客運(yùn)專線橋上無縫道岔模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

張國棟，宋 楊，趙信洋，楊榮山

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

目前，京滬、京廣、鄭西、哈大等在建客運(yùn)專線上不少高架橋車站的橋梁上已經(jīng)鋪設(shè)無縫道岔。橋上無縫道岔受力條件非常復(fù)雜，既不同于橋上無縫線路也不同于路基上的無縫道岔，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)模擬方法無法很好地模擬橋上無縫道岔的復(fù)雜邊界條件及工作狀況，因而有必要進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。

客運(yùn)專線橋上無縫道岔模型試驗(yàn)計(jì)劃通過資料收集與成果總結(jié)、模型試驗(yàn)理論計(jì)算與分析等研究手段對(duì)一組鋪設(shè)在3×32 m無砟橋上的客運(yùn)專線18號(hào)道岔進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，模型比例為1∶3。橋上鋪設(shè)無縫道岔可用多種無砟軌道形式，即在模型試驗(yàn)中要進(jìn)行多種工況的測試試驗(yàn)。

1 理論依據(jù)

模型試驗(yàn)依據(jù)相似三定律進(jìn)行，通過對(duì)模型進(jìn)行各種試驗(yàn)來對(duì)原型進(jìn)行研究。模型試驗(yàn)如果能正確地解決模擬問題，控制各種影響因素，并采用精確的量測方法，則其所得成果就可能符合實(shí)際情況，可大大地縮短研究周期。

1)相似第一定律

彼此相似的現(xiàn)象，單值條件相同，其相似判據(jù)的數(shù)值也相同。

2)相似第二定律

某一現(xiàn)象各物理量之間的關(guān)系方程式都可以表示為相似判據(jù)間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)一現(xiàn)象由n個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來表示，且這些物理量中含有m種基本量綱時(shí)，則能得到(n－m)個(gè)相似判據(jù)為

3)相似第三定律

現(xiàn)象的單值條件相似，并且由單值條件導(dǎo)出來的相似判據(jù)的數(shù)值相等，是現(xiàn)象相似的充分和必要條件。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型道岔設(shè)計(jì)

1)鋼軌。原型60 kg/m軌的橫斷面積為77.45 cm2，按橫斷面積相似比CA=1/9，模型鋼軌的橫斷面積應(yīng)為8.606 cm2。采用8 kg/m輕軌，其橫斷面積為10.76 cm2，將鋼軌表面铇削一層，使橫斷面積滿足要求。

2)扣件、限位器、間隔鐵?？奂蛇x縮小的彈條扣件和扣板式扣件，如果采用彈條式扣件，需重新選材，用專門的機(jī)械制造，而且制造精度較高，質(zhì)量不太穩(wěn)定。如果選用扣板式扣件，設(shè)計(jì)和加工都比較簡單。模型擬用扣板式扣件?？奂氖芰ψ冃吻€需做專門的參數(shù)試驗(yàn)。限位器、間隔鐵以及其他聯(lián)結(jié)件，根據(jù)試驗(yàn)需要具體設(shè)計(jì)。

3)絕緣墊片。鋼軌與軌道板之間要有必要的絕緣墊片，防止電流加熱鋼軌時(shí)因電流流向軌道板而使試驗(yàn)無法進(jìn)行。本試驗(yàn)軌下采用較大剛度的厚橡膠墊片，使鋼軌與軌道板間不會(huì)因距離過近影響電流傳遞，扣件與鋼軌接觸位置采用較薄墊片，使扣件能夠發(fā)揮較好的扣壓性能。

模型試驗(yàn)鋼軌及扣件系統(tǒng)安裝示意如圖1。

2.2 模型橋梁設(shè)計(jì)(見圖2)

2.2.1 梁

圖1 鋼軌、扣件、軌道板安裝示意

圖2 模型梁與道岔的布置

根據(jù)試驗(yàn)要求，可對(duì)橋梁縮尺模型在構(gòu)造方面進(jìn)行適當(dāng)簡化，只要滿足下列要求即可:①梁體易實(shí)現(xiàn)溫度升降，便于伸縮力的模擬;②在荷載作用下，梁上翼緣產(chǎn)生的梁軌相對(duì)位移易實(shí)現(xiàn)模擬;③墩臺(tái)力易于量測。

基于以上分析，模型若采用混凝土梁，梁體自重較大，不易對(duì)梁體加溫，制作成本較高。因此模型梁采用鋼板制成的箱梁。設(shè)計(jì)中忽略原型橋梁的一些細(xì)部構(gòu)造，僅使模型和原型具有相似的撓曲剛度和相似的伸縮特性即可。

2.2.2 支座及其轉(zhuǎn)換

由于在試驗(yàn)中，要考慮固定支座分布位置不同對(duì)無縫道岔溫度力的影響，故在試驗(yàn)中，梁的固定支座和活動(dòng)支座應(yīng)可以相互轉(zhuǎn)換。由于道岔已鋪設(shè)于梁上，調(diào)換梁的梁端難度較大，因此，可以對(duì)支座進(jìn)行相應(yīng)處理，本試驗(yàn)采用多個(gè)千斤頂將整梁均勻頂起，對(duì)調(diào)固定支座和活動(dòng)支座。

2.2.3 梁系轉(zhuǎn)換

為了便于梁系的轉(zhuǎn)換，需將墩頂處理。墩頂預(yù)裝可拆卸的高強(qiáng)鋼板，此鋼板暫稱為墊板，如圖3所示。

圖3 箱梁連接處構(gòu)造

簡支梁轉(zhuǎn)換為連續(xù)梁操作步驟:①千斤頂頂梁，拆除置于墊板下的簡支梁支座，然后拆除墊板(墩頂需考慮簡支梁支座安裝位置，連續(xù)梁支座安裝位置，千斤頂?shù)奈恢?在墩頂預(yù)留栓孔或預(yù)埋螺栓)。②用鋼板栓接梁的底面(在梁底預(yù)留栓孔)。③栓接梁側(cè)面(在梁側(cè)預(yù)留栓孔，栓接鋼板位于梁體外側(cè))。④栓接梁頂面(在梁頂預(yù)留栓孔，栓接鋼板位于梁體上側(cè)的翼緣)。⑤安裝連續(xù)梁支座(在梁底預(yù)留栓接連續(xù)梁支座的栓孔)。⑥拆卸千斤頂。⑦為了順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，應(yīng)在梁體外側(cè)預(yù)留操作孔。

2.3 橋頭路基

模型路基采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以保證試驗(yàn)所需剛度。

2.4 反力墩

為模擬道岔處于無縫線路固定區(qū)，將道岔兩端鋼軌用反力墩固定。反力墩主要承受鋼軌升溫產(chǎn)生的溫度力，同時(shí)也受梁伸縮、撓曲的間接影響。

3 工況轉(zhuǎn)換

3.1 博格板式無砟軌道

保留限制橫向位移的長圓孔螺栓，使軌道板只能產(chǎn)生縱向位移，取出限制縱橫向位移的圓孔處螺栓;在固定墩處設(shè)置固結(jié)機(jī)構(gòu);將梁上軌道板和路基上的軌道板連接成一體。

3.2 無砟無枕梁

保留梁、板上一切螺栓，限制縱橫向位移;梁上軌道板和路基上的軌道板斷開。

3.3 凸臺(tái)板

將三片梁中的中間梁上的板斷開，分別與兩端梁上的板連接;梁、板上保留長圓孔處螺栓，取出圓孔處螺栓;兩塊軌道板各設(shè)置一處固結(jié)機(jī)構(gòu);梁上軌道板和路基上的軌道板斷開。

4 試驗(yàn)內(nèi)容

4.1 測試工況

在各種工況中，對(duì)模型梁和鋼軌同步加溫，同時(shí)測量梁與道岔的溫度、位移量、變形量以及梁與道岔各主要部位的受力情況，完成對(duì)伸縮力的有關(guān)測試。

4.2 百分表測點(diǎn)布置

4.2.1 橋

①梁端位移(對(duì)于連續(xù)梁要測梁兩端的位移，對(duì)于簡支梁要測每片梁兩端的位移)。②墩臺(tái)位移。

4.2.2 道岔

①尖軌位移;②心軌位移;③尖軌附近限位器處基本軌、尖軌位移;④心軌附近限位器處基本軌、尖軌位移。

4.2.3 軌道板

①梁、板相對(duì)位移;②固結(jié)機(jī)構(gòu)、梁相對(duì)位移。

4.2.4 限位器和固結(jié)機(jī)構(gòu)測試

限位器和固結(jié)機(jī)構(gòu)處使用百分表轉(zhuǎn)接器。

5 模型加熱方案

5.1 方案目標(biāo)

目標(biāo)溫度比鎖定軌溫高50℃，梁加熱目標(biāo)溫度為比鎖定軌溫高30℃。本方案模擬自然環(huán)境，將軌道與梁同步加熱，鋼軌用高電流低電壓交流電加熱，由于電流高，采用銅排作為導(dǎo)線，梁體用燃油機(jī)加熱，記錄在此過程中梁與軌道形位的相對(duì)變化，由此通過計(jì)算分析得到所需數(shù)據(jù)。

5.2 加熱方式設(shè)計(jì)

對(duì)于箱梁的加熱，一端布置燃油機(jī)，另一端布置排氣扇。通過排氣扇將高溫燃?xì)庥上淞旱囊欢宋搅硪欢耍谙淞簝?nèi)形成高溫燃?xì)馔ǖ?，通過熱傳遞的作用，將高溫燃?xì)獾臒崃烤鶆騻鹘o箱梁。在箱梁的底面布置溫度感應(yīng)器，當(dāng)箱梁升到目標(biāo)溫度時(shí)，燃油機(jī)自動(dòng)停止加熱。加熱速率可以通過調(diào)節(jié)燃油的燃燒速率進(jìn)行控制。

對(duì)于鋼軌的加熱，從安全取樣和均勻加熱角度出發(fā)，采用先并聯(lián)再串聯(lián)的方式進(jìn)行。使用一臺(tái)高頻變壓器對(duì)其供熱，加上連接壓降，這樣加熱電壓應(yīng)為24 V左右。連接方式如圖4。

圖4 鋼軌電路的聯(lián)結(jié)方式

5.3 加熱設(shè)備

由于項(xiàng)目要求，在處理上需設(shè)置一測溫裝置，當(dāng)鋼軌溫度達(dá)到時(shí)自動(dòng)停止加熱，當(dāng)溫度低于時(shí)又自動(dòng)加熱，保證該鋼軌溫度處于高出鎖定軌溫(50±2)℃之間;或者達(dá)到鎖定軌溫時(shí)改為小電流加熱，保證溫度一直處于目標(biāo)軌溫，不過這個(gè)小電流與環(huán)境溫度及當(dāng)天有無刮風(fēng)有關(guān)，可以根據(jù)情況現(xiàn)場調(diào)試，如圖5。

梁體加熱設(shè)備為大功率燃油機(jī)，燃油機(jī)附帶溫度顯示裝置，隨時(shí)顯示梁體溫度，以便調(diào)節(jié)，如圖6。

6 結(jié)語

圖5 鋼軌加熱裝置(銅板為導(dǎo)線)

圖6 梁體加熱裝置

通過橋上無縫道岔模型試驗(yàn)，可以掌握無縫道岔與橋梁間的縱向力傳遞機(jī)理，探索岔—橋相互間的作用特點(diǎn)，研究無砟橋上無縫道岔的受力和變形規(guī)律，并進(jìn)一步建立能滿足我國客運(yùn)專線建設(shè)需求的橋上無縫道岔設(shè)計(jì)理論與方法，提出相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)與技術(shù)條件，為完善我國橋上無縫線路計(jì)算理論與無砟軌道設(shè)計(jì)理論提供參考。

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