橋上無縫道岔縱向力計(jì)算研究

徐井芒，陳 嶸

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

橋上無縫道岔縱向力計(jì)算研究

徐井芒，陳 嶸

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

根據(jù)橋上無縫道岔縱向相互作用特點(diǎn)，建立岔—(板)—橋—墩一體化分析模型，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行求解，對(duì)車站咽喉區(qū)道岔群、八字渡線橋上無縫道岔兩種形式道岔進(jìn)行計(jì)算，并與德國(guó)橋上無縫道岔計(jì)算理論對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)論為：在兩種形式道岔布置情況下，岔橋系統(tǒng)縱向相互計(jì)算模型與德國(guó)橋上無縫道岔計(jì)算理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

橋上無縫道岔 縱向相互作用 岔橋系統(tǒng) 方法驗(yàn)證

隨著高速鐵路、客運(yùn)專線、快速客貨混跑鐵路和城市軌道交通的建設(shè)與發(fā)展，受環(huán)保、節(jié)約用地要求及地形的限制，將會(huì)有越來越多的無縫道岔設(shè)置在大橋、特大橋或高架結(jié)構(gòu)上［1］。在橋上鋪設(shè)無縫道岔時(shí)，既要考慮無縫道岔中鋼軌受力及變形，又要考慮橋梁與道岔之間的梁軌相互作用。目前國(guó)內(nèi)比較成熟的計(jì)算方法是基于岔—(板)—橋—墩一體化分析模型［2-3］，利用有限元計(jì)算模型進(jìn)行求解。岔橋縱向相互作用模型主要用于分析在溫度力、制動(dòng)力、撓曲力、斷軌力作用下道岔、橋梁、軌道各部件的縱向受力與變形規(guī)律。國(guó)外鋪設(shè)橋上無縫道岔比較成功的有德國(guó)、日本和法國(guó)，并且分別提出了相應(yīng)的橋上無縫道岔計(jì)算理論。本文分別應(yīng)用岔—(板)—橋—墩一體化分析模型和計(jì)算方法，以及德國(guó)橋上無縫道岔計(jì)算理論，對(duì)橋上無縫道岔進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，旨在驗(yàn)證岔—(板)—橋—墩一體化分析模型的合理性和可行性。

1 岔橋縱向相互作用原理及計(jì)算模型

1.1 岔橋縱向相互作用原理

橋上無縫道岔不同于橋上無縫線路，橋上無縫線路中梁軌相互作用均是由于橋梁梁體變形引起的。而橋上無縫道岔中梁軌相互作用除了橋梁梁體變形外，還有道岔里軌由于溫度變化所引起的伸縮不僅造成里軌與基本軌的相互作用，而且通過扣件、橋面系引起道岔與橋梁的相互作用。因此，橋上無縫道岔梁軌縱向相互作用是以上兩種相互作用耦合和疊加的綜合效果。岔橋縱向相互作用［4］原理可以定義如下：在梁體溫度變化、列車荷載、列車制動(dòng)或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)橋面系作用一個(gè)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［5］。

1.2 計(jì)算模型

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。為建立橋上無縫道岔計(jì)算模型(見圖1)，做如下基本假設(shè)：

圖1 橋上無縫道岔計(jì)算模型

1)道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可以自由伸縮。

2)不考慮轍叉角大小的影響，假設(shè)導(dǎo)軌與長(zhǎng)軌條平行。

3)鋼軌可看做縱向無限長(zhǎng)梁，只發(fā)生縱向位移，且鋼軌按照支承節(jié)點(diǎn)劃分有限元單元。

4)扣件阻力與鋼軌、岔枕或道岔板的相對(duì)位移為非線性關(guān)系，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)和岔枕節(jié)點(diǎn)上，方向?yàn)樽柚逛撥壪鄬?duì)岔枕位移。

5)考慮間隔鐵阻力對(duì)鋼軌伸縮位移的影響，間隔鐵阻力與鋼軌位移間呈非線性關(guān)系。

6)考慮轍叉跟限位器在基本軌與導(dǎo)軌間所傳遞的作用力，設(shè)道岔鋪設(shè)時(shí)限位器子母塊位置居中。當(dāng)子母塊貼靠時(shí)，限位器阻力與兩鋼軌間的相對(duì)位移呈非線性關(guān)系。

7)假設(shè)橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，活動(dòng)支座抵抗伸縮的阻力可略而不計(jì)，暫不考慮支座本身的縱向變形，固定支座承受的縱向力全部傳遞至墩臺(tái)上。

8)橋梁墩臺(tái)頂縱向剛度假定為線性，包含在支座頂面縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎(chǔ)傾斜、基礎(chǔ)平移及橡膠支座剪切變形等引起的支座頂面位移。

9)岔枕與橋梁、鋼軌與路基間的縱向約束阻力均假定為縱向彈簧約束。

2 算例

本文對(duì)車站咽喉區(qū)道岔群、八字渡線橋上無縫道岔等兩種不同布置情況下進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.1 車站咽喉區(qū)道岔群

2.1.1 計(jì)算參數(shù)

某一高架站上咽喉區(qū)，布置道岔群，道岔側(cè)向過岔速度 V=100 km/h。道岔—橋梁布置形式見圖2。

圖2 岔橋相對(duì)位置示意(算例一)

2.1.2 上行線伸縮力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

德國(guó)采用有限元計(jì)算模型，計(jì)算了橋梁溫度變化ΔT=－30℃時(shí)上行線的鋼軌附加應(yīng)力，見圖3。采用本文岔橋縱向相互作用計(jì)算理論計(jì)算結(jié)果見圖4。對(duì)比兩圖可見，對(duì)于復(fù)雜咽喉區(qū)橋上無縫道岔群伸縮力的計(jì)算，兩種方法計(jì)算所得鋼軌附加應(yīng)力的分布規(guī)律相同，計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，吻合程度好。

圖3 德國(guó)伸縮力計(jì)算結(jié)果(上行線)

2.1.3 下行線伸縮力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖4 本文伸縮力計(jì)算結(jié)果(上行線)

德國(guó)采用有限元計(jì)算模型，計(jì)算了橋梁溫度變化ΔT=－30℃時(shí)下行線的鋼軌附加應(yīng)力，見圖5。根據(jù)本文岔橋縱向相互作用計(jì)算理論計(jì)算結(jié)果見圖6。兩圖對(duì)比可見，下行線的計(jì)算結(jié)果、鋼軌附加應(yīng)力分布規(guī)律基本是一致的，吻合較好。

圖5 德國(guó)伸縮力計(jì)算結(jié)果(下行線)

圖6 本文伸縮力計(jì)算結(jié)果(下行線)

2.1.4 驗(yàn)證結(jié)論

本文與德國(guó)咽喉區(qū)橋上無縫道岔群計(jì)算結(jié)果的對(duì)比匯總見表1。從表1對(duì)比可見，采用德國(guó)和本文橋上無縫道岔計(jì)算模型和方法計(jì)算的各項(xiàng)鋼軌附加應(yīng)力分布規(guī)律及計(jì)算結(jié)果吻合較好。

2.2 八字渡線橋上無縫道岔

2.2.1 計(jì)算參數(shù)

某高架車站一側(cè)咽喉區(qū)的橋跨布置為10×10 m剛構(gòu)+(24+5×32+24)m連續(xù)梁+6×63 m連續(xù)梁+8×32 m簡(jiǎn)支梁，連續(xù)梁上為八字渡線。道岔—橋梁布置見圖7。計(jì)算中橋梁日溫差取為15℃，線路縱向阻力為每線15 kN/m。

表1 德國(guó)與本文計(jì)算結(jié)果比較

圖7 岔橋相對(duì)位置示意(算例二)

2.2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

德國(guó)計(jì)算的鋼軌附加力分布如圖8所示，本文計(jì)算的鋼軌附加力分布如圖9所示。兩圖對(duì)比可見，道岔基本軌附加縱向力的分布規(guī)律是一致的，計(jì)算結(jié)果也吻合得較好。

圖8 德國(guó)理論計(jì)算鋼軌附加力

圖9 本文計(jì)算鋼軌附加力

2.2.3 驗(yàn)證結(jié)論

本文與德國(guó)橋上八字渡線無縫道岔群計(jì)算結(jié)果的對(duì)比匯總見表2。從表2對(duì)比可見，采用德國(guó)計(jì)算理論和本文岔橋縱向相互作用模型計(jì)算的各項(xiàng)鋼軌附加應(yīng)力分布規(guī)律及計(jì)算結(jié)果吻合較好。

表2 德國(guó)和本文計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

1)對(duì)車站咽喉區(qū)橋上無縫道岔群上行及下行線進(jìn)行計(jì)算可知：在降溫的情況下，對(duì)于上行線鋼軌縱向伸縮附加力及梁軌縱向相對(duì)位移，本文計(jì)算結(jié)果比德國(guó)計(jì)算理論稍大;而對(duì)于下行線，本文計(jì)算結(jié)果比德國(guó)計(jì)算理論稍小。兩種方法計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律吻合較好，且計(jì)算結(jié)果比較接近?？梢哉J(rèn)為，兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果是相同的。

2)對(duì)八字渡線橋上無縫道岔進(jìn)行計(jì)算可知：對(duì)于鋼軌附加力和梁軌相對(duì)位移，本文橋上無縫道岔計(jì)算理論比德國(guó)計(jì)算理論稍大，計(jì)算結(jié)果最大相差5.8%，且兩種方法計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律吻合較好，可以認(rèn)為，兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果是相同的。

3)通過對(duì)以上算例進(jìn)行計(jì)算并且將計(jì)算結(jié)果與德國(guó)計(jì)算理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可見，本文岔橋縱向相互作用計(jì)算模型和計(jì)算方法是正確可信的，可用于指導(dǎo)橋上無縫道岔的鋪設(shè)和設(shè)計(jì)。

［1］王平，劉學(xué)毅.無縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2007：240-241

［2］趙才友，王平.特殊工況下橋上縱連板式無砟軌道無縫道岔溫度力研究［J］.鐵道建筑，2010(5)：104-105.

［3］郭志勇.客運(yùn)專線橋上無縫道岔的設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2007(7)：101-102.

［4］李秋義，孫立，楊艷麗.客運(yùn)專線橋上無縫道岔計(jì)算方法研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(12)：51-52.

［5］楊榮山，劉學(xué)毅，王平.橋上無縫道岔縱向力計(jì)算理論與試驗(yàn)研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2010(4)：135-136.

U213.9;U213.6

A

1003-1995(2011)03-0093-03

2010-10-19;

2010-12-10

徐井芒(1987— )，男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)