岔橋相對(duì)位置對(duì)橋上無(wú)縫道岔受力和變形的影響

徐金輝，代豐，陳嶸

(西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

岔橋相對(duì)位置對(duì)橋上無(wú)縫道岔受力和變形的影響

徐金輝，代豐，陳嶸

(西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

為了進(jìn)一步研究橋上無(wú)縫道岔受力和變形的特點(diǎn)，通過(guò)建立“岔—橋—墩”縱向相互作用一體化計(jì)算模型，分析道岔與橋梁的相對(duì)位置對(duì)鋼軌、道岔、墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)部件受力及變形的影響。經(jīng)計(jì)算分析表明，隨著道岔頭部距連續(xù)梁橋左端梁縫距離的增大，基本軌伸縮附加力、伸縮位移、橋墩所受縱向力減小，翼軌末端間隔鐵承受的縱向力增大;尖軌跟端限位器所承受的縱向力、尖軌與心軌相對(duì)于岔枕的縱向位移，并不隨道岔頭部距梁端的距離呈單向變化，只有當(dāng)?shù)啦眍^尾距離梁端在一定合適位置時(shí)，才能確保限位器受力、尖軌與心軌相對(duì)于岔枕的縱向位移最小。

橋上無(wú)縫道岔 連續(xù)梁橋 有砟軌道 岔橋相對(duì)位置 縱向力

橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔是一項(xiàng)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及無(wú)縫線(xiàn)路、列車(chē)軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、橋梁結(jié)構(gòu)、站場(chǎng)布置等多方面的綜合研究，其深度、廣度和難度均要大于純粹的橋上無(wú)縫線(xiàn)路和路基上無(wú)縫道岔的研究。橋上無(wú)縫道岔的受力和變形情況比較復(fù)雜，且影響因素眾多，其中，岔橋相對(duì)位置是影響道岔和橋梁受力、變形的重要因素之一。本文擬以250 km/h，350 km/h客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路60 kg/m鋼軌18#單開(kāi)道岔為例(兩道岔尺寸相同)，通過(guò)建立“岔—橋—墩”縱向相互作用一體化計(jì)算模型，分析岔橋相對(duì)位置對(duì)有砟軌道連續(xù)梁上無(wú)縫道岔和橋梁的受力和變形規(guī)律的影響。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

連續(xù)橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔是國(guó)內(nèi)外高速鐵路上采用的主要結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)檫B續(xù)梁橋整體性好，在橫向上若也采用整體結(jié)構(gòu)，則可為無(wú)縫道岔提供一個(gè)整體連續(xù)、各向穩(wěn)定的鋪設(shè)平臺(tái);通過(guò)優(yōu)化布置岔橋相對(duì)位置，可將橋梁伸縮對(duì)無(wú)縫道岔的影響降低至最低程度，確保道岔的穩(wěn)定性和良好的幾何狀態(tài)。

本文以連續(xù)梁上鋪設(shè)無(wú)縫單開(kāi)道岔為例，建立“岔—橋—墩”縱向相互作用一體化模型如圖1所示。模型對(duì)道岔結(jié)構(gòu)作如下假定:①道岔尖軌與心軌可以自由伸縮，尖軌或可動(dòng)心軌尖端位移為其跟端位移與自由段伸縮位移之和;②不考慮轍叉角的影響，假設(shè)導(dǎo)軌與長(zhǎng)軌條平行;③橋梁墩臺(tái)頂縱向剛度假定為線(xiàn)性;④鋼軌按支承節(jié)點(diǎn)劃分有限桿單元，只發(fā)生縱向位移;⑤岔枕按鋼軌支承點(diǎn)劃分有限長(zhǎng)梁?jiǎn)卧砂l(fā)生縱向位移和轉(zhuǎn)角;⑥岔枕與橋梁、鋼軌與路基間的縱向約束阻力均假定為縱向彈簧約束;⑦在計(jì)算伸縮力時(shí)，梁的溫度變化僅為單純的升溫或降溫，不考慮梁溫升降的交替變化，一般取一天之內(nèi)的最大梁溫差來(lái)計(jì)算梁的伸縮量。橋上無(wú)縫道岔的伸縮力、撓曲力、斷軌力均以最大軌溫變化幅度作為計(jì)算條件;對(duì)撓曲力、伸縮力、斷軌力、制動(dòng)力分別計(jì)算，不考慮疊加影響。

圖1 岔—橋—墩一體化計(jì)算模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

以一組60 kg/m鋼軌客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)18#可動(dòng)心軌道岔布置在(32+48+32)m連續(xù)梁上為例，橋梁與道岔布置情況如圖2所示。

圖2 橋梁與道岔布置示意

該無(wú)縫道岔全長(zhǎng)69 m，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為混凝土岔枕，彈條Ⅱ型扣件，限位器子母塊間隙為7 mm，當(dāng)限位器子母塊貼靠，兩軌相對(duì)位移<1 mm時(shí)，限位器阻力取為1.5×105kN/m;當(dāng)兩軌相對(duì)位移>1 mm時(shí)，限位器阻力取為6×104kN/m。有砟軌道線(xiàn)路縱向阻力按每枕12 kN計(jì)算，岔區(qū)每枕縱向阻力按枕長(zhǎng)分布為4.6 kN/m，枕間距為0.6 m。扣件阻力取為常阻力值12.5 kN/組。橋梁溫度變化幅度15℃。兩邊橋臺(tái)的墩臺(tái)縱向剛度為1.0×107kN/m，中間簡(jiǎn)支梁橋墩的剛度均為1.0×105kN/m，連續(xù)梁橋墩的剛度為1.0× 106kN/m。各梁跨均為雙線(xiàn)整體箱梁。

計(jì)算工況:道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫0，10.0，21.5，30.0，43.0 m五種工況(分別為工況一～工況五)，則道岔尾部距離連續(xù)梁右端縫為43.0，33.0，21.5，13.0，0 m。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 岔橋相對(duì)位移對(duì)鋼軌伸縮附加力的影響

道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫為0，10.0，21.5，30.0，43.0 m時(shí)，直基本軌和尖軌跟端傳力部件最大伸縮附加力見(jiàn)表1，表1中鋼軌縱向力以壓力正。無(wú)縫道岔鋼軌伸縮附加力如圖3所示，圖中鋼軌縱向力以壓力為正。

表1 直基本軌的最大伸縮附加壓力kN

由圖3可以看出，道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫3#墩越近，岔前連續(xù)梁梁縫處基本軌附加溫度力越大。當(dāng)?shù)啦眍^部距離梁端為0時(shí)，基本軌最大伸縮附加力約為324.0 kN，較道岔頭部距離梁端43 m的最大伸縮附加力230.3 kN要大，可見(jiàn)當(dāng)?shù)啦聿贾糜谶B續(xù)梁上時(shí)，頭部距離連續(xù)梁梁端部越遠(yuǎn)越好。

圖3 鋼軌伸縮附加力

當(dāng)?shù)啦砦膊烤嚯x連續(xù)梁右端越近，基本軌伸縮附加力越小，但在尖軌跟端處又形成了伸縮附加力峰值，這對(duì)道岔的橫向穩(wěn)定性不利，因此道岔尾部距離連續(xù)梁端部也應(yīng)有一定的距離。綜合比較來(lái)看，在連續(xù)梁長(zhǎng)度受限的情況下，道岔頭部距離連續(xù)梁左端較尾部距離連續(xù)梁右端遠(yuǎn)一些為宜。

2.2 岔橋相對(duì)位移對(duì)鋼軌伸縮位移的影響

道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫為0，10.0，21.5，30.0，43.0 m時(shí)，基本軌最大伸縮位移見(jiàn)表2，表中鋼軌位移以向右為正。無(wú)縫道岔基本軌伸縮位移如圖4所示，圖中鋼軌位移以向右為正。

表2 直基本軌的最大伸縮位移mm

由圖4可以看出，道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫越近，基本軌的伸縮位移越大，越不利于道岔的縱向穩(wěn)定。從基本軌伸縮位移考慮，道岔頭部距離梁端也是越遠(yuǎn)越好。

2.3 其它計(jì)算結(jié)果

圖4 基本軌伸縮位移

連續(xù)梁橋上道岔頭尾距離梁端不同時(shí)無(wú)縫道岔及墩臺(tái)受力與變形的計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表3，表中鋼軌位移及墩臺(tái)縱向力以向右為正。

表3 計(jì)算結(jié)果比較

由表3可以看出，道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫越遠(yuǎn)，連續(xù)梁及左側(cè)簡(jiǎn)支梁橋墩所受縱向力、一根鋼軌折斷后另一根鋼軌承擔(dān)的附加縱向力越來(lái)越小，翼軌末端間隔鐵承受的縱向力越來(lái)越大。

而尖軌跟端限位器所承受的縱向力、尖軌與心軌相對(duì)于岔枕的縱向位移、岔前梁端基本軌斷縫并不隨道岔頭部距梁端的距離呈單向變化，只有當(dāng)?shù)啦眍^尾均距離梁端在一定合適位置時(shí)，才能確保限位器受力、尖軌與心軌相對(duì)于岔枕的縱向位移最小，即存在無(wú)縫道岔里軌與橋梁同向、反向伸縮作用疊加后影響最小的情況。鋼軌斷縫受岔橋相對(duì)位置的變化影響不大。

3 結(jié)論及建議

通過(guò)有限單元理論，建立橋上有砟軌道無(wú)縫道岔的“岔—橋—墩”一體化計(jì)算模型，分析道岔頭部距離連續(xù)梁左端梁縫為0，10.0，21.5，30.0，43.0 m時(shí)，橋上無(wú)縫道岔各結(jié)構(gòu)部件受力和變形的特點(diǎn)，得到如下結(jié)論:

1)道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫越遠(yuǎn)，岔前連續(xù)梁梁縫處基本軌附加溫度力越小，基本軌的伸縮位移越小，越有利于道岔的縱向穩(wěn)定;

2)道岔頭部距離連續(xù)梁左端縫越遠(yuǎn)，連續(xù)梁及左側(cè)簡(jiǎn)支梁橋墩所受縱向力、一根鋼軌折斷后另一根鋼軌承擔(dān)的附加縱向力越小，翼軌末端間隔鐵承受的縱向力越大;

3)道岔尾部距離連續(xù)梁右端較近時(shí)，在尖軌跟端處形成了伸縮附加力峰值，對(duì)道岔的橫向穩(wěn)定性不利，因此道岔尾部距離連續(xù)梁端部也應(yīng)有一定的距離;

4)尖軌跟端限位器所承受的縱向力、尖軌與心軌相對(duì)于岔枕的縱向位移、岔前梁端基本軌斷縫并不隨道岔頭部距梁端的距離呈單向變化，只有當(dāng)?shù)啦眍^部、尾部均距離梁端在一定合適位置時(shí)，才能確保限位器受力、尖軌與心軌相對(duì)于岔枕的縱向位移最小;

5)鋼軌斷縫受岔橋相對(duì)位置的變化影響不大。

綜上，道岔頭部、尾部距梁縫的距離存在一個(gè)合理范圍，不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，應(yīng)綜合分析來(lái)確定其位置。結(jié)合常用橋梁(3×32 m)及道岔尺寸(18#道岔全長(zhǎng)69 m)分析，建議道岔頭部距離梁端宜在18 m以上，道岔尾部距離梁端宜在9 m以上。

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U213.9;U213.7

B

1003-1995(2011)02-0098-03

2010-09-27;

2010-11-18

徐金輝(1987—)，男，河南商丘人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)