有砟軌道簡支梁橋支座位置對無縫道岔的影響分析

徐 浩，王 平

(西南交通大學 高速鐵路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

有砟軌道簡支梁橋支座位置對無縫道岔的影響分析

徐 浩，王 平

(西南交通大學 高速鐵路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

橋上無縫道岔的受力和變形情況比較復雜，影響因素眾多。以單組18#單開道岔鋪設在簡支梁橋上為例，建立道岔—橋梁—墩臺一體化空間計算模型。利用有限單元法，考慮固定支座在左側和右側兩種工況，分析了簡支梁橋支座位置對無縫道岔受力和變形的影響。計算結果表明，當固定支座在右側時，基本軌的伸縮位移遠大于固定支座在左側的情況，故應盡量避免將固定支座設置在右側。

簡支梁橋 橋上無縫道岔 支座位置 伸縮位移

國外高速鐵路一般不在簡支梁上鋪設無縫道岔，認為道岔跨越簡支梁梁縫時，會產生較大的伸縮附加力和位移，從而影響道岔的穩定性和幾何形位。同時認為，高速列車通過簡支梁梁縫時會產生較大的動力沖擊作用，因此，嚴禁道岔轉轍器、轍叉等薄弱部位跨越梁縫。我國在時速200 km提速線路上因受橋梁結構等設計限制，在簡支梁上仍布置了部分無縫道岔，同時還是遵守了尖軌、心軌不跨越梁縫等設計原則。因此，本文針對有砟軌道簡支梁上鋪設無縫道岔，通過建立“岔—梁—墩一體化”計算模型，基于有限單元法，分析了支座位置對橋上無縫道岔受力和變形的影響。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

在有砟軌道簡支梁橋上鋪設無縫道岔時，研究支座位置變化對無縫道岔的受力和變形的影響，并能較準確地計算不同支座位置對無縫道岔受力和變形的影響，由于道岔里軌發生伸縮位移后，帶動岔枕縱向移動和偏轉，一部分作用力通過扣件傳遞給基本軌，一部分作用力通過岔枕傳給道床再傳遞給橋梁，橋梁因伸縮或撓曲在梁面上產生縱向位移，墩臺因道岔上傳下來的力在墩頂產生縱向位移，并帶動橋梁產生縱向位移。同時，梁的位移通過道床傳到道岔上，會導致鋼軌中的縱向力重新分布，進而再影響橋梁的受力與變形。可見，鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺是一個相互作用、相互影響的耦合系統，只有建立一體化模型，才能弄清道岔及橋梁的受力變形規律。該系統中各種阻力按非線性阻力考慮，同時也可考慮常阻力和線性阻力，建立有砟軌道簡支梁橋“岔—梁—墩一體化”計算模型，如圖1所示。

圖1 岔—梁—墩一體化模型

1.2 計算參數

以250 km/h客運專線60 kg/m鋼軌單組18#單開道岔鋪設在9跨32 m簡支梁上為例，無縫道岔布置在中間三跨梁上。

有砟軌道線路縱向阻力按每枕12 kN計算，岔區每枕縱向阻力按枕長分布為4.6 kN/m，軌枕間距為0.6 m?？奂枇θ棰蛐涂奂?，常阻力值為12.5 kN/組。道岔采用雙限位器，其阻力取為分段線性阻力，當限位器子母塊貼靠，兩軌相對位移＜1 mm時，限位器阻力取為1.5×105kN/m;當兩軌相對位移＞1 mm時，限位器阻力取為6×104kN/m，限位器子母塊間隙取為7 mm。道岔長翼軌間隔鐵阻力采用線性阻力，取為5×104kN/m。

橋梁溫度變化幅度為15℃。兩邊橋臺的墩臺縱向剛度為1×107kN/m，中間橋墩的剛度均為1×105kN/m。梁跨為整體箱梁，截面形心距上翼緣為1.626 6 m，距下翼緣為1.577 4 m，截面慣性矩為3.704 4 m4/線［1-2］。道岔—橋梁布置如圖2所示。

圖2 道岔—橋梁布置示意

2 計算結果與分析

2.1 計算工況

支座的布置形式主要考慮每跨簡支梁上左側為固定支座，右側為活動支座，道岔里軌的伸縮位移方向與橋梁伸縮位移方向相反，將此種支座布置方式(見圖2)視為工況一。

工況二：岔橋布置方式仍如圖2所示，所不同的是每跨簡支梁上左側為活動支座，右側為固定支座，道岔里軌的伸縮位移方向與橋梁伸縮位移方向相同。

計算中道岔溫度變化為50℃，橋梁溫度變化為15℃。

2.2 計算結果分析

2.2.1 基本軌的伸縮力

兩種支座布置形式下橋上無縫道岔基本軌伸縮力比較見圖3，鋼軌縱向力以壓力為正。從圖3可見，道岔范圍內基本軌的縱向力分布規律完全相同，說明道岔里軌的伸縮起著主導作用，即使橋梁伸縮位移與里軌伸縮位移方向相同，岔區范圍內的梁軌相對位移也未發生大的變化，因而由里軌通過道床傳遞至基本軌的附加力是相同的;在道岔前后，普通橋上無縫線路鋼軌伸縮附加力分布規律則相反，工況一在橋梁右端出現最大附加壓力，工況二在左橋臺處出現最大附加壓力，該區域已遠離岔區，僅有橋梁伸縮在起作用，因而鋼軌伸縮附加力的分布規律與普通橋上無縫線路是一致的。

2.2.2 基本軌與橋梁的伸縮位移

不同支座布置形式的橋上無縫道岔鋼軌與橋梁伸縮位移如圖4所示，圖4中鋼軌及橋梁位移以向右為正。由圖4可見，當橋梁伸縮位移與道岔里軌伸縮位移方向相同時，基本軌的伸縮位移方向全部向左，最大伸縮位移達到7.7 mm，遠大于工況一情況下的3.0 mm，這種布置方式明顯會造成無縫道岔較大的縱向爬行，對保持道岔的穩定性是不利的，應盡量避免采用橋梁支座布置方式。

圖3 基本軌伸縮附加力比較

圖4 基本軌與橋梁伸縮位移比較

2.2.3 其它計算結果

簡支梁支座不同布置形式時道岔尖軌與心軌尖端處的枕軌相對位移、傳力部件的縱向力、墩臺縱向力等計算結果比較如表1所示。表1中鋼軌位移及墩臺縱向力以向右為正。

3 結論與建議

1)計算表明，簡支梁固定支座布置在右側與布置在左側，對道岔里軌伸縮位移、傳力部件受力影響不大，這一規律與基本軌伸縮附加力相同;岔前梁端直基本軌折斷后，斷縫及非折斷鋼軌的附加拉力略有增大。

2)固定支座布置在右側時，右橋臺要承受4根鋼軌的伸縮附加力，固定支座布置在左側時，左橋臺只承受2根鋼軌的伸縮附加力，兩者受力有較大差別。

3)從每一梁跨傳遞至固定支座所在橋墩上的縱向力來看，固定支座布置在右側，橋梁與道岔里軌伸縮方向相同時，橋墩所受縱向力較固定支座布置在左側時有所降低，這種布置方式對橋墩的受力是有利的。

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U213.6;U448.21+7

A

1003-1995(2011)03-0090-03

2010-09-29;

2010-12-15

國家自然科學基金資助項目(51008256)

徐浩(1989— )，男，湖北天門人，博士研究生。

(責任審編 白敏華)