武廣鐵路客運專線橋上無縫道岔設計研究

李秋義

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

橋上無縫道岔技術在德國、法國、日本、中國臺灣等高速鐵路上都曾得到了應用。德國和法國建立了軌道-橋梁有限元計算模型,研究了道岔和橋梁位置關系。中國臺灣高速鐵路采用了德國橋上無縫道岔設計技術,采用軌枕埋入式無砟軌道和德國BWG公司道岔。目前,我國正在建設的客運專線有多組道岔以各種形式布置橋上,橋上無縫道岔設計已經成為客運專線的關鍵技術之一。橋上無縫道岔問題已經引起國內學者高度重視,已有相關研究成果相繼發表[1～5]。武廣鐵路客運專線樂昌東站南咽喉正線有4組18號道岔位于昌山特大橋上,樂昌東站橋上無縫道岔設計是軌道工程的技術難點之一(圖1)。

圖1 樂昌東站橋上道岔

本文分析了橋上無縫道岔受力與變形規律及力學傳遞機理,提出了道岔與橋梁相互作用原理,建立了“岔-梁-墩一體化”計算模型,基于有限單元法提出了道岔與橋梁相互作用計算方法。以武廣鐵路客運專線樂昌東站南咽喉昌山特大橋橋上無砟無縫道岔為例介紹橋上無縫道岔的設計方法。

2 橋上無縫道岔非線性有限元計算方法

2.1 道岔-橋梁相互作用原理

道岔-橋梁相互作用原理是橋上無縫道岔縱向力和位移計算的理論基礎。道岔-橋梁相互作用原理可以定義如下：在梁體溫度變化、列車荷載、列車制動/加速以及道岔里軌隨溫度變化伸縮的作用下,梁和橋上軌道(包括道岔)之間產生相對位移,橋上軌道(包括道岔)產生鋼軌縱向附加力,對橋面系作用大小相等、方向相反的反作用力,此力通過梁、支座傳遞至墩臺,在橋上軌道(包括道岔)與橋梁之間形成一個相互作用的力學平衡體系。道岔與橋梁相互作用力包括伸縮力、撓曲力、斷軌力、制動力。道岔與橋梁之間的相互作用如圖2所示。

圖2 道岔與橋梁相互作用

2.2 道岔-橋梁相互作用計算模型

本文利用有限元方法建立了無砟軌道“岔-梁-墩”相互作用的一體化模型(圖3、圖4),把橋上無縫道岔結構看作一個由道岔、軌道板、梁體組成三層結構體系,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。

圖3 橋上無砟無縫道岔模型平面

圖4 橋上無砟無縫道岔模型立面

2.3 求解方法

根據“岔-梁-墩”一體化模型,基于ANSYS二次開發技術編制了梁軌相互作用非線性有限元程序,利用APDL語言(命令流技術)來控制程序流程,自動完成有限元建模、荷載的施加、方程的求解,可提高計算精度和工作效率。

3 橋上無縫道岔設計方法

3.1 橋上無縫道岔設計的專業接口關系

橋上無縫道岔設計過程中涉及到站場、橋梁、軌道3個專業,需要橋梁、軌道、站場專業之間的緊密配合、科學論證、不斷優化。首先，站場專業根據車站的功能進行道岔的布置,然后橋梁專業進行橋梁孔跨的布置以及道岔梁設計,軌道專業對橋上無縫道岔進行設計檢算,提出道岔和橋梁布置的調整意見,并提供橋梁專業墩臺附加力,橋梁和站場專業對方案調整后軌道專業重新檢算,直至各項檢算通過,最后確定三方均能接受的方案。橋上無縫道岔設計的專業接口關系如圖5所示。

圖5 橋上無縫道岔設計的專業接口關系

3.2 橋上無縫道岔設計檢算的內容

(1)橋上無縫道岔鋼軌附加力和位移的計算。包括鋼軌伸縮力、撓曲力、制動力和位移計算。

(2)墩臺附加力計算及墩臺檢算。包括墩臺伸縮、撓曲、制動附加力、斷軌力的計算，荷載組合，墩臺檢算。

(3)橋上無縫道岔檢算。包括鋼軌應力檢算，岔區無縫線路穩定性(有砟軌道)、道岔限位器和間隔鐵螺栓強度檢算，鋼軌斷縫檢算，轉轍器位移、轍叉部分鋼軌允許位移檢算，設計鎖定軌溫的確定。

3.3 橋上無縫道岔的設計流程

橋上無縫道岔設計流程包括四個步驟：(1)道岔和橋梁的布置；(2)鋼軌力和位移計算；(3)道岔轍叉和轉轍器處梁軌相對位移檢算；(4)道岔及橋梁相關檢算。

3.4 橋上無縫道岔設計技術發展方向

根據國外的橋上無縫道岔的發展歷程、設計理念和鋪設實踐,可以總結出我國橋上無縫道岔技術發展方向。

(1)結合中國實際情況,堅持走以我為主的自主創新之路。

我國客運專線采用道岔類型及結構、橋梁結構形式、橋上無縫道岔鋪設的地理環境和氣候條件、建設及運營管理都與國外有明顯的區別,要解決我國橋上無縫道岔問題,不能完全照搬國外的模式,必須走出一條自主創新之路,建立一套自己的具有中國特色的計算理論和設計方法。

(2)運用系統工程的思想,將道岔和橋梁作為一個大系統,綜合研究道岔和橋梁的縱橫向相互作用。采用有限元計算模型和計算方法分析道岔和橋梁的受力和變形。根據實測資料,通過統計分析確定設計參數,并盡可能采用非線性參數以提高計算精度。

(3)橋上無縫道岔設計,除了滿足強度和穩定性要求之外,應嚴格控制道岔與橋梁相對位移。

(4)從大系統角度出發,綜合運用車輛動力學、輪軌相互作用原理、道岔動力學、橋梁動力學原理,建立列車、道岔、橋梁的耦合大系統動力學分析模型,進行車岔橋動力仿真分析,評估列車運行安全性和舒適性。

(5)理論與實踐相結合,通過橋上無縫道岔靜力和動力試驗研究,驗證計算理論和設計方法。

4 工程實例

本文以武廣鐵路客運專線樂昌東站南咽喉昌山特大橋上無砟無縫道岔為例，介紹橋上無縫道岔設計方法和流程。昌山特大橋采用無砟軌道,中心里程DK1 944+691.22,橋全長863.79 m,橋跨布置為4-32 m簡支箱梁+1-32 m異型簡支箱梁+5×32 m連續梁+1-32 m簡支箱梁+6×32 m連續梁+9-32 m簡支箱梁。咽喉區6、8號道岔位于5×32 m變寬連續梁上,單渡線2、4號位于6×32 m連續梁。采用新鐵德奧18號高速無砟道岔,岔區采用軌枕埋入式無砟軌道。道岔-橋梁布置形式見圖6。

圖6 樂昌東站道岔-橋梁布置(單位：m)

(1)鋼軌伸縮力和梁軌相對位移

采用道岔-橋梁相互作用程序，計算橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力及梁軌相對位移見圖7、圖8,鋼軌最大附加拉力319.11 kN,最大附加壓力529.14 kN,最大梁軌相對位移6.2 mm。

圖7 鋼軌伸縮附加力

圖8 梁軌伸縮相對位移

(2)鋼軌撓曲力和梁軌相對位移

鋼軌撓曲附加力及梁軌相對位移見圖9、圖10,鋼軌最大撓曲附加拉力54.8 kN,最大撓曲附加壓力87.7 kN,最大梁軌相對位移0.30 mm。

圖9 鋼軌撓曲附加力

圖10 梁軌撓曲相對位移

(3)鋼軌制動力和梁軌相對位移

鋼軌制動附加力及梁軌相對位移見圖11、圖12,鋼軌最大制動附加拉力172.5 kN,最大制動附加壓力89.5 kN,最大梁軌相對位移0.5 mm。

圖11 鋼軌制動附加力

圖12 梁軌制動相對位移

(4)梁軌相對總位移

梁軌相對總位移計算應考慮最不利的組合,即鋼軌與橋梁總相對位移=伸縮相對位移+撓曲相對位移+制動相對位移,梁軌相對總位移見圖13。

圖13 梁軌相對總位移

從圖13可以統計出正線各組道岔敏感部位(轍叉和轉轍器)與橋梁最大相對位移轍叉與橋梁相對位移0.25 mm,轉轍器與橋梁相對位移6.2 mm。

(5)檢算結果

轉轍器和轍叉處相對位移、道岔鋼軌強度、岔區無縫線路穩定性、道岔限位器、螺栓剪力檢算、斷縫檢算結果見表1。

表1 檢算結果

可見,樂昌東站橋上無縫道岔轍叉處和轉轍器處相對位移、道岔鋼軌強度、穩定性、斷縫檢算均滿足要求。

5 結語

“岔-梁-墩一體化”計算模型真實地反映了道岔與橋梁相互作用關系,有限元計算方法可以較為準確地分析道岔和橋梁的受力和變形,道岔強度、穩定性、道岔與橋梁相對位移多重控制的設計理念確保了橋上道岔結構的安全。從武廣鐵路客運專線聯調聯試的效果來看,樂昌東站橋上無縫道岔的安全性和舒適性指標滿足要求,運營狀態良好,初步經受了實踐的考驗,今后將繼續跟蹤武廣鐵路客運專線樂昌東站橋上無縫道岔運營狀況,進一步完善客運專線橋上無縫道岔設計。

[1] 王 平，楊榮山，劉學毅.無縫道岔鋪設于長大連續梁橋上時的受力與變形分析[J].交通運輸工程與信息學報,2004,2(3):16-21.

[2] 劉衍峰，高 亮，馮雅薇.橋上無縫道岔受力與變形的有限元分析[J].北京交通大學學報,2006,30(1):67-70.

[3] 曾志平，陳秀方，趙國藩.連續梁橋上無縫道岔伸縮力與位移計算[J].交通運輸工程學報,2006,6(1):35-38.

[4] 曾志平，陳秀方，趙國藩.簡支梁橋上無縫道岔溫度力與位移影響因素分析[J].中國鐵道科學,2007,6(1):54-58.

[5] 孫大新，高 亮，劉衍峰.橋上無砟軌道無縫道岔力學特性分析[J].北京交通大學學報,2007,31(1):90-92.

[6] 宋建恩.無砟軌道無縫道岔設計計算方法及受力與變形規律探討[J].鐵道標準設計，2009(5)：3-5.