高速鐵路無砟道岔用道岔板設(shè)計研究

尤瑞林，范 佳，王繼軍，杜香剛

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

岔區(qū)是軌道的咽喉，也是薄弱環(huán)節(jié)，世界各國對岔區(qū)無砟軌道進(jìn)行了大量的研究工作。岔區(qū)板式無砟軌道在國內(nèi)外都有所研究，其主要技術(shù)特點是:結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高度較低;現(xiàn)澆混凝土量少，施工進(jìn)度快;便于施工組織，道岔鋼軌件進(jìn)場前，即可進(jìn)行軌道施工［1-2］。

我國過去鐵路無砟軌道形式是支承塊式無砟軌道。地鐵和輕軌有為數(shù)不多的岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)形式是由道岔鋼軌件、扣件系統(tǒng)、混凝土支承塊、整體道床和基底組成。在提速以及客專線路上岔區(qū)軌道也有一部分是有砟軌道。目前我國自主研發(fā)的客專道岔岔區(qū)軌枕埋入式無砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)組成有道岔鋼軌件、扣件系統(tǒng)、預(yù)制混凝土岔枕(帶鋼筋桁架的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu))、現(xiàn)澆道床、基底等，在遂渝、武廣、合寧和哈大等客運專線得到廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展快速，尤其是板式無砟軌道應(yīng)用廣泛，為了更好地實現(xiàn)岔區(qū)與正線軌道結(jié)構(gòu)剛度的均勻性，增強(qiáng)岔區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，開展客專道岔岔區(qū)板式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計研究工作是很有必要的。本文結(jié)合國產(chǎn)高速客運專線道岔的具體情況，首次提出國產(chǎn)化客專道岔板的設(shè)計方案，并對客運專線42號聯(lián)絡(luò)線道岔板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。

1 道岔板型式尺寸設(shè)計

1.1 道岔板的縱向布置及長度

道岔板適應(yīng)的上部鋼軌結(jié)構(gòu)為聯(lián)絡(luò)線用客專42號單開道岔。道岔的旅客列車直向容許通過速度為350 km/h;側(cè)向容許通過速度為160 km/h。

綜合考慮電務(wù)、制造、施工及運輸各方面因素，沿線路縱向，道岔板劃分為49塊，42號道岔劃分的道岔板長度:最長為 5 624 mm，最短為 2 162 mm，道岔板間連接縫寬度為100 mm。

1.2 道岔板厚度

道岔板厚度的選擇與線路運營條件(列車荷載)、軌道結(jié)構(gòu)高度、道岔板的結(jié)構(gòu)形式(混凝土性能、是否施加預(yù)應(yīng)力以及普通鋼筋的配筋情況)和承軌臺高度等許多因素有關(guān)。

經(jīng)力學(xué)分析以及結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計，確定道岔板厚度為240 mm(包括承軌臺高度)。

1.3 道岔板寬度

道岔板寬度根據(jù)道岔幾何形狀合理確定。總寬度由鋼軌間的最大套管間距和最外側(cè)套管距板邊緣的混凝土厚度決定。

道岔板的橫向?qū)挾妊鼐€路縱向是個變化的數(shù)值，設(shè)計的基本原則是:① 保證有足夠的道岔板強(qiáng)度和穩(wěn)定性。②保證混凝土保護(hù)層厚度和套管到道岔板側(cè)面的最小距離滿足受力要求。③ 道岔板的板寬為連續(xù)漸變。除安放轉(zhuǎn)轍機(jī)位置外，每塊道岔板的直股和側(cè)股邊緣均為直線;其中，曲股側(cè)道岔板邊緣沿道岔曲股鋼軌的線形變化，且相鄰的兩塊板的板寬連續(xù)，使整個岔區(qū)側(cè)邊順暢、美觀。

設(shè)計中采用直徑為45 mm的套管，鋼軌工作邊到板側(cè)面距離為570.0 mm，板中直股最外釘孔邊緣距板側(cè)面的距離為301.5 mm(個別受限制的板寬處除外)。

根據(jù)以上的分析確定了各段道岔板的寬度(線路橫向)。42號聯(lián)絡(luò)線道岔道岔板最寬的為第43塊板，寬度為5 330 mm。

1.4 道岔板主要外形尺寸

板的形狀除了轉(zhuǎn)轍機(jī)處外，均為梯形或長方形。道岔板長寬尺寸的選擇考慮了運輸問題，在板的長、寬(兩邊寬度尺寸中較大的一個)尺寸中，至少有一個尺寸不大于3 500 mm。

1.5 道岔板承軌臺設(shè)計

道岔板頂面設(shè)寬260 mm、縱向間距600 mm的橫向通長承軌臺(轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝處承軌臺間距按照電務(wù)部門的要求進(jìn)行設(shè)計)，承軌臺頂面水平，其截面形狀為長方形加邊角倒圓。

從板面算起，鋼軌下的承軌臺最小厚度為12 mm，扣件系統(tǒng)高度為56 mm，因此軌底至板面的最小凈空為68 mm，可滿足維修時小型起道機(jī)械起道的要求。如現(xiàn)場采用鋁熱焊焊接，也可滿足鋁熱焊包對軌底最小凈空50 mm的要求。

道岔板承軌臺高度各處不同，一般最小是10 mm，然后按0.5%的坡度遞增;而板面則以0.5%的橫向坡度施作單向排水坡(槽)，統(tǒng)一確定為向側(cè)股(線路外側(cè))一側(cè)排水。

2 道岔板的受力理論計算和結(jié)構(gòu)分析

2.1 道岔板力學(xué)計算依托的軌道結(jié)構(gòu)

根據(jù)線路設(shè)計單位提出的兩種岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，對道岔板從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)進(jìn)行力學(xué)分析。兩種方案為:

方案一:道岔鋼軌和扣件系統(tǒng)+道岔板+底座+找平層;方案二:道岔鋼軌和扣件系統(tǒng)+道岔板+充填層+底座。

對兩種方案的道岔板計算分析得出方案一計算模型的計算彎矩稍大，因此42號道岔板的設(shè)計按照方案一進(jìn)行計算。

2.2 計算模型

結(jié)合我國無砟軌道技術(shù)創(chuàng)新的研究成果，應(yīng)用有限單元法計算板式軌道在列車荷載作用下的力學(xué)行為。模型中鋼軌采用彈性點支承梁模型，扣件采用線性彈簧模擬，道岔板采用板殼單元進(jìn)行模擬，底座采用實體單元模擬，為模擬下部基礎(chǔ)對軌道結(jié)構(gòu)的支承作用，找平層采用了彈性地基板進(jìn)行模擬，為消除邊界效應(yīng)，模型選取多塊道岔板進(jìn)行計算并以中間單元板作為研究對象。圖1為42號聯(lián)絡(luò)線道岔的部分道岔板結(jié)構(gòu)有限元模型。

2.3 計算參數(shù)

圖1 岔區(qū)“梁—板—板”有限元分析模型

①結(jié)構(gòu)尺寸:42號道岔板設(shè)計厚度為240 mm(包括承軌臺高度10 mm)，岔區(qū)不同位置，道岔板的長度和寬度均不相同。底座厚度取180 mm，橫向較相應(yīng)道岔板寬400 mm，找平層厚度取130 mm，橫向較相應(yīng)底座寬300 mm。②材料性能:鋼軌彈性模量取2.1×105MPa;道岔板采用C55混凝土;底座采用C40混凝土，找平層采用C25混凝土。③扣件道岔區(qū)扣件間距按實際選取，扣件節(jié)點靜剛度取30 kN/mm。④路基與找平層間的支承面剛度取76 MPa/m。

2.4 設(shè)計荷載

1)道岔板設(shè)計和檢驗考慮的荷載包括:①列車荷載，列車豎向荷載是設(shè)計計算時考慮的主要荷載，設(shè)計軸重17 t，考慮3倍的動載系數(shù)，設(shè)計動輪載取 255 kN。檢算荷載取2倍的動載系數(shù)，即為170 kN。②溫度荷載，主要考慮溫度梯度引起的翹曲應(yīng)力:道岔板溫度梯度取45℃/m。③路基不均勻沉降，路基不均勻沉降按15 mm/20 m取值。④梁的撓曲，梁端轉(zhuǎn)角按不大于1‰取值。

2)荷載組合:

①縱向主力組合，設(shè)計荷載為列車豎向設(shè)計荷載+溫度翹曲。

②主力+附加力，檢算荷載為列車豎向檢算荷載+溫度翹曲+路基不均勻沉降。

③橫向主力組合，設(shè)計荷載為列車豎向設(shè)計荷載+橫向荷載+溫度翹曲。

2.5 道岔板結(jié)構(gòu)計算

依據(jù)所選計算參數(shù)，應(yīng)用建立的梁—板—板有限元模型對軌道結(jié)構(gòu)在列車垂向荷載作用下的受力狀況進(jìn)行了分析，列車垂向荷載作用下，道岔板底面縱向彎矩云圖如圖2所示。

選取42號聯(lián)絡(luò)線道岔尖軌處的第2塊道岔板為例(其板長最長，為5.624 m)，模型計算結(jié)果以各扣件支點處進(jìn)行單軸加載計算。單軸加載示意圖如圖3所示。

不同加載位置時道岔板的計算最大彎矩如表1所示。

圖2 “梁—板—板”模型道岔板彎矩云圖(單位:kN·m/m)

圖3 單軸加載示意

表1 不同位置彎矩的最大值 kN·m/m

由表1計算結(jié)果可以看出，道岔板在列車荷載作用下，其縱向、橫向彎矩的最大值出現(xiàn)在不同的加載位置處，在板的設(shè)計和檢算時分別按最不利值計算，結(jié)果列于表2和表3。

另外，對于橫向荷載、溫度梯度荷載及基礎(chǔ)不均勻沉降荷載分別進(jìn)行計算，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 第2塊道岔板設(shè)計彎矩 kN·m/m

道岔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋后，按照以上計算結(jié)果，依據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)對道岔板進(jìn)行檢算。

道岔板縱向:在設(shè)計荷載作用下混凝土所受最大壓應(yīng)力為5.57 MPa，鋼筋受到的最大拉應(yīng)力為175.23 MPa，道岔板最大裂縫寬度為0.18 mm;在檢算荷載作用下混凝土所受最大壓應(yīng)力為7.14 MPa，鋼筋受到的最大拉應(yīng)力為224.56 MPa。道岔板橫向:在設(shè)計荷載作用下混凝土所受最大壓應(yīng)力為5.82 MPa，鋼筋受到的最大拉應(yīng)力為135.65 MPa，道岔板最大裂縫寬度為0.15 mm。均滿足規(guī)范要求。

表3 第2塊道岔板彎矩檢算 kN·m/m

按照上述原理，對42號聯(lián)絡(luò)線道岔其余各塊道岔板也分別進(jìn)行計算，均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

在國產(chǎn)客專道岔岔區(qū)無砟軌道中，此前使用的是軌枕式無砟軌道，在遂渝線獲得了數(shù)年使用的成功經(jīng)驗，并在武廣客運專線武漢試驗段中，進(jìn)行了實車試驗。

本次研究設(shè)計的國產(chǎn)客專岔區(qū)道岔板在我國還是首次開始研究設(shè)計，在力學(xué)計算理論、板的結(jié)構(gòu)形式、鋼筋布置、絕緣方式、扣件連接系統(tǒng)、板的制造及施工控制等諸多方面，都與岔區(qū)Ⅱ型道岔板以及長岔枕有著本質(zhì)的不同。目前國產(chǎn)客專岔區(qū)道岔板已經(jīng)開始生產(chǎn)使用，但還需在長期運營觀測的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化完善，為岔區(qū)板式無砟軌道專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)施工及大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院.42號客專道岔道岔板結(jié)構(gòu)設(shè)計［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

［2］中國鐵道科學(xué)研究院.時速350公里客運專線60 kg/m鋼軌道岔的研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2007.

［3］張世杰，孫立，楊艷麗，等.武廣鐵路客運專線雷大橋特大橋道岔區(qū)板式無砟軌道設(shè)計研究［J］.鐵道建筑，2010(1):13-16.