無砟軌道連續(xù)梁橋與道岔縱向相互作用規(guī)律的研究

徐桂弘，徐 浩，王 平，代 豐

(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)

為適應(yīng)列車高速行車需要、提高線路穩(wěn)定性和耐久性、減少線路維修工作量［1］，高速軌道對路基和道床提出了很高的要求，為保證軌道的強(qiáng)穩(wěn)定性和高平順性，采用板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)形式已成為一種趨勢［2］。在橋上鋪設(shè)無縫道岔時(shí)其軌下基礎(chǔ)主要有三種類型:“門”形筋混凝土道床、帶限凸臺(tái)的道床板、底座縱連式道岔板。本文主要研究前兩種無砟軌道結(jié)構(gòu)形式的岔橋縱向相互作用規(guī)律。

1 無砟軌道線橋墩一體化計(jì)算模型

無砟軌道線橋墩一體化計(jì)算模型平面圖如圖1所示。

圖1 橋上無縫道岔模型平面圖

橋上無砟軌道上鋪設(shè)無縫道岔時(shí)，道岔鋪設(shè)在鋼筋混凝土道岔板上，若道岔板和橋梁之間鋪設(shè)中間墊層，則允許二者之間有相對滑動(dòng)，通過設(shè)置縱橫向凸臺(tái)傳遞作用力，此時(shí)道岔和橋梁之間的相互作用與有砟軌道是不相同的，可把橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、軌道板、梁體組成的三層結(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，如圖2所示。若道岔板和橋梁之間采用“門形筋”聯(lián)結(jié)，則不允許二者之間有相對滑動(dòng)，此時(shí)可把橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、梁體組成的兩層結(jié)構(gòu)體系，如圖3所示。

利用ANSYS軟件開放的體系結(jié)構(gòu)，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，自動(dòng)完成有限元建模、荷載的施加和方程的求解。

圖2 帶縱向凸臺(tái)無砟軌道橋上無縫道岔模型立面圖

圖3 帶“門”形筋無砟軌道橋上無縫道岔模型立面圖

圖4 道岔—橋梁布置

2 無砟軌道橋上無縫道岔縱向相互作用

2.1 計(jì)算參數(shù)

以一組60 kg/m鋼軌客運(yùn)專線18號(hào)可動(dòng)心軌道岔布置在(32+48+32)m連續(xù)梁上為例，梁岔布置情況如圖4所示。無砟軌道考慮“門”形筋及限位凸臺(tái)兩種形式，凸臺(tái)支座縱向剛度取為250 kN/mm，道岔區(qū)內(nèi)設(shè)置三塊道床板，長度分別為20 m，29 m，20 m，道床板溫度變化為24℃。

該無縫道岔全長69 m，位于連續(xù)梁正中，道岔頭尾距離連續(xù)梁兩端均為21.5 m。連續(xù)梁固定支座位于道岔前端;道岔兩邊各布置3跨32 m簡支梁。

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分布為4.6 kN/m，軌枕間距為0.6 m?？奂枇θ棰蛐涂奂Ｗ枇χ?2.5 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，兩軌相對位移＜1 mm時(shí)，限位器阻力取為1.5×105kN/m;當(dāng)兩軌相對位移＞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。道岔長翼軌間隔鐵阻力采用線性阻力，取為5×104kN/m。

無砟軌道橋梁日溫差取為20℃。兩邊橋臺(tái)的墩臺(tái)縱向剛度為1×107kN/m，中間簡支梁橋墩的剛度均為1×105kN/m，而連續(xù)梁橋墩的剛度為1×106kN/m。各梁跨均為雙線整體箱梁，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。

2.2 計(jì)算結(jié)果

兩種類型(“門”形筋混凝土道床、帶限位凸臺(tái)的道床板)無砟軌道橋上無縫道岔基本軌溫度附加力、基本軌伸縮位移，與有砟軌道橋上無縫道岔、普通無砟軌道橋上無縫線路、無砟軌道路基上無縫道岔的鋼軌溫度附加力、伸縮位移比較，如圖5、圖6所示。

從圖5中可見，兩種類型無砟軌道的最大溫度附加力均大于有砟軌道無縫道岔;帶有限位凸臺(tái)的無砟軌道溫度附加力小于“門”形筋無砟軌道，這主要是由于道床板與橋梁間通過凸臺(tái)支座縱向彈簧相連，減緩了橋梁傳遞至道岔上的縱向力;普通橋上無縫線路最大溫度附加力出現(xiàn)在連續(xù)梁右端，幅值要小于橋上無縫道岔;路基上無縫道岔最大溫度附加力出現(xiàn)在尖軌跟端，幅值也要小于鋪設(shè)于橋梁上的無縫道岔。

從圖6中可見，兩種類型無砟軌道的鋼軌位移均大于有砟軌道橋上無縫道岔，普通橋上無縫線路在連續(xù)梁右端具有最大值，路基上無縫道岔伸縮位移遠(yuǎn)小于橋上無縫道岔。

圖5 基本軌溫度附加力

兩種類型無砟軌道橋上無縫道岔與有砟軌道橋上無縫道岔、普通無砟軌道橋上無縫線路、無砟軌道路基上無縫道岔五種工況下的計(jì)算結(jié)果對比如表1所示。表1中的鋼軌位移及墩臺(tái)縱向力以向右為正。

從表1中可見，與有砟軌道橋上無縫道岔相比，“門”形筋及帶限位凸臺(tái)無砟軌道橋上無縫道岔因道床阻力大，尖軌及心軌相對道岔板的伸縮位移要小一些，但基本軌溫度附加力及連續(xù)梁橋墩、岔前簡支梁墩臺(tái)受力有所增大;采用限位凸臺(tái)無砟軌道結(jié)構(gòu)，基本軌及橋梁墩臺(tái)受力均小于“門”形鋼筋無砟軌道。

3 限位凸臺(tái)縱向剛度的影響

圖6 基本軌伸縮位移

岔橋布置如圖4所示，道岔板分為三塊，轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)曲線及轍叉部分各為一塊道岔板，道岔板中間設(shè)置縱橫向凸臺(tái)，單個(gè)凸臺(tái)支座剛度設(shè)為 150，200，250，300，350 kN/mm，其它計(jì)算參數(shù)同前。

不同凸臺(tái)支座剛度情況下的計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2中的鋼軌位移、墩臺(tái)及道岔板縱向力以向右為正。從表2中可見，隨著凸臺(tái)支座剛度的增大，基本軌溫度附加力、連續(xù)梁橋墩、各道岔板及翼軌末端間隔鐵受力均隨之增大，尖軌尖端相對道岔板的相對位移、凸臺(tái)支座膠墊壓縮量則呈降低趨勢，當(dāng)單個(gè)凸臺(tái)的支座剛度＞250 kN/mm時(shí)，凸臺(tái)支座膠墊的壓縮量，即道岔板在凸臺(tái)支座處與橋梁的相對位移均＜1 mm。

4 道岔板分塊的影響

岔橋布置如圖4所示，道岔分塊考慮以下四種方案:工況一:道岔板1塊，每塊道岔板中間設(shè)置5個(gè)橫向凸臺(tái)，每塊板長約69 m;工況二:道岔板3塊，每塊道岔板中間設(shè)置3個(gè)橫向凸臺(tái)，每塊板長約23 m;工況三:道岔板5塊，每塊道岔板中間設(shè)置2個(gè)橫向凸臺(tái)，每塊板長約14 m;工況四:道岔板7塊，每塊道岔板中間設(shè)置1個(gè)橫向凸臺(tái)，每塊板長約7 m。

表1 計(jì)算結(jié)果比較

表2 計(jì)算結(jié)果比較

單個(gè)凸臺(tái)的支座剛度為250 kN/mm，結(jié)果如表3，表中鋼軌位移、墩臺(tái)及道岔板縱向力以向右為正。

表3 計(jì)算結(jié)果比較

從表3中可見，道岔板分塊數(shù)越多，基本軌溫度附加力、伸縮位移、單塊板的受力均呈降低趨勢，但尖軌及心軌尖端相對道岔板的伸縮位移則呈增加趨勢;當(dāng)采用7塊道岔板時(shí)，需在每塊板下設(shè)置2個(gè)橫向凸臺(tái)才可使支座膠墊壓縮量控制在1mm以內(nèi)，橫向凸臺(tái)的數(shù)量要多于其它分塊形式;當(dāng)采用1塊道岔板時(shí)，雖然尖軌及心軌相對道岔板的伸縮位移最小，但基本軌溫度附加力及單塊道岔板受力較大，且施工難度較大;18號(hào)無砟道岔采用3塊道岔板是較為合適的。

5 道岔板溫度變化的影響

岔橋布置如圖4所示。由于無砟軌道道岔板位于橋面上，且由于高速鐵路箱型梁的“溫室效應(yīng)”，道岔板的升降溫幅度均較橋梁大，無砟軌道橋梁日溫差取為20℃，設(shè)道岔板的日溫差取為20℃，24℃，30℃，35℃，其它計(jì)算參數(shù)同前。道岔板不同溫度變化幅度的計(jì)算結(jié)果比較如表4所示。

表4 計(jì)算結(jié)果比較

從表4可見，隨著道岔板日溫差增大，基本軌溫度附加力、伸縮位移、翼軌末端間隔鐵受力、直尖軌尖端相對道岔位移、轉(zhuǎn)轍器道岔板受力、轍叉道岔板受力均隨之減小，而心軌尖端相對道岔板位移、導(dǎo)曲線道岔板受力、連續(xù)梁固定墩受力則隨之增大，這主要是由于道岔板沿凸臺(tái)的伸縮導(dǎo)致道岔與橋梁的相對位移改變所致。

6 結(jié)論

本文主要分析了“門”形筋混凝土道床、帶限位凸臺(tái)的道床板的岔橋縱向相互作用規(guī)律。分析結(jié)果表明:

1)隨著橋梁日溫差增大，兩種類型無砟軌道的最大溫度附加力均大于有砟軌道無縫道岔;帶有限位凸臺(tái)的無砟軌道溫度附加力小于“門”形筋無砟軌道;路基上無縫道岔最大溫度附加力出現(xiàn)在尖軌跟端。

2)帶有限位凸臺(tái)的無砟軌道鋼軌位移小于“門”形筋無砟軌道;兩種類型無砟軌道的鋼軌位移均大于有砟軌道橋上無縫道岔，普通橋上無縫線路在連續(xù)梁右端具有最大值，路基上無縫道岔伸縮位移遠(yuǎn)小于橋上無縫道岔。

3)“門”形筋及帶限位凸臺(tái)無砟軌道橋上無縫道岔因道床阻力大，尖軌及心軌相對道岔板的伸縮位移較小，但基本軌溫度附加力及連續(xù)梁橋墩、岔前簡支梁墩臺(tái)受力有所增大。

4)隨著凸臺(tái)支座剛度的增大，基本軌溫度附加力、連續(xù)梁橋墩、各道岔板及翼軌末端間隔鐵受力均隨之增大，尖軌尖端相對道岔板的相對位移、凸臺(tái)支座膠墊壓縮量則呈降低趨勢。

5)隨著道岔板分塊數(shù)增多，基本軌溫度附加力、伸縮位移、單塊板的受力均呈降低趨勢，但尖軌及心軌尖端相對道岔板的伸縮位移則呈增加趨勢。

6)隨著道岔板日溫差增大，基本軌溫度附加力、伸縮位移、翼軌末端間隔鐵受力、直尖軌尖端相對道岔位移、轉(zhuǎn)轍器道岔板受力、轍叉道岔板受力均隨之減小，而心軌尖端相對道岔板位移、導(dǎo)曲線道岔板受力、連續(xù)梁固定墩受力則隨之增大。

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