高速鐵路42號(hào)無(wú)縫道岔溫度力分析與焊接順序優(yōu)化研究

孫嘉雯,楊榮山,孫水泉

(1.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； 2.中鐵濟(jì)南工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,濟(jì)南 250000)

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路得到迅猛發(fā)展，高速路網(wǎng)的連接日益緊密。為進(jìn)一步提高列車(chē)側(cè)向過(guò)岔速度和行車(chē)安全[1]，我國(guó)自主研發(fā)出雙肢彈性可彎心軌結(jié)構(gòu)的42號(hào)側(cè)向高速道岔，并將其廣泛應(yīng)用于既有客專[2]和新建高速鐵路線路[3]。相較其他小號(hào)碼道岔，大號(hào)碼道岔岔區(qū)內(nèi)部鋼軌焊接接頭較多，無(wú)縫道岔的受力狀態(tài)及變形也較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的兩軌相互作用法[4-5]、當(dāng)量阻力法[6-7]、廣義變分法和二次松弛遞推計(jì)算法[8]等計(jì)算方法，在我國(guó)跨區(qū)間無(wú)縫線路的設(shè)計(jì)、施工鋪設(shè)中均有所實(shí)踐。虛線框內(nèi)鋼軌接頭為岔內(nèi)接頭，如圖1所示。其中，大寫(xiě)字母J、D、X分別表示基本軌、導(dǎo)軌與心軌軌段。

圖1 42號(hào)有砟道岔鋼軌接頭分布

高速道岔施工需要更高的標(biāo)準(zhǔn)和更好的工藝[9]，不當(dāng)?shù)暮附訙囟群秃附禹樞驎?huì)導(dǎo)致道岔內(nèi)部各軌條受力過(guò)大或卡阻，進(jìn)而降低列車(chē)側(cè)向過(guò)岔舒適度[10]，若不及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力放散，無(wú)縫道岔焊接時(shí)的鎖定軌溫?zé)o法滿足設(shè)計(jì)要求，影響行車(chē)安全與穩(wěn)定[11]。為確定適宜的道岔區(qū)鋼軌接頭的焊接順序和焊接作業(yè)溫度范圍，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[12]按先固定轍叉，再進(jìn)行尖軌及與區(qū)間線路焊接；文獻(xiàn)[13]認(rèn)為18號(hào)道岔鋼軌焊接應(yīng)先兩側(cè)后中間，若需接入2組道岔，在天窗時(shí)間限制下需分2天進(jìn)行 焊接施工[14]；文獻(xiàn)[15]雖然建議焊接岔內(nèi)鋼軌接頭，即先直、曲基本軌，后里軌，最后與區(qū)間鋼軌焊聯(lián)；現(xiàn)有研究對(duì)岔區(qū)鋼軌接頭焊接順序有了一定的研究，但并未明確大號(hào)碼道岔中的基本軌、導(dǎo)軌和心軌各軌內(nèi)部接頭焊接順序；同時(shí)文獻(xiàn)[16]要求岔區(qū)鋼軌焊接需在設(shè)計(jì)鎖定軌溫±2 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行，這對(duì)施工隊(duì)伍的效率要求較高。

針對(duì)大號(hào)碼無(wú)縫道岔內(nèi)部各軌接頭焊接順序不明的問(wèn)題，以高速鐵路42號(hào)有砟軌道無(wú)縫道岔為研究對(duì)象，基于有限元理論，明確不同焊接順序下岔區(qū)軌條及岔枕的受力變形規(guī)律，給出最優(yōu)的岔區(qū)鋼軌接頭焊接順序，并藉此探討容許焊接溫度余量，研究結(jié)果可為42號(hào)有砟軌道無(wú)縫道岔的焊接鋪設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 道岔焊接順序計(jì)算模型的建立

1.1 模型建立

利用有限元軟件建立高速鐵路42號(hào)有砟單開(kāi)無(wú)縫道岔焊接計(jì)算模型，對(duì)不同焊接順序下的道岔區(qū)軌條及軌枕受力狀態(tài)進(jìn)行分析。模型中，鋼軌采用桿模擬，軌枕采用彈性梁模擬；扣件、限位器、間隔鐵均采用非線性彈簧單元模擬，取值參考文獻(xiàn)[17]。由于道岔在焊接及后續(xù)應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中尖軌及岔心部分扣件不松開(kāi)，轉(zhuǎn)轍器部分及護(hù)軌部分在施工過(guò)程中松彈條但不去除銷(xiāo)釘和彈片[18]，采用生死單元和局部升溫模擬道岔區(qū)內(nèi)鋼軌接頭焊接的先后順序問(wèn)題。對(duì)岔枕端點(diǎn)施加橫向約束，對(duì)縱向可自由伸縮的尖軌和可動(dòng)心軌，對(duì)其節(jié)點(diǎn)施加橫向約束。為更好的消除邊界效應(yīng)，將道岔模型兩端各延伸45 m。由此建立的高速鐵路42號(hào)有砟軌道無(wú)縫道岔模型共計(jì)2 547個(gè)單元，4 524個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 高速鐵路42號(hào)有砟無(wú)縫道岔有限元模型

1.2 計(jì)算參數(shù)和邊界條件

高速鐵路42號(hào)無(wú)縫道岔采用雙肢彈性可動(dòng)心軌結(jié)構(gòu)，使用彈條Ⅱ型扣件，尖軌跟端設(shè)置3組限位器實(shí)現(xiàn)尖軌與基本軌的聯(lián)結(jié)，限位器后第一個(gè)岔枕編號(hào)數(shù)分別為125、127和129；長(zhǎng)短心軌跟端設(shè)有4組長(zhǎng)大間隔鐵，位于第223號(hào)～225號(hào)岔枕以及226號(hào)～228號(hào)岔枕之間[19]。鋼軌在扣件即岔枕所在處分隔為節(jié)點(diǎn)。模型參數(shù)情況見(jiàn)表1。

表1 無(wú)縫道岔模型參數(shù)

文獻(xiàn)[16]對(duì)新鋪無(wú)縫道岔在設(shè)計(jì)直向最高行車(chē)時(shí)速超過(guò)200 km的道岔施工方面做出規(guī)定：岔內(nèi)鋼軌接頭應(yīng)在設(shè)計(jì)鎖定軌溫內(nèi)焊接施工，焊接前需要讓尖軌以及轍叉部分處于自由伸縮狀態(tài)，釋放掉大部分應(yīng)力。對(duì)于有砟軌道無(wú)縫道岔，其內(nèi)部鋼軌焊接需在設(shè)計(jì)鎖定軌溫±2 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行。一般情況下現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無(wú)縫道岔焊接施工時(shí)使用1支焊接隊(duì)伍，焊接1對(duì)鋼軌接頭需要35～40 min，故考慮最不利情況，本文荷載取相鄰軌節(jié)出現(xiàn)實(shí)際鎖定軌溫與施工鎖定軌溫的±2 ℃溫差，相當(dāng)于對(duì)該軌段升溫4 ℃，其他軌段升溫0 ℃。

2 焊接順序?qū)Υ筇?hào)碼道岔的影響

高速鐵路42號(hào)無(wú)縫道岔岔內(nèi)共有14個(gè)鋼軌接頭，焊接順序較多，岔區(qū)鋼軌的焊接順序在順焊、逆焊、跳焊的基礎(chǔ)上又分對(duì)稱焊和不對(duì)稱焊兩類。為明確不同焊接順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力的影響，本節(jié)對(duì)岔內(nèi)軌條、基本軌以及導(dǎo)軌內(nèi)部的接頭焊接順序進(jìn)行討論，以給出道岔軌內(nèi)及軌間最優(yōu)焊接順序。

2.1 岔內(nèi)軌條焊接順序確定

道岔區(qū)基本軌、導(dǎo)軌和心軌的焊接順序不同會(huì)影響道岔結(jié)構(gòu)各部件的受力，進(jìn)而影響道岔平順性，降低列車(chē)側(cè)向過(guò)岔速度。為明確大號(hào)碼道岔區(qū)內(nèi)部基本軌、導(dǎo)軌及心軌的焊接先后順序，擬對(duì)道岔區(qū)軌段分別施加+4 ℃的溫度荷載，具體焊接情況參考表2。提取各工況模型中各軌條伸縮位移量，見(jiàn)圖3～圖5，本文X軸零點(diǎn)均為42號(hào)道岔模型起始點(diǎn)。

表2 分析工況情況

圖3 基本軌伸縮位移曲線

圖4 導(dǎo)軌伸縮位移曲線

圖5 心軌伸縮位移曲線

對(duì)比3組位移變化圖可知，先焊接心軌段(工況3)對(duì)岔區(qū)的擾動(dòng)最大，而先焊接基本軌(工況1)時(shí)，基本軌、導(dǎo)軌及心軌的位移接近0，對(duì)岔區(qū)受力及位移狀態(tài)幾乎無(wú)擾動(dòng)。表明在道岔區(qū)整體框架未構(gòu)建完整時(shí)，先固定外部大框架有利于維持和保障岔區(qū)的穩(wěn)定性，可保證后續(xù)內(nèi)部軌條的焊接鋪設(shè)工作得以順利進(jìn)行。工況2中由于導(dǎo)軌先于心軌完成焊接，心軌跟端位移約為0.38 mm，此時(shí)尖軌跟端限位器子母塊還未貼靠傳力?？梢?jiàn)導(dǎo)軌先于心軌焊接對(duì)道岔區(qū)各軌條的伸縮位移及岔區(qū)內(nèi)岔枕受力情況影響更小。

綜上可知，道岔區(qū)進(jìn)行焊接工作時(shí)先焊接基本軌，固定外部框架，再焊接導(dǎo)軌段，最后焊接心軌段，完成框架內(nèi)部的固定工作有利于岔區(qū)內(nèi)軌條溫度力的放散工作，可最大限度地減小由焊接所產(chǎn)生的溫度力對(duì)岔區(qū)鋼軌及岔枕穩(wěn)定性及整體性的干擾和影響。故岔內(nèi)鋼軌按照由外向內(nèi)的順序進(jìn)行焊接較為合理。與普通無(wú)縫道岔先焊接基本軌接頭后焊接導(dǎo)軌接頭的順序一致[20]。

2.2 基本軌內(nèi)部的焊接順序確定

道岔內(nèi)部單側(cè)軌段有4種焊接順序，分別為順焊、逆焊、跳焊，其中基本軌段由于鋼軌接頭較多，在該段的跳焊分為2種不同的焊接順序，以圖1直基本軌為例，跳焊1表示先焊接接頭J1，再焊接接頭J3，最后焊接接頭J5；跳焊2表示先焊接接頭J5，再焊接J3，最后焊接J1。同時(shí)由于存在兩側(cè)基本軌，故存在對(duì)稱焊和不對(duì)稱焊2種焊接順序，共計(jì)8種焊接工況，具體焊接順序可參考表3。 圖6～圖9分別為基本軌段采用對(duì)稱焊、不對(duì)稱焊時(shí)4種焊接順序的直、曲基本軌位移影響曲線。提取各工況下鋼軌及岔枕最大位移、曲尖軌跟端位移及該處岔枕受力以及長(zhǎng)心軌跟端處的岔枕受力情況，得到不同焊接順序下基本軌段受力與變形情況對(duì)比，如表4所示。

表3 設(shè)計(jì)分析工況情況

圖6 基本軌段對(duì)稱焊時(shí)直基本軌位移變化曲線

圖7 基本軌段對(duì)稱焊時(shí)曲基本軌位移變化曲線

圖8 基本軌段不對(duì)稱焊時(shí)直基本軌位移變化曲線

圖9 基本軌段不對(duì)稱焊時(shí)曲基本軌位移變化曲線

道岔區(qū)內(nèi)各鋼軌接頭的焊接先后順序不同，岔區(qū)內(nèi)部鋼軌及軌枕的受力與位移影響也各不相同，同時(shí)由于岔內(nèi)鋼軌連接不連貫，鋼軌位移在鋼軌接頭附近發(fā)生突變。

對(duì)比圖6～圖9及表4，采用跳焊1的對(duì)稱焊接順序焊接時(shí)，直曲基本軌最大位移量達(dá)1.07，1.44 mm，岔枕最大位移量達(dá)0.86 mm，可分別減小直曲基本軌67%和93.8%的最大位移量以及21%的岔枕最大位移量；同時(shí)尖軌跟端與心軌跟端處岔枕受力相對(duì)較小。采用不對(duì)稱焊接順序?qū)Σ碚砗蛙壎斡绊懫毡榇笥趯?duì)稱焊接，如不對(duì)稱焊接時(shí)岔枕最大位移可達(dá)對(duì)稱焊接情況下的2倍；不對(duì)稱逆焊對(duì)岔枕位置的擾動(dòng)最大，岔枕最大位移達(dá)1.74 mm，直曲鋼軌受力變形不一致，不利于大號(hào)碼有砟道岔的整體性與穩(wěn)定性，需加大后期養(yǎng)護(hù)力度及維修頻率，焊接順序選擇不當(dāng)會(huì)造成軌段位移變化過(guò)大，增大岔區(qū)焊接難度。由表4可知，在保證施工鎖定軌溫為實(shí)際鎖定軌溫±2 ℃范圍的前提下，岔枕位移最大僅為1.74 mm，滿足高速鐵路有砟道岔鋪設(shè)中要求岔枕位移不超過(guò)5 mm的相關(guān)要求。

表4 基本軌段不同焊接順序?qū)o(wú)縫道岔的影響比較

基本軌段按照中-后-前的順序?qū)ΨQ焊接鋼軌接頭是近似雙向?qū)ΨQ的焊接，從中間向兩側(cè)延伸焊接可以最大限度放散由于焊接產(chǎn)生的溫度力，減少對(duì)岔區(qū)鋼軌及岔枕受力與位移的影響，提高施工過(guò)程中大號(hào)碼道岔幾何形位的可調(diào)性，保證大號(hào)碼無(wú)縫道岔的鋪設(shè)精度，故建議后續(xù)焊接對(duì)稱進(jìn)行。

2.3 導(dǎo)軌內(nèi)部的焊接順序確定

由前節(jié)對(duì)基本軌內(nèi)部焊接順序的討論知，相較不對(duì)稱焊，對(duì)稱焊對(duì)岔區(qū)鋼軌及岔枕的擾動(dòng)最小，維持岔區(qū)穩(wěn)定性的能力更強(qiáng)，故導(dǎo)軌段采取對(duì)稱焊接，現(xiàn)對(duì)焊接順序進(jìn)行討論，工況見(jiàn)表5；以單側(cè)導(dǎo)軌段焊接順序?yàn)槔?，?dǎo)軌段順焊表示為D11→D9→D7，逆焊表示為D7→D9→D11，跳焊1表示為D9→D7→D11，跳焊2表示為D11→D7→D9。導(dǎo)軌段焊接順序?qū)?dǎo)軌段位移擾動(dòng)情況見(jiàn)圖10，導(dǎo)軌段采用逆焊時(shí)直曲導(dǎo)軌位移影響見(jiàn)圖11。

表5 設(shè)計(jì)分析工況情況

圖10 導(dǎo)軌段焊接順序?qū)?dǎo)軌位移的影響曲線

圖11 導(dǎo)軌段逆焊對(duì)直曲導(dǎo)軌位移的影響曲線

由圖10及表6可知，導(dǎo)軌段由于焊接順序不同造成的鎖定軌溫差對(duì)岔枕最大位移影響差別較小，在保證施工鎖定軌溫為實(shí)際鎖定軌溫±2 ℃范圍的前提下，在導(dǎo)軌段跳焊的最不利情況下，岔枕最大位移為1.06 mm，滿足高速鐵路有砟道岔鋪設(shè)中要求岔枕位移不超過(guò)5 mm的相關(guān)要求。由圖10可知，相比于順焊和跳焊，采用由后向前的順序?qū)?dǎo)軌段進(jìn)行焊接，更有利于導(dǎo)軌軌條放散由于焊接鎖定溫差產(chǎn)生的溫度力，因此傳遞至基本軌后僅使基本軌發(fā)生0.2 mm的伸縮位移，同時(shí)減小尖軌跟端處岔枕23%的內(nèi)力。如果導(dǎo)軌段未能采用合適的焊接順序進(jìn)行焊連，導(dǎo)軌段產(chǎn)生的較大且無(wú)法有效放散的溫度力會(huì)進(jìn)一步傳遞至基本軌，造成基本軌出現(xiàn)較大伸縮位移。因此，導(dǎo)軌段采用逆焊的焊接方式可以盡可能降低傳遞至基本軌的溫度力，同時(shí)可降低對(duì)基本軌擾動(dòng)程度。

表6 導(dǎo)軌段不同焊接順序?qū)o(wú)縫道岔的影響比較

同時(shí)，當(dāng)溫度力對(duì)稱施加在道岔區(qū)鋼軌上時(shí)直曲股鋼軌的受力與變形基本協(xié)調(diào)一致，在圖11中體現(xiàn)為圖線重疊或相差很小，因此建議現(xiàn)場(chǎng)焊接直曲導(dǎo)軌的鋼軌接頭時(shí)成對(duì)進(jìn)行施工，控制兩次焊接作業(yè)溫差不大于4 ℃。同時(shí)由于42號(hào)高速鐵路無(wú)縫道岔的直向過(guò)岔速度高于側(cè)向速度，為滿足直向的高速度要求以及提高道岔直向幾何形位的平順度，建議岔內(nèi)導(dǎo)軌段按照先直后曲的順序焊接。

結(jié)合上述分析，建議大號(hào)碼無(wú)縫道岔的焊接順序如圖1所示，即在焊接作業(yè)時(shí)鋼軌接頭J1與J2，J3與J4等兩兩成對(duì)進(jìn)行作業(yè)，參照?qǐng)D1鋼軌接頭編號(hào)依次對(duì)岔內(nèi)基本軌段、導(dǎo)軌段、心軌段進(jìn)行焊接操作。

3 容許焊接溫度限值研究

一般情況下，道岔焊接施工分3～7 d完成，由于大號(hào)碼道岔對(duì)焊接鎖定溫度的控制更為嚴(yán)格，要求鋼軌焊接在設(shè)計(jì)鎖定軌溫±2 ℃的范圍內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)中軌溫變化幅度在±(3～6) ℃甚至更大，由于可動(dòng)心軌無(wú)縫道岔的傳力結(jié)構(gòu)較為合理，更適宜在軌溫差較大的地區(qū)使用。為此，建立42號(hào)無(wú)縫道岔的容許焊接溫度模型，以檢驗(yàn)采用本文推薦焊接順序焊接的大號(hào)碼道岔的岔枕及各軌段鋼軌伸縮位移是否超限，開(kāi)展新工況下鋼軌及岔枕的溫度力與位移的分析討論。

圖12～圖14中“fw+數(shù)字”表示“容許焊接溫度范圍”，“zj，qj，zd”分別表示“直基本軌，曲基本軌，直導(dǎo)軌”，以下皆同。

圖12 范圍變化對(duì)直基本軌位移的影響曲線

圖13 范圍變化對(duì)曲基本軌位移的影響

圖14 范圍變化對(duì)直導(dǎo)軌位移的影響曲線

圖15 范圍變化對(duì)曲導(dǎo)軌位移的影響曲線

結(jié)合圖12～圖15可知，岔區(qū)內(nèi)鋼軌鎖定軌溫范圍越大，基本軌、導(dǎo)軌位移及岔枕的最大位移均呈近似線性的趨勢(shì)增大。采用本文推薦的大號(hào)碼道岔焊接順序方案實(shí)現(xiàn)道岔區(qū)焊連后，容許焊接溫度范圍由2 ℃擴(kuò)大至6 ℃，5 ℃時(shí)岔枕最大位移達(dá)1.70 mm，此時(shí)未超過(guò)規(guī)定限值2 mm[15]，當(dāng)鎖定軌溫范圍增大至6 ℃時(shí)，岔枕最大位移則達(dá)2.14 mm，仍在規(guī)定限值之內(nèi)。同時(shí)發(fā)生道岔區(qū)最大位移的尖軌尖端所產(chǎn)生的位移量為15.42 mm，小于基于直尖軌工作邊直線度[15]算得的限值50 mm。因此，采用本文推薦焊接方案對(duì)42號(hào)有砟無(wú)縫道岔進(jìn)行施工作業(yè)，有效放散了焊接形成的內(nèi)力，可適當(dāng)擴(kuò)大道岔區(qū)鎖定軌溫范圍至5 ℃，在不良?xì)夂颦h(huán)境條件下按此焊接方案進(jìn)行大號(hào)碼道岔焊接，可降低道岔施工時(shí)對(duì)溫度控制的要求，降低大號(hào)碼高速道岔的施工難度，提高大號(hào)碼無(wú)縫道岔的施工性能。

4 結(jié)論

針對(duì)大號(hào)碼無(wú)縫道岔內(nèi)部各軌接頭焊接順序不明的問(wèn)題，基于有限元理論，建立了以客運(yùn)專線42號(hào)有砟軌道無(wú)縫道岔計(jì)算模型，計(jì)算明確了不同焊接方案下道岔區(qū)軌條及岔枕的受力變形規(guī)律，而后給出了最優(yōu)的大號(hào)碼無(wú)縫道岔岔區(qū)鋼軌接頭焊順序，并探討容許焊接溫度余量，主要結(jié)論如下。

(1)對(duì)于大號(hào)碼無(wú)縫道岔，在進(jìn)行岔內(nèi)鋼軌接頭的焊接時(shí)，建議按照基本軌—導(dǎo)軌—心軌的順序進(jìn)行焊接，即先形成道岔整體，后與區(qū)間無(wú)縫線路焊連鎖定。

(2)在進(jìn)行大號(hào)碼無(wú)縫道岔的岔內(nèi)區(qū)域鋼軌接頭焊接作業(yè)時(shí)，建議基本軌段按照中—后—前、導(dǎo)軌段按先直后曲、由后至前的順序成對(duì)進(jìn)行焊接。

(3)采用本文推薦的大號(hào)碼道岔焊接方案可有效放散鋼軌在焊連過(guò)程中形成的內(nèi)力，避免尖軌跟端受力過(guò)大，同時(shí)便于施工中調(diào)整岔區(qū)內(nèi)鋼軌的幾何形位，提高大號(hào)碼高速道岔鋪設(shè)精度。在環(huán)境溫差較大地區(qū)，可將大號(hào)碼有砟無(wú)縫道岔的容許焊接溫度限值擴(kuò)大至5 ℃。