無砟軌道連續梁橋與道岔縱向相互作用規律的研究

徐桂弘，徐 浩，王 平，代 豐

(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)

為適應列車高速行車需要、提高線路穩定性和耐久性、減少線路維修工作量［1］，高速軌道對路基和道床提出了很高的要求，為保證軌道的強穩定性和高平順性，采用板式無砟軌道的結構形式已成為一種趨勢［2］。在橋上鋪設無縫道岔時其軌下基礎主要有三種類型:“門”形筋混凝土道床、帶限凸臺的道床板、底座縱連式道岔板。本文主要研究前兩種無砟軌道結構形式的岔橋縱向相互作用規律。

1 無砟軌道線橋墩一體化計算模型

無砟軌道線橋墩一體化計算模型平面圖如圖1所示。

圖1 橋上無縫道岔模型平面圖

橋上無砟軌道上鋪設無縫道岔時，道岔鋪設在鋼筋混凝土道岔板上，若道岔板和橋梁之間鋪設中間墊層，則允許二者之間有相對滑動，通過設置縱橫向凸臺傳遞作用力，此時道岔和橋梁之間的相互作用與有砟軌道是不相同的，可把橋上無縫道岔結構看作一個由道岔、軌道板、梁體組成的三層結構體系，道岔和軌道板之間的扣件采用彈簧模擬，軌道板和梁體通過彈簧連接，如圖2所示。若道岔板和橋梁之間采用“門形筋”聯結，則不允許二者之間有相對滑動，此時可把橋上無縫道岔結構看作一個由道岔、梁體組成的兩層結構體系，如圖3所示。

利用ANSYS軟件開放的體系結構，基于 ANSYS二次開發技術，編制了梁軌相互作用非線性有限元程序，自動完成有限元建模、荷載的施加和方程的求解。

圖2 帶縱向凸臺無砟軌道橋上無縫道岔模型立面圖

圖3 帶“門”形筋無砟軌道橋上無縫道岔模型立面圖

圖4 道岔—橋梁布置

2 無砟軌道橋上無縫道岔縱向相互作用

2.1 計算參數

以一組60 kg/m鋼軌客運專線18號可動心軌道岔布置在(32+48+32)m連續梁上為例，梁岔布置情況如圖4所示。無砟軌道考慮“門”形筋及限位凸臺兩種形式，凸臺支座縱向剛度取為250 kN/mm，道岔區內設置三塊道床板，長度分別為20 m，29 m，20 m，道床板溫度變化為24℃。

該無縫道岔全長69 m，位于連續梁正中，道岔頭尾距離連續梁兩端均為21.5 m。連續梁固定支座位于道岔前端;道岔兩邊各布置3跨32 m簡支梁。

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。扣件阻力取為Ⅱ型扣件常阻力值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。

無砟軌道橋梁日溫差取為20℃。兩邊橋臺的墩臺縱向剛度為1×107kN/m，中間簡支梁橋墩的剛度均為1×105kN/m，而連續梁橋墩的剛度為1×106kN/m。各梁跨均為雙線整體箱梁，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。

2.2 計算結果

兩種類型(“門”形筋混凝土道床、帶限位凸臺的道床板)無砟軌道橋上無縫道岔基本軌溫度附加力、基本軌伸縮位移，與有砟軌道橋上無縫道岔、普通無砟軌道橋上無縫線路、無砟軌道路基上無縫道岔的鋼軌溫度附加力、伸縮位移比較，如圖5、圖6所示。

從圖5中可見，兩種類型無砟軌道的最大溫度附加力均大于有砟軌道無縫道岔;帶有限位凸臺的無砟軌道溫度附加力小于“門”形筋無砟軌道，這主要是由于道床板與橋梁間通過凸臺支座縱向彈簧相連，減緩了橋梁傳遞至道岔上的縱向力;普通橋上無縫線路最大溫度附加力出現在連續梁右端，幅值要小于橋上無縫道岔;路基上無縫道岔最大溫度附加力出現在尖軌跟端，幅值也要小于鋪設于橋梁上的無縫道岔。

從圖6中可見，兩種類型無砟軌道的鋼軌位移均大于有砟軌道橋上無縫道岔，普通橋上無縫線路在連續梁右端具有最大值，路基上無縫道岔伸縮位移遠小于橋上無縫道岔。

圖5 基本軌溫度附加力

兩種類型無砟軌道橋上無縫道岔與有砟軌道橋上無縫道岔、普通無砟軌道橋上無縫線路、無砟軌道路基上無縫道岔五種工況下的計算結果對比如表1所示。表1中的鋼軌位移及墩臺縱向力以向右為正。

從表1中可見，與有砟軌道橋上無縫道岔相比，“門”形筋及帶限位凸臺無砟軌道橋上無縫道岔因道床阻力大，尖軌及心軌相對道岔板的伸縮位移要小一些，但基本軌溫度附加力及連續梁橋墩、岔前簡支梁墩臺受力有所增大;采用限位凸臺無砟軌道結構，基本軌及橋梁墩臺受力均小于“門”形鋼筋無砟軌道。

3 限位凸臺縱向剛度的影響

圖6 基本軌伸縮位移

岔橋布置如圖4所示，道岔板分為三塊，轉轍器、導曲線及轍叉部分各為一塊道岔板，道岔板中間設置縱橫向凸臺，單個凸臺支座剛度設為 150，200，250，300，350 kN/mm，其它計算參數同前。

不同凸臺支座剛度情況下的計算結果如表2所示。表2中的鋼軌位移、墩臺及道岔板縱向力以向右為正。從表2中可見，隨著凸臺支座剛度的增大，基本軌溫度附加力、連續梁橋墩、各道岔板及翼軌末端間隔鐵受力均隨之增大，尖軌尖端相對道岔板的相對位移、凸臺支座膠墊壓縮量則呈降低趨勢，當單個凸臺的支座剛度＞250 kN/mm時，凸臺支座膠墊的壓縮量，即道岔板在凸臺支座處與橋梁的相對位移均＜1 mm。

4 道岔板分塊的影響

岔橋布置如圖4所示，道岔分塊考慮以下四種方案:工況一:道岔板1塊，每塊道岔板中間設置5個橫向凸臺，每塊板長約69 m;工況二:道岔板3塊，每塊道岔板中間設置3個橫向凸臺，每塊板長約23 m;工況三:道岔板5塊，每塊道岔板中間設置2個橫向凸臺，每塊板長約14 m;工況四:道岔板7塊，每塊道岔板中間設置1個橫向凸臺，每塊板長約7 m。

表1 計算結果比較

表2 計算結果比較

單個凸臺的支座剛度為250 kN/mm，結果如表3，表中鋼軌位移、墩臺及道岔板縱向力以向右為正。

表3 計算結果比較

從表3中可見，道岔板分塊數越多，基本軌溫度附加力、伸縮位移、單塊板的受力均呈降低趨勢，但尖軌及心軌尖端相對道岔板的伸縮位移則呈增加趨勢;當采用7塊道岔板時，需在每塊板下設置2個橫向凸臺才可使支座膠墊壓縮量控制在1mm以內，橫向凸臺的數量要多于其它分塊形式;當采用1塊道岔板時，雖然尖軌及心軌相對道岔板的伸縮位移最小，但基本軌溫度附加力及單塊道岔板受力較大，且施工難度較大;18號無砟道岔采用3塊道岔板是較為合適的。

5 道岔板溫度變化的影響

岔橋布置如圖4所示。由于無砟軌道道岔板位于橋面上，且由于高速鐵路箱型梁的“溫室效應”，道岔板的升降溫幅度均較橋梁大，無砟軌道橋梁日溫差取為20℃，設道岔板的日溫差取為20℃，24℃，30℃，35℃，其它計算參數同前。道岔板不同溫度變化幅度的計算結果比較如表4所示。

表4 計算結果比較

從表4可見，隨著道岔板日溫差增大，基本軌溫度附加力、伸縮位移、翼軌末端間隔鐵受力、直尖軌尖端相對道岔位移、轉轍器道岔板受力、轍叉道岔板受力均隨之減小，而心軌尖端相對道岔板位移、導曲線道岔板受力、連續梁固定墩受力則隨之增大，這主要是由于道岔板沿凸臺的伸縮導致道岔與橋梁的相對位移改變所致。

6 結論

本文主要分析了“門”形筋混凝土道床、帶限位凸臺的道床板的岔橋縱向相互作用規律。分析結果表明:

1)隨著橋梁日溫差增大，兩種類型無砟軌道的最大溫度附加力均大于有砟軌道無縫道岔;帶有限位凸臺的無砟軌道溫度附加力小于“門”形筋無砟軌道;路基上無縫道岔最大溫度附加力出現在尖軌跟端。

2)帶有限位凸臺的無砟軌道鋼軌位移小于“門”形筋無砟軌道;兩種類型無砟軌道的鋼軌位移均大于有砟軌道橋上無縫道岔，普通橋上無縫線路在連續梁右端具有最大值，路基上無縫道岔伸縮位移遠小于橋上無縫道岔。

3)“門”形筋及帶限位凸臺無砟軌道橋上無縫道岔因道床阻力大，尖軌及心軌相對道岔板的伸縮位移較小，但基本軌溫度附加力及連續梁橋墩、岔前簡支梁墩臺受力有所增大。

4)隨著凸臺支座剛度的增大，基本軌溫度附加力、連續梁橋墩、各道岔板及翼軌末端間隔鐵受力均隨之增大，尖軌尖端相對道岔板的相對位移、凸臺支座膠墊壓縮量則呈降低趨勢。

5)隨著道岔板分塊數增多，基本軌溫度附加力、伸縮位移、單塊板的受力均呈降低趨勢，但尖軌及心軌尖端相對道岔板的伸縮位移則呈增加趨勢。

6)隨著道岔板日溫差增大，基本軌溫度附加力、伸縮位移、翼軌末端間隔鐵受力、直尖軌尖端相對道岔位移、轉轍器道岔板受力、轍叉道岔板受力均隨之減小，而心軌尖端相對道岔板位移、導曲線道岔板受力、連續梁固定墩受力則隨之增大。

［1］何華武.無砟軌道技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］趙東田，王鐵成，劉學毅，等.板式無砟軌道 CA砂漿的配制和性能［J］.天津大學學報，2008(7):793-799.

［3］徐振龍，錢振地，秦德進.不同結構形式無砟軌道施工對比分析［J］.鐵道建筑，2005(3):59-64.

［4］賀挨寬.無砟軌道施工平面控制主要技術標準的研究［J］.鐵道工程學報，2006(9):27-30.

［5］徐振龍，王智勇.板式無砟軌道綜合施工技術研究［J］.鐵道建筑，2005(2):35-40.

［6］曾志，鄭新國，翁智財，等.CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿施工技術［J］.鐵道建筑，2009(9):97-100.

［7］林曉波.無砟軌道用彈性混凝土的試驗與研究［J］.鐵道建筑，2007(11):79-80.