橋上無縫道岔縱向力計算研究

徐井芒，陳 嶸

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

橋上無縫道岔縱向力計算研究

徐井芒，陳 嶸

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

根據橋上無縫道岔縱向相互作用特點，建立岔—(板)—橋—墩一體化分析模型，應用有限元方法進行求解，對車站咽喉區道岔群、八字渡線橋上無縫道岔兩種形式道岔進行計算，并與德國橋上無縫道岔計算理論對比驗證。驗證結論為：在兩種形式道岔布置情況下，岔橋系統縱向相互計算模型與德國橋上無縫道岔計算理論計算結果相吻合。

橋上無縫道岔 縱向相互作用 岔橋系統 方法驗證

隨著高速鐵路、客運專線、快速客貨混跑鐵路和城市軌道交通的建設與發展，受環保、節約用地要求及地形的限制，將會有越來越多的無縫道岔設置在大橋、特大橋或高架結構上［1］。在橋上鋪設無縫道岔時，既要考慮無縫道岔中鋼軌受力及變形，又要考慮橋梁與道岔之間的梁軌相互作用。目前國內比較成熟的計算方法是基于岔—(板)—橋—墩一體化分析模型［2-3］，利用有限元計算模型進行求解。岔橋縱向相互作用模型主要用于分析在溫度力、制動力、撓曲力、斷軌力作用下道岔、橋梁、軌道各部件的縱向受力與變形規律。國外鋪設橋上無縫道岔比較成功的有德國、日本和法國，并且分別提出了相應的橋上無縫道岔計算理論。本文分別應用岔—(板)—橋—墩一體化分析模型和計算方法，以及德國橋上無縫道岔計算理論，對橋上無縫道岔進行計算對比，旨在驗證岔—(板)—橋—墩一體化分析模型的合理性和可行性。

1 岔橋縱向相互作用原理及計算模型

1.1 岔橋縱向相互作用原理

橋上無縫道岔不同于橋上無縫線路，橋上無縫線路中梁軌相互作用均是由于橋梁梁體變形引起的。而橋上無縫道岔中梁軌相互作用除了橋梁梁體變形外，還有道岔里軌由于溫度變化所引起的伸縮不僅造成里軌與基本軌的相互作用，而且通過扣件、橋面系引起道岔與橋梁的相互作用。因此，橋上無縫道岔梁軌縱向相互作用是以上兩種相互作用耦合和疊加的綜合效果。岔橋縱向相互作用［4］原理可以定義如下：在梁體溫度變化、列車荷載、列車制動或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，對橋面系作用一個大小相等、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［5］。

1.2 計算模型

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。為建立橋上無縫道岔計算模型(見圖1)，做如下基本假設：

圖1 橋上無縫道岔計算模型

1)道岔尖軌與可動心軌前端可以自由伸縮。

2)不考慮轍叉角大小的影響，假設導軌與長軌條平行。

3)鋼軌可看做縱向無限長梁，只發生縱向位移，且鋼軌按照支承節點劃分有限元單元。

4)扣件阻力與鋼軌、岔枕或道岔板的相對位移為非線性關系，作用于鋼軌節點和岔枕節點上，方向為阻止鋼軌相對岔枕位移。

5)考慮間隔鐵阻力對鋼軌伸縮位移的影響，間隔鐵阻力與鋼軌位移間呈非線性關系。

6)考慮轍叉跟限位器在基本軌與導軌間所傳遞的作用力，設道岔鋪設時限位器子母塊位置居中。當子母塊貼靠時，限位器阻力與兩鋼軌間的相對位移呈非線性關系。

7)假設橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，活動支座抵抗伸縮的阻力可略而不計，暫不考慮支座本身的縱向變形，固定支座承受的縱向力全部傳遞至墩臺上。

8)橋梁墩臺頂縱向剛度假定為線性，包含在支座頂面縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎傾斜、基礎平移及橡膠支座剪切變形等引起的支座頂面位移。

9)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。

2 算例

本文對車站咽喉區道岔群、八字渡線橋上無縫道岔等兩種不同布置情況下進行計算，并將計算結果進行對比。

2.1 車站咽喉區道岔群

2.1.1 計算參數

某一高架站上咽喉區，布置道岔群，道岔側向過岔速度 V=100 km/h。道岔—橋梁布置形式見圖2。

圖2 岔橋相對位置示意(算例一)

2.1.2 上行線伸縮力計算結果對比

德國采用有限元計算模型，計算了橋梁溫度變化ΔT=－30℃時上行線的鋼軌附加應力，見圖3。采用本文岔橋縱向相互作用計算理論計算結果見圖4。對比兩圖可見，對于復雜咽喉區橋上無縫道岔群伸縮力的計算，兩種方法計算所得鋼軌附加應力的分布規律相同，計算結果相當，吻合程度好。

圖3 德國伸縮力計算結果(上行線)

2.1.3 下行線伸縮力計算結果對比

圖4 本文伸縮力計算結果(上行線)

德國采用有限元計算模型，計算了橋梁溫度變化ΔT=－30℃時下行線的鋼軌附加應力，見圖5。根據本文岔橋縱向相互作用計算理論計算結果見圖6。兩圖對比可見，下行線的計算結果、鋼軌附加應力分布規律基本是一致的，吻合較好。

圖5 德國伸縮力計算結果(下行線)

圖6 本文伸縮力計算結果(下行線)

2.1.4 驗證結論

本文與德國咽喉區橋上無縫道岔群計算結果的對比匯總見表1。從表1對比可見，采用德國和本文橋上無縫道岔計算模型和方法計算的各項鋼軌附加應力分布規律及計算結果吻合較好。

2.2 八字渡線橋上無縫道岔

2.2.1 計算參數

某高架車站一側咽喉區的橋跨布置為10×10 m剛構+(24+5×32+24)m連續梁+6×63 m連續梁+8×32 m簡支梁，連續梁上為八字渡線。道岔—橋梁布置見圖7。計算中橋梁日溫差取為15℃，線路縱向阻力為每線15 kN/m。

表1 德國與本文計算結果比較

圖7 岔橋相對位置示意(算例二)

2.2.2 計算結果對比

德國計算的鋼軌附加力分布如圖8所示，本文計算的鋼軌附加力分布如圖9所示。兩圖對比可見，道岔基本軌附加縱向力的分布規律是一致的，計算結果也吻合得較好。

圖8 德國理論計算鋼軌附加力

圖9 本文計算鋼軌附加力

2.2.3 驗證結論

本文與德國橋上八字渡線無縫道岔群計算結果的對比匯總見表2。從表2對比可見，采用德國計算理論和本文岔橋縱向相互作用模型計算的各項鋼軌附加應力分布規律及計算結果吻合較好。

表2 德國和本文計算結果對比

3 結論

1)對車站咽喉區橋上無縫道岔群上行及下行線進行計算可知：在降溫的情況下，對于上行線鋼軌縱向伸縮附加力及梁軌縱向相對位移，本文計算結果比德國計算理論稍大;而對于下行線，本文計算結果比德國計算理論稍小。兩種方法計算結果分布規律吻合較好，且計算結果比較接近。可以認為，兩種計算方法的計算結果是相同的。

2)對八字渡線橋上無縫道岔進行計算可知：對于鋼軌附加力和梁軌相對位移，本文橋上無縫道岔計算理論比德國計算理論稍大，計算結果最大相差5.8%，且兩種方法計算結果分布規律吻合較好，可以認為，兩種計算方法的計算結果是相同的。

3)通過對以上算例進行計算并且將計算結果與德國計算理論計算結果進行對比，可見，本文岔橋縱向相互作用計算模型和計算方法是正確可信的，可用于指導橋上無縫道岔的鋪設和設計。

［1］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設計方法［M］.成都：西南交通大學出版社，2007：240-241

［2］趙才友，王平.特殊工況下橋上縱連板式無砟軌道無縫道岔溫度力研究［J］.鐵道建筑，2010(5)：104-105.

［3］郭志勇.客運專線橋上無縫道岔的設計［J］.鐵道建筑，2007(7)：101-102.

［4］李秋義，孫立，楊艷麗.客運專線橋上無縫道岔計算方法研究［J］.鐵道工程學報，2008(12)：51-52.

［5］楊榮山，劉學毅，王平.橋上無縫道岔縱向力計算理論與試驗研究［J］.鐵道學報，2010(4)：135-136.

U213.9;U213.6

A

1003-1995(2011)03-0093-03

2010-10-19;

2010-12-10

徐井芒(1987— )，男，河北邢臺人，碩士研究生。

(責任審編 白敏華)