道岔鋪設在縱連底座板結(jié)構(gòu)上,對道岔自身的受力和變形是有利的,對今后 CRTSⅡ型板在國內(nèi)推廣使用具有一定的指導意義。

[1]中國鐵道科學研究院.京津城際鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道設計原理與方法總結(jié)[R].北京:中國鐵道科學研究院,2007.

[2]鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)總結(jié)報告[R].北京:鐵道部工程管理中心,2008.