京滬高速鐵路橋上42號(hào)板式道岔曲股軌道分界位置研究

谷永磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

京滬高速鐵路某特大橋?yàn)殡p線橋，其上行和下行線分別設(shè)置一組42號(hào)大號(hào)碼道岔，道岔曲股各引出一條聯(lián)絡(luò)線，其中上行線道岔與橋梁的位置關(guān)系如圖1所示。該高速鐵路特大橋全橋鋪設(shè)CRTSⅡ型板式軌道，岔區(qū)鋪設(shè)板式無(wú)砟軌道，聯(lián)絡(luò)線鋪設(shè)有砟軌道。岔區(qū)板式無(wú)砟軌道是CRTSⅡ型板式軌道的特殊結(jié)構(gòu)形式，其直股軌道具有橋上CRTSⅡ型板式軌道縱向連續(xù)布置結(jié)構(gòu)，曲股軌道與聯(lián)絡(luò)線連接是采用的有砟軌道結(jié)構(gòu)，因此，確定道岔曲股上兩種軌道結(jié)構(gòu)的分界位置，以及評(píng)判分界位置對(duì)橋上42號(hào)道岔及道岔梁的影響，是檢驗(yàn)系統(tǒng)方案可行性和進(jìn)行岔區(qū)板式軌道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖1 道岔與橋梁布置

合理確定曲股上兩種軌道結(jié)構(gòu)的分界位置，確保道岔鋼軌間的相對(duì)位移滿足設(shè)計(jì)及橋梁墩臺(tái)的安全要求，通過(guò)建立“岔—板—板—梁—墩”一體化模型，對(duì)設(shè)計(jì)提出的5種方案進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)行受力變形特征研究，并提出了推薦方案。

1 計(jì)算模型

對(duì)橋上板式道岔進(jìn)行受力和變形分析時(shí)，將道岔、道岔板、底座、梁體和墩臺(tái)視為一個(gè)系統(tǒng)，建立“岔—板—板—梁—墩”一體化模型［1］。在計(jì)算模型中考慮了扣件縱向阻力、道岔板和底座間的縱向阻力、底座與橋梁間滑動(dòng)層摩擦阻力、底座的混凝土剛度折減、橋梁墩臺(tái)頂縱向水平線剛度等參數(shù)的影響［2-3］。計(jì)算模型假定如下:①道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可以自由伸縮。②扣件縱向阻力與鋼軌、道床板的相對(duì)位移呈非線性關(guān)系。③考慮限位器阻力對(duì)鋼軌伸縮位移的影響，限位器阻力與鋼軌間的位移呈非線性關(guān)系。④考慮轍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)限位器字母塊居中，間隔為7～10 mm。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。⑤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忽略不計(jì)，不考慮支座本身的縱向變形。⑥橋梁墩臺(tái)頂縱向水平剛度為線性，包含支座頂面在縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎(chǔ)傾斜、基礎(chǔ)平移及橡膠支座的剪切變形等引起的支座頂面位移。

根據(jù)以上計(jì)算假定，建立的“岔—板—板—梁—墩”一體化模型如圖2～圖4所示。

圖2 “岔—板—板—梁—墩”一體化計(jì)算模型

圖3 道岔岔后模型俯視圖

2 計(jì)算參數(shù)與設(shè)計(jì)方案［4-7］

1)道岔參數(shù)。60 kg/m鋼軌42號(hào)道岔，全長(zhǎng)157.2 m，前長(zhǎng)60.573 m，后長(zhǎng)96.626 m。

2)橋梁墩臺(tái)參數(shù)。橋墩縱向水平線剛度見(jiàn)表1。

表1 墩臺(tái)線剛度

3)扣件參數(shù)

①道岔扣件阻力f(x)=0.091 2+11.278x+3.067x2+0.248x3，其中，x為鋼軌和岔枕的相對(duì)位移，mm;f(x)為扣件的縱向阻力，kN/mm。

②區(qū)間橋上扣件阻力如圖5所示。

圖5 橋上扣件阻力

4)設(shè)計(jì)方案

曲股板式軌道與有砟軌道的分界位置共設(shè)計(jì)以下5種方案。

方案1:聯(lián)絡(luò)線上換鋪Ⅱ型板式軌道，如圖6所示。

方案2:軌道分界位置在道岔尾部的第一片簡(jiǎn)支梁右端，如圖7所示。

方案3:軌道分界位置在道岔尾部的第二片簡(jiǎn)支梁左端，如圖8所示。

方案4:軌道分界位置在道岔尾部的第二片簡(jiǎn)支梁右端，如圖9所示。

方案5:軌道分界位置在道岔尾部的第三片簡(jiǎn)支梁左端，如圖10所示。

圖6 聯(lián)絡(luò)線上換鋪Ⅱ型板式軌道

圖7 軌道分界位置在道岔尾部的第一片簡(jiǎn)支梁右端

圖8 側(cè)股聯(lián)絡(luò)線延伸至第二片簡(jiǎn)支梁左端

圖9 軌道分界位置在道岔尾部的第二片簡(jiǎn)支梁右端

圖10 軌道分界位置在道岔尾部的第三片簡(jiǎn)支梁左端

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 溫度作用分析

1)參數(shù)取值［8-9］

鋼軌降溫?。?8℃，軌道等效降溫?。?4℃，橋梁降溫?。?0℃;底座剛度折減系數(shù)取0.1，底座和橋梁的摩擦系數(shù)取1。

2)計(jì)算結(jié)果

利用所建立的一體化模型，在溫度作用下，道岔和橋梁的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。

表2 溫度作用分析計(jì)算結(jié)果

表3 不同方案橋墩縱向力計(jì)算結(jié)果 kN

可以看出，各方案道岔尖軌尖端絕對(duì)位移、尖軌尖端與道岔板相對(duì)位移、心軌尖端絕對(duì)位移、心軌尖端與道岔板相對(duì)位移、轍跟限位器受力和轍叉間隔鐵受力等均滿足設(shè)計(jì)要求。各方案計(jì)算結(jié)果相差不大，最大相差約11%，其中方案2的道岔位移、受力相對(duì)最小，道岔梁的固定墩縱向水平力也最好。

3.2 制動(dòng)力分析

1)制動(dòng)荷載和加速荷載

考慮在車站附近高架橋上一線列車加速、一線列車制動(dòng)的不利工況，荷載如圖11所示，底座和橋梁間的摩擦系數(shù)取0。

2)計(jì)算結(jié)果

圖11 制動(dòng)荷載和牽引荷載

在一線列車加速、一線列車制動(dòng)的不利工況下，道岔和橋梁的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。

表4 制動(dòng)荷載作用計(jì)算結(jié)果

表5 不同工況橋墩縱向力計(jì)算結(jié)果 kN

可以看出，在制動(dòng)力作用下，各方案對(duì)道岔的影響不大，橋墩縱向力最大值為867 kN。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文所建立“岔—板—板—梁—墩”一體化模型，綜合考慮了道岔結(jié)構(gòu)、軌道系統(tǒng)和橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用，可以對(duì)在溫度、制動(dòng)等作用下“道岔結(jié)構(gòu)—軌道系統(tǒng)—橋梁結(jié)構(gòu)”的變形與受力進(jìn)行數(shù)值模擬，具有較好的通用性。

2)針對(duì)所提出的5種橋上42號(hào)板式道岔曲股軌道過(guò)渡設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，其道岔位移和受力均滿足道岔設(shè)計(jì)要求，橋墩安全亦無(wú)虞。

3)經(jīng)綜合分析，方案2即軌道分界位置在道岔尾部的第一片簡(jiǎn)支梁右端的方案，其道岔變形、受力及橋梁墩臺(tái)受力等均相對(duì)較小，推薦其為最佳方案。

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