軌道板類型對(duì)無(wú)砟軌道橋上無(wú)縫道岔的影響研究

劉亞航，段翔遠(yuǎn)，代 豐，陳 嶸

(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)

板式無(wú)砟軌道以預(yù)制軌道板為核心。軌道板結(jié)構(gòu)形式、抵抗縱橫向作用力方式和高性能的調(diào)整層材料是板式無(wú)砟軌道關(guān)鍵技術(shù)。混凝土軌道板是板式軌道唯一的預(yù)制件。在軌道板與底座間充填砂漿材料以后，軌道幾何尺寸的調(diào)整只能通過(guò)扣件(包括充填式墊板)來(lái)實(shí)施，因此，應(yīng)對(duì)軌道板外形尺寸和外觀質(zhì)量提出嚴(yán)格要求［1］。

底座縱連式無(wú)砟軌道技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷地技術(shù)創(chuàng)新，在京津客運(yùn)專線長(zhǎng)大橋梁上得到了成功應(yīng)用，目前正大規(guī)模應(yīng)用于京滬高速鐵路上，急需解決底座縱連式橋上無(wú)縫道岔鋪設(shè)技術(shù)，以形成完善的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道技術(shù)體系［2］。

1 仿真分析計(jì)算模式

1.1 計(jì)算模型

底座縱連式無(wú)砟軌道岔—板—橋—墩一體化計(jì)算模型如圖1所示。全橋底座縱連板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔與區(qū)間橋上縱連板式無(wú)砟軌道存在較大區(qū)別。從線路結(jié)構(gòu)看，區(qū)間橋上縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式比較單一，在全橋范圍內(nèi)，每跨梁上的線路情況均相同。而橋上無(wú)縫道岔則不同，由于道岔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，每一跨梁上的線路情況均可能不同，因此在計(jì)算時(shí)必須考慮鋼軌件、無(wú)砟軌道、橋梁沿線路縱向變化的特點(diǎn)［3］。

對(duì)于全橋底座縱連板式無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔進(jìn)行受力和變形分析時(shí)，應(yīng)將道岔、道岔板、底座板、橋梁和墩臺(tái)看作一個(gè)有機(jī)整體，建立岔—板—橋—墩一體化模型［5］。在模型中還應(yīng)考慮扣件縱向阻力、道岔板和底座板間縱向阻力、底座板與橋梁間滑動(dòng)層摩擦阻力、底座板的伸縮剛度、橋墩墩臺(tái)頂縱向水平剛度等關(guān)鍵參數(shù)的影響［3］。

岔—板—橋—墩一體化模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺(tái)、摩擦板、端刺、底座板上縱橫向凸臺(tái)、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用［6］。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線性考慮，使得計(jì)算模型更接近實(shí)際。

圖1 底座縱連無(wú)砟軌道橋上無(wú)縫道岔計(jì)算模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

岔橋相對(duì)布置如圖2所示。橋梁上底座板縱連，兩端路基上摩擦板各長(zhǎng)50 m，底座板及摩擦板厚0.3 m，橋梁滑動(dòng)層為兩布一膜結(jié)構(gòu)，摩擦系數(shù)可取為0.35，計(jì)算伸縮力時(shí)，僅考慮道岔板與底座板的重力分布，則底座板與橋梁間的極限摩阻力約為9.8 kN/m(極限位移為0.5 mm)，計(jì)算制動(dòng)力時(shí)，還需考慮車體的重量，則節(jié)點(diǎn)下底座板與橋梁間的極限摩阻力約為19.6 kN/m;降溫時(shí)考慮底座板開裂后縱向伸縮剛度的折減，折減后的系數(shù)取為0.1，升溫時(shí)開裂底座板受壓，不考慮縱向伸縮剛度的折減，相應(yīng)的系數(shù)取為1.0;底座板的收縮徐變換算成降溫幅度為30℃，再疊加與軌道板相同的降溫幅度可取為－54℃，升溫時(shí)不考慮收縮徐變的影響，取為24℃;摩擦板上滑動(dòng)層為兩層土工布結(jié)構(gòu)，摩擦系數(shù)可取為0.5，底座板與摩擦板間的縱向阻力，有荷情況下取為14.0 kN/m，有荷情況下取為 28.0 kN/m［3-4］。

岔區(qū)內(nèi)軌道板采用預(yù)制結(jié)構(gòu)(稱為道岔板)，厚度為240 mm;道岔板設(shè)計(jì)為若干塊3～6 m長(zhǎng)的短板，每塊道岔板與底座板間由8根銷釘連接。道岔板間設(shè)置伸縮縫，橋上岔區(qū)外及摩擦板范圍內(nèi)設(shè)置6 m長(zhǎng)的軌道板，與道岔板間也設(shè)置伸縮縫，路基摩擦板外為縱連軌道板。

圖2 道岔—橋梁相對(duì)布置

底座板兩端與端刺相連接，端刺縱向水平剛度取為1.0×108kN/m［1］。底座板在道岔直股方向縱連，岔后側(cè)股及路基上為帶“門”型鋼筋的混凝土道床，道床板與基礎(chǔ)間的聯(lián)結(jié)力折算成單下扣件下的縱向阻力為5.0×104kN/mm。鋼軌溫度變化取為50℃。制動(dòng)荷載取為16 kN/m，加載長(zhǎng)度不超過(guò)300 m。道岔區(qū)為Ⅱ型扣件，無(wú)荷阻力取為12.5 kN/mm(極限位移為0.5 mm)，有荷阻力取為25 kN/mm;區(qū)間線路為 WJ-8型扣件，無(wú)荷阻力取為15 kN/mm(極限位移為0.5 mm)，有荷阻力為 30 kN/mm［5］。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 伸縮力作用下各部件受力及位移分布

伸縮力作用下鋼軌、軌道板及底座板受力分析如圖3和圖4所示，圖5和圖6所示為各結(jié)構(gòu)在伸縮力作用下縱向位移比較。圖中作用力方向以壓力為正，拉力為負(fù);位移以向右為正，向左為負(fù)。

圖3 伸縮力作用下基本軌附加溫度力

可以看出，伸縮力作用下，道岔板的縱向力遠(yuǎn)小于縱連軌道板，這是由于道岔板長(zhǎng)度較短的原因;同時(shí)由于道岔板跟隨底座板伸縮，且對(duì)稱于板中心還有相對(duì)于底座板的微小伸縮，因而導(dǎo)致基本軌附加力、底座板縱向力、鋼軌及底座板位移呈齒狀分布。

圖4 伸縮力作用下軌道板與底座板縱向力

圖5 伸縮力作用下鋼軌、橋梁位移

圖6 伸縮力作用下軌道板、底座板位移

在伸縮力作用下，基本軌縱向力、伸縮位移、軌道板與底座板的縱向力及位移、橋梁墩臺(tái)的縱向力、銷釘?shù)氖芰^縱連軌道板岔橋系統(tǒng)有所增加。

其中，在伸縮力計(jì)算中，由于降溫時(shí)考慮了底座板的收縮徐變及縱向剛度的開裂折減，所得計(jì)算結(jié)果較升溫情況更為不利，因而在設(shè)計(jì)檢算中應(yīng)主要考慮降溫情況。

2.2 制動(dòng)力作用下各部件受力及位移分布

制動(dòng)力作用下鋼軌、軌道板及底座板縱向受力如圖7和圖8所示，圖9和圖10所示為各部件在制動(dòng)力作用下的縱向位移比較分析，圖中作用力方向以壓力為正，拉力為負(fù);位移以向右為正，向左為負(fù)。

圖7 制動(dòng)力作用下基本軌縱向力

圖8 制動(dòng)力作用下軌道板與底座板縱向力

圖9 制動(dòng)力作用下鋼軌、橋梁位移

圖10 制動(dòng)力作用下軌道板、底座板位移

從制動(dòng)力作用下各部件受力及位移分布可以看出，制動(dòng)力作用下，該岔橋系統(tǒng)各部件受力與變形量較大，同樣，由于分塊式道岔板未能將縱向力傳遞至橋臺(tái)兩端路基上的縱連軌道板上，因而在制動(dòng)力作用下的基本軌縱向力、伸縮位移、軌道板與底座板的縱向力及位移、橋梁墩臺(tái)的縱向力、銷釘?shù)氖芰^縱連軌道板岔橋系統(tǒng)有所增加。

2.3 岔橋系統(tǒng)各部件的受力及變形值與縱連軌道板的比較

岔橋系統(tǒng)各部件的受力及變形值與縱連軌道板的比較如表1所示。表中作用力方向以壓力為正，拉力為負(fù);位移以向右為正，向左為負(fù)。

表1 軌道板型式計(jì)算結(jié)果比較

從表1中可見，無(wú)論在伸縮力還是制動(dòng)力作用下，對(duì)于直基本軌最大伸縮附加力、最大伸縮位移、底座板位移及軌道板位移分塊式道岔板都大于縱連式軌道板;在伸縮力作用時(shí)，尖軌跟端傳力部件、翼軌末端間隔鐵的最大受力、直尖軌尖端相對(duì)基本軌位移、心軌尖端相對(duì)翼軌枕位移縱連式都要大于分塊式，制動(dòng)力時(shí)基本相等;墩臺(tái)受力相比較而言分塊式道岔板要比縱連式軌道板大。

3 結(jié)論

本文借助ANSYS軟件，建立底座縱連無(wú)砟軌道橋上無(wú)縫道岔岔—板—橋—墩一體化有限元模型，并對(duì)分塊式道岔板與縱連式軌道板在伸縮力和制動(dòng)力下岔橋系統(tǒng)各部件的受力及位移等計(jì)算比較。主要得到以下結(jié)論:

1)道岔板由于長(zhǎng)度較短，板中縱向力無(wú)論是伸縮力還是制動(dòng)力都遠(yuǎn)小于縱連軌道板。

2)由于道岔板跟隨底座板伸縮，且對(duì)稱于板中心還有相對(duì)于底座板的微小伸縮，因而導(dǎo)致基本軌附加力、底座板縱向力、鋼軌及底座板位移呈齒狀分布。

3)由于分塊式道岔板未能將縱向力傳遞至橋臺(tái)兩端路基上的縱連軌道板上，因而在溫度力和制動(dòng)力作用下的基本軌縱向力、伸縮位移、軌道板與底座板的縱向力及位移、橋梁墩臺(tái)的縱向力、銷釘?shù)氖芰^縱連軌道板岔橋系統(tǒng)有所增加。

4)底座縱連式無(wú)砟軌道橋上無(wú)縫道岔岔橋縱向相互作用較小，是一種受力較為合理的橋上無(wú)縫道岔的結(jié)構(gòu)形式，其中縱連式軌道板結(jié)構(gòu)要優(yōu)于分塊式道岔板結(jié)構(gòu)。

［1］趙國(guó)堂.高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006:55-70，237.

［2］任娟娟.橋上無(wú)縫道岔區(qū)縱連式無(wú)砟軌道受力特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［3］車曉娟，李成輝.無(wú)砟軌道軌道板配筋對(duì)控制溫度裂縫影響的研究［J］.鐵道建筑，2007(10):84-86.

［4］楊榮山.橋上無(wú)縫道岔縱向力計(jì)算理論與試驗(yàn)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［5］王平，劉學(xué)毅.無(wú)縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007:125-130.

［6］王平，劉學(xué)毅.無(wú)縫道岔受力與變形的影響因素分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2003，24(2):2-3.

［7］張生延，王平，陳小平.軌道板厚度對(duì)板式軌道應(yīng)力的影響分析［J］.鐵道建筑，2010(7):121-122.