有砟軌道簡(jiǎn)支梁橋支座位置對(duì)無縫道岔的影響分析

徐 浩，王 平

(西南交通大學(xué) 高速鐵路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

有砟軌道簡(jiǎn)支梁橋支座位置對(duì)無縫道岔的影響分析

徐 浩，王 平

(西南交通大學(xué) 高速鐵路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

橋上無縫道岔的受力和變形情況比較復(fù)雜，影響因素眾多。以單組18#單開道岔鋪設(shè)在簡(jiǎn)支梁橋上為例，建立道岔—橋梁—墩臺(tái)一體化空間計(jì)算模型。利用有限單元法，考慮固定支座在左側(cè)和右側(cè)兩種工況，分析了簡(jiǎn)支梁橋支座位置對(duì)無縫道岔受力和變形的影響。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)固定支座在右側(cè)時(shí)，基本軌的伸縮位移遠(yuǎn)大于固定支座在左側(cè)的情況，故應(yīng)盡量避免將固定支座設(shè)置在右側(cè)。

簡(jiǎn)支梁橋 橋上無縫道岔 支座位置 伸縮位移

國(guó)外高速鐵路一般不在簡(jiǎn)支梁上鋪設(shè)無縫道岔，認(rèn)為道岔跨越簡(jiǎn)支梁梁縫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的伸縮附加力和位移，從而影響道岔的穩(wěn)定性和幾何形位。同時(shí)認(rèn)為，高速列車通過簡(jiǎn)支梁梁縫時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)力沖擊作用，因此，嚴(yán)禁道岔轉(zhuǎn)轍器、轍叉等薄弱部位跨越梁縫。我國(guó)在時(shí)速200 km提速線路上因受橋梁結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)限制，在簡(jiǎn)支梁上仍布置了部分無縫道岔，同時(shí)還是遵守了尖軌、心軌不跨越梁縫等設(shè)計(jì)原則。因此，本文針對(duì)有砟軌道簡(jiǎn)支梁上鋪設(shè)無縫道岔，通過建立“岔—梁—墩一體化”計(jì)算模型，基于有限單元法，分析了支座位置對(duì)橋上無縫道岔受力和變形的影響。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

在有砟軌道簡(jiǎn)支梁橋上鋪設(shè)無縫道岔時(shí)，研究支座位置變化對(duì)無縫道岔的受力和變形的影響，并能較準(zhǔn)確地計(jì)算不同支座位置對(duì)無縫道岔受力和變形的影響，由于道岔里軌發(fā)生伸縮位移后，帶動(dòng)岔枕縱向移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，一部分作用力通過扣件傳遞給基本軌，一部分作用力通過岔枕傳給道床再傳遞給橋梁，橋梁因伸縮或撓曲在梁面上產(chǎn)生縱向位移，墩臺(tái)因道岔上傳下來的力在墩頂產(chǎn)生縱向位移，并帶動(dòng)橋梁產(chǎn)生縱向位移。同時(shí)，梁的位移通過道床傳到道岔上，會(huì)導(dǎo)致鋼軌中的縱向力重新分布，進(jìn)而再影響橋梁的受力與變形。可見，鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺(tái)是一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)，只有建立一體化模型，才能弄清道岔及橋梁的受力變形規(guī)律。該系統(tǒng)中各種阻力按非線性阻力考慮，同時(shí)也可考慮常阻力和線性阻力，建立有砟軌道簡(jiǎn)支梁橋“岔—梁—墩一體化”計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 岔—梁—墩一體化模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

以250 km/h客運(yùn)專線60 kg/m鋼軌單組18#單開道岔鋪設(shè)在9跨32 m簡(jiǎn)支梁上為例，無縫道岔布置在中間三跨梁上。

有砟軌道線路縱向阻力按每枕12 kN計(jì)算，岔區(qū)每枕縱向阻力按枕長(zhǎng)分布為4.6 kN/m，軌枕間距為0.6 m?？奂枇θ棰蛐涂奂?，常阻力值為12.5 kN/組。道岔采用雙限位器，其阻力取為分段線性阻力，當(dāng)限位器子母塊貼靠，兩軌相對(duì)位移＜1 mm時(shí)，限位器阻力取為1.5×105kN/m;當(dāng)兩軌相對(duì)位移＞1 mm時(shí)，限位器阻力取為6×104kN/m，限位器子母塊間隙取為7 mm。道岔長(zhǎng)翼軌間隔鐵阻力采用線性阻力，取為5×104kN/m。

橋梁溫度變化幅度為15℃。兩邊橋臺(tái)的墩臺(tái)縱向剛度為1×107kN/m，中間橋墩的剛度均為1×105kN/m。梁跨為整體箱梁，截面形心距上翼緣為1.626 6 m，距下翼緣為1.577 4 m，截面慣性矩為3.704 4 m4/線［1-2］。道岔—橋梁布置如圖2所示。

圖2 道岔—橋梁布置示意

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算工況

支座的布置形式主要考慮每跨簡(jiǎn)支梁上左側(cè)為固定支座，右側(cè)為活動(dòng)支座，道岔里軌的伸縮位移方向與橋梁伸縮位移方向相反，將此種支座布置方式(見圖2)視為工況一。

工況二：岔橋布置方式仍如圖2所示，所不同的是每跨簡(jiǎn)支梁上左側(cè)為活動(dòng)支座，右側(cè)為固定支座，道岔里軌的伸縮位移方向與橋梁伸縮位移方向相同。

計(jì)算中道岔溫度變化為50℃，橋梁溫度變化為15℃。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 基本軌的伸縮力

兩種支座布置形式下橋上無縫道岔基本軌伸縮力比較見圖3，鋼軌縱向力以壓力為正。從圖3可見，道岔范圍內(nèi)基本軌的縱向力分布規(guī)律完全相同，說明道岔里軌的伸縮起著主導(dǎo)作用，即使橋梁伸縮位移與里軌伸縮位移方向相同，岔區(qū)范圍內(nèi)的梁軌相對(duì)位移也未發(fā)生大的變化，因而由里軌通過道床傳遞至基本軌的附加力是相同的;在道岔前后，普通橋上無縫線路鋼軌伸縮附加力分布規(guī)律則相反，工況一在橋梁右端出現(xiàn)最大附加壓力，工況二在左橋臺(tái)處出現(xiàn)最大附加壓力，該區(qū)域已遠(yuǎn)離岔區(qū)，僅有橋梁伸縮在起作用，因而鋼軌伸縮附加力的分布規(guī)律與普通橋上無縫線路是一致的。

2.2.2 基本軌與橋梁的伸縮位移

不同支座布置形式的橋上無縫道岔鋼軌與橋梁伸縮位移如圖4所示，圖4中鋼軌及橋梁位移以向右為正。由圖4可見，當(dāng)橋梁伸縮位移與道岔里軌伸縮位移方向相同時(shí)，基本軌的伸縮位移方向全部向左，最大伸縮位移達(dá)到7.7 mm，遠(yuǎn)大于工況一情況下的3.0 mm，這種布置方式明顯會(huì)造成無縫道岔較大的縱向爬行，對(duì)保持道岔的穩(wěn)定性是不利的，應(yīng)盡量避免采用橋梁支座布置方式。

圖3 基本軌伸縮附加力比較

圖4 基本軌與橋梁伸縮位移比較

2.2.3 其它計(jì)算結(jié)果

簡(jiǎn)支梁支座不同布置形式時(shí)道岔尖軌與心軌尖端處的枕軌相對(duì)位移、傳力部件的縱向力、墩臺(tái)縱向力等計(jì)算結(jié)果比較如表1所示。表1中鋼軌位移及墩臺(tái)縱向力以向右為正。

3 結(jié)論與建議

1)計(jì)算表明，簡(jiǎn)支梁固定支座布置在右側(cè)與布置在左側(cè)，對(duì)道岔里軌伸縮位移、傳力部件受力影響不大，這一規(guī)律與基本軌伸縮附加力相同;岔前梁端直基本軌折斷后，斷縫及非折斷鋼軌的附加拉力略有增大。

2)固定支座布置在右側(cè)時(shí)，右橋臺(tái)要承受4根鋼軌的伸縮附加力，固定支座布置在左側(cè)時(shí)，左橋臺(tái)只承受2根鋼軌的伸縮附加力，兩者受力有較大差別。

3)從每一梁跨傳遞至固定支座所在橋墩上的縱向力來看，固定支座布置在右側(cè)，橋梁與道岔里軌伸縮方向相同時(shí)，橋墩所受縱向力較固定支座布置在左側(cè)時(shí)有所降低，這種布置方式對(duì)橋墩的受力是有利的。

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U213.6;U448.21+7

A

1003-1995(2011)03-0090-03

2010-09-29;

2010-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51008256)

徐浩(1989— )，男，湖北天門人，博士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)