橋上道岔岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟道床布置研究

楊明輝

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

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橋上道岔岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟道床布置研究

楊明輝

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

文章建立了“無(wú)縫道岔-無(wú)砟道床板-橋梁-橋墩”一體化模型，用非線性有限元程序，分析了岔區(qū)無(wú)砟道床板分塊數(shù)量、道床橫向凹槽位置、道岔連續(xù)梁固定支座位置對(duì)道岔、無(wú)砟道床和橋墩的影響。結(jié)果表明：橋上42號(hào)道岔岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟道床板分為5塊，轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽布置在尾部，其余橫向凹槽布置在板中，連續(xù)梁固定支座位于道岔岔心前端，是較為合理的布置方案。

橋上無(wú)縫道岔； 42號(hào)道岔； 軌枕埋入式； 無(wú)砟道床

為提高高速鐵路正線與另一正線之間的聯(lián)絡(luò)線道岔側(cè)向通過(guò)速度，多采用大號(hào)碼道岔，如38號(hào)、42號(hào)、62號(hào)道岔等，側(cè)向通過(guò)速度分別可達(dá)140 km/h、160 km/h、220 km/h。目前， 42號(hào)道岔應(yīng)用需求相對(duì)較多，而其岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟道床長(zhǎng)達(dá)160余米，當(dāng)鋪設(shè)于橋梁上時(shí)，普遍采用道床板分塊、橋梁(底座)上設(shè)縱橫向凹槽限位道床板并在道床板與橋梁(底座)間設(shè)隔離層可相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)，橋梁、道床板以及道岔鋼軌在溫度變化作用下相互耦合、相互影響，受力復(fù)雜，有必要研究溫度荷載下岔區(qū)無(wú)砟道床布置對(duì)岔-板-橋縱向相互作用的影響規(guī)律，以指導(dǎo)橋上42號(hào)道岔岔區(qū)無(wú)砟

道床的設(shè)計(jì)。

1 計(jì)算模型

根據(jù)岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和梁軌相互作用原理，把橋上無(wú)縫無(wú)砟道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、道床板、梁體組成的三層結(jié)構(gòu)體系，岔區(qū)前后的橋上雙塊式無(wú)砟軌道看作一個(gè)由鋼軌、梁體組成的兩層結(jié)構(gòu)體系，建立“無(wú)縫道岔-無(wú)砟道床板-橋梁-橋墩”相互作用的一體化模型[1-5](圖1)。道岔和道床板之間的扣件采用彈簧模擬，岔區(qū)道床板和梁體、梁和固定墩通過(guò)彈簧連接，雙塊式無(wú)砟軌道和梁體錨固連接。

圖1 帶限位凹槽的橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型立面

然后利用ANSYS 軟件開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，編制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。

2 計(jì)算參數(shù)

以某高速鐵路一組60 kg/m 鋼軌42號(hào)可動(dòng)心軌無(wú)縫無(wú)砟道岔布置在(7×32.7) m 連續(xù)梁上為例，該無(wú)縫道岔全長(zhǎng)157.2 m，位于連續(xù)梁中部，道岔頭尾距離道岔梁兩端分別為47 m和24 m，道岔梁固定支座位于道岔理論岔心前10 m。道岔與橋梁、墩臺(tái)位置關(guān)系布置如圖2所示。

圖2 橋梁、墩臺(tái)與道岔布置

道岔區(qū)鋪設(shè)軌枕埋入式無(wú)砟道床，長(zhǎng)度為168.6 m，道床板和底座采用分塊結(jié)構(gòu)，道床與底座間鋪設(shè)“兩布一膜”滑動(dòng)層，底座上設(shè)一定數(shù)量的縱、橫向凹槽以對(duì)道床板限位，凹槽四周鋪設(shè)彈性緩沖橡膠墊，底座通過(guò)預(yù)埋鋼筋與橋梁連接為一體。其余地段鋪設(shè)CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道，鋪設(shè)WJ-8型常阻力扣件。

42號(hào)道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)按圖號(hào)“客專線(07)006”道岔取值；道岔扣件阻力、道岔限位器和間隔鐵阻力等參數(shù)取值參見(jiàn)《無(wú)縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法》[6]；依據(jù)彈性緩沖橡膠墊技術(shù)條件[7]計(jì)算，橫向凹槽用橡膠墊剛度取700 kN/mm；參照《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，無(wú)砟軌道橋梁日溫差取30℃，由于無(wú)砟道床板位于橋面上，且由于箱梁的“溫室效應(yīng)”，道岔無(wú)砟道床板的升降溫幅度較橋梁大，因此無(wú)砟道床溫差取35℃，為使本研究的適應(yīng)性更廣，鋼軌升溫或降溫幅度取45℃；各梁跨均為整體箱梁，道岔梁的固定墩剛度為2×105kN/m。

3 無(wú)砟道床分塊數(shù)量的影響

考慮道岔敏感設(shè)備的需要，道床板長(zhǎng)度宜按照道岔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)轍器區(qū)、導(dǎo)曲線區(qū)、轍叉區(qū)三大部分進(jìn)行道床板長(zhǎng)度劃分，保證所有信號(hào)轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備都在同一塊道床板上；由于轉(zhuǎn)轍機(jī)的設(shè)備安裝要求，道岔區(qū)道床板需要設(shè)計(jì)多處轉(zhuǎn)轍機(jī)連接桿溝槽，削弱了道床截面強(qiáng)度，為減弱道床應(yīng)力集中，保證道床強(qiáng)度，橫向凹槽位置盡量避開(kāi)轉(zhuǎn)轍機(jī)連接桿溝槽區(qū)域。因此，岔區(qū)無(wú)砟道床分塊考慮以下四種方案：

方案一：3 塊道床板，轉(zhuǎn)轍器區(qū)域道床板在尾部設(shè)橫向凹槽，其余道床板在板中設(shè)橫向凹槽，每塊板分別長(zhǎng)約49.4 m、56.9 m、62.3 m(從岔首至岔尾，下同)；

方案二：4 塊道床板，轉(zhuǎn)轍器區(qū)域道床板在尾部設(shè)橫向凹槽，導(dǎo)曲線區(qū)域道床板在板中設(shè)置橫向凹槽，其余道床板在首部設(shè)置橫向凹槽，每塊板分別長(zhǎng)約49.4 m、56.9 m、36.5 m、25.8 m；

方案三：5 塊道床板，轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板在尾部設(shè)橫向凹槽，其余道床板在板中設(shè)橫向凹槽，每塊板分別長(zhǎng)約49.4 m、28.2 m、28.9 m、36.5 m、25.8 m；

方案四：6塊道床板，轉(zhuǎn)轍器區(qū)域的道床板在尾部設(shè)橫向凹槽，其余道床板在板中設(shè)橫向凹槽，每塊板分別長(zhǎng)約36.2 m、26.2 m、26.2 m、24.2 m、28.0 m、27.7 m；

四種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

注：表中“-”表示方向向左，反之向右，下同。

從表1中可見(jiàn)，道床板分塊數(shù)量對(duì)基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小，原因是道岔布置距離連續(xù)梁梁縫較遠(yuǎn)；道床板分塊數(shù)量越多，直尖軌尖端相對(duì)基本軌位移、心軌尖端相對(duì)翼軌位移、心軌或尖軌牽引點(diǎn)處基本軌與橋梁最大相對(duì)位移均呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)更有利，但連續(xù)梁固定支座橋墩縱向力則呈增加趨勢(shì)；道床板分塊數(shù)量對(duì)橫向凹槽受力影響最大，可從1 912 kN降到最小的632 kN，這對(duì)凹槽受力非常有利，還可減少設(shè)置橫向凹槽的數(shù)量。綜合各因素分析，42號(hào)道岔采用5塊無(wú)砟道床板是較為合理的。

4 無(wú)砟道床橫向凹槽位置的影響

岔區(qū)無(wú)砟道床板分為5塊，橫向凹槽位置研究以下四種方案：

方案三：轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在尾部，其余道床板橫向凹槽設(shè)在板中；

方案五：轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在首部，其余道床板橫向凹槽設(shè)在板中；

方案六：道床板橫向凹槽均設(shè)在板中；

方案七：轉(zhuǎn)轍器區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在尾部，其余道床板橫向凹槽設(shè)在首部，即所有道床板橫向凹槽均設(shè)在鄰近道岔梁固定支座一端。

四種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表2中可見(jiàn)，道床板橫向凹槽位置對(duì)基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小，原因是道岔布置距離連續(xù)梁梁縫較遠(yuǎn)；方案五，橫向凹槽受力最小，但固定支座橋墩縱向力、直尖軌尖端相對(duì)基本軌位移稍大，另外，橫向凹槽設(shè)置在岔首，位于薄弱的轉(zhuǎn)轍機(jī)連接桿溝槽區(qū)域，道床存在應(yīng)力集中，削弱了道床截面強(qiáng)度；方案七，橫向凹槽受力最大，說(shuō)明橫向凹槽按鄰近連續(xù)梁固定支座布置，對(duì)凹槽受力不利，需要增加橫向凹槽設(shè)置數(shù)量；方案六和方案三對(duì)比，各檢算項(xiàng)目的結(jié)果基本一致，方案六的尖軌、心軌牽引點(diǎn)處基本軌與橋梁最大相對(duì)位移更小，有利于信號(hào)轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，但是轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在板中，位于薄弱的轉(zhuǎn)轍機(jī)連接桿溝槽區(qū)域，道床存在應(yīng)力集中，削弱了道床截面強(qiáng)度。綜合各因素分析，42號(hào)道岔5 塊無(wú)砟道床板按方案三設(shè)置橫向凹槽是較為合理的。

5 連續(xù)梁固定支座位置的影響

岔區(qū)無(wú)砟道床板按方案三分塊和設(shè)置橫向凹槽，在使連續(xù)梁相同溫度跨度情況下，固定支座位置考慮以下2種方案：

方案八：固定支座位置位于5#墩(圖2)；

方案九：固定支座位置位于6#墩，鄰近簡(jiǎn)支梁支座相應(yīng)調(diào)整。

兩種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。

從表3中可見(jiàn)，固定支座位置對(duì)各檢算項(xiàng)目影響較大，在6#墩時(shí)，間隔鐵受力、連續(xù)梁固定墩縱向力降低幅度較大，但基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、心軌尖端相對(duì)翼軌位移等檢算項(xiàng)目增幅較大，對(duì)鋼軌受力和心軌轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不利，這正是橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)主要的控制因素。因此，綜合各因素分析，在相同溫度跨度時(shí)，固定支座位置位于5#墩更為合適，即連續(xù)梁固定支座位于道岔的理論岔心前端是較為合理的。

6 結(jié)論

本文主要分析了岔區(qū)無(wú)砟道床板分塊數(shù)量、道床橫向凹槽位置、道岔連續(xù)梁固定支座位置對(duì)道岔、無(wú)砟道床和橋墩的影響。分析結(jié)果表明:

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(1)道床板分塊數(shù)量對(duì)鋼軌伸縮附加壓力、伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較??；對(duì)橫向凹槽受力影響較大。

(2)道床板橫向凹槽位置對(duì)鋼軌伸縮附加壓力、伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小；橫向凹槽按鄰近連續(xù)梁固定支座布置，對(duì)凹槽受力不利；考慮轉(zhuǎn)轍機(jī)連接桿溝槽區(qū)域，道床受力應(yīng)力集中，削弱道床強(qiáng)度的影響，轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽不宜設(shè)在板中。

(3)固定支座位置對(duì)間隔鐵、固定墩、鋼軌伸縮附加壓力、鋼軌伸縮位移、心軌尖端相對(duì)翼軌位移等檢算項(xiàng)目影響較大。

(4)綜合分析得出，橋上42號(hào)道岔岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟道床板分為5塊，轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽布置在尾部，其余橫向凹槽布置在板中，連續(xù)梁固定支座位于道岔理論岔心前端，是較為合理的布置方案(圖3)。

圖3 橋上42號(hào)道岔岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟道床板布置示意

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楊明輝(1979～)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事鐵路、城市軌道交通的軌道設(shè)計(jì)工作。

U213.6

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[定稿日期]2016-03-16