客運專線橋上無縫道岔模型試驗設計

張國棟，宋 楊，趙信洋，楊榮山

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

目前，京滬、京廣、鄭西、哈大等在建客運專線上不少高架橋車站的橋梁上已經鋪設無縫道岔。橋上無縫道岔受力條件非常復雜，既不同于橋上無縫線路也不同于路基上的無縫道岔，現有的計算機模擬方法無法很好地模擬橋上無縫道岔的復雜邊界條件及工作狀況，因而有必要進行模型試驗研究。

客運專線橋上無縫道岔模型試驗計劃通過資料收集與成果總結、模型試驗理論計算與分析等研究手段對一組鋪設在3×32 m無砟橋上的客運專線18號道岔進行模型試驗研究，模型比例為1∶3。橋上鋪設無縫道岔可用多種無砟軌道形式，即在模型試驗中要進行多種工況的測試試驗。

1 理論依據

模型試驗依據相似三定律進行，通過對模型進行各種試驗來對原型進行研究。模型試驗如果能正確地解決模擬問題，控制各種影響因素，并采用精確的量測方法，則其所得成果就可能符合實際情況，可大大地縮短研究周期。

1)相似第一定律

彼此相似的現象，單值條件相同，其相似判據的數值也相同。

2)相似第二定律

某一現象各物理量之間的關系方程式都可以表示為相似判據間的函數關系。當一現象由n個物理量的函數關系來表示，且這些物理量中含有m種基本量綱時，則能得到(n－m)個相似判據為

3)相似第三定律

現象的單值條件相似，并且由單值條件導出來的相似判據的數值相等，是現象相似的充分和必要條件。

2 模型設計

2.1 模型道岔設計

1)鋼軌。原型60 kg/m軌的橫斷面積為77.45 cm2，按橫斷面積相似比CA=1/9，模型鋼軌的橫斷面積應為8.606 cm2。采用8 kg/m輕軌，其橫斷面積為10.76 cm2，將鋼軌表面铇削一層，使橫斷面積滿足要求。

2)扣件、限位器、間隔鐵?？奂蛇x縮小的彈條扣件和扣板式扣件，如果采用彈條式扣件，需重新選材，用專門的機械制造，而且制造精度較高，質量不太穩定。如果選用扣板式扣件，設計和加工都比較簡單。模型擬用扣板式扣件?？奂氖芰ψ冃吻€需做專門的參數試驗。限位器、間隔鐵以及其他聯結件，根據試驗需要具體設計。

3)絕緣墊片。鋼軌與軌道板之間要有必要的絕緣墊片，防止電流加熱鋼軌時因電流流向軌道板而使試驗無法進行。本試驗軌下采用較大剛度的厚橡膠墊片，使鋼軌與軌道板間不會因距離過近影響電流傳遞，扣件與鋼軌接觸位置采用較薄墊片，使扣件能夠發揮較好的扣壓性能。

模型試驗鋼軌及扣件系統安裝示意如圖1。

2.2 模型橋梁設計(見圖2)

2.2.1 梁

圖1 鋼軌、扣件、軌道板安裝示意

圖2 模型梁與道岔的布置

根據試驗要求，可對橋梁縮尺模型在構造方面進行適當簡化，只要滿足下列要求即可:①梁體易實現溫度升降，便于伸縮力的模擬;②在荷載作用下，梁上翼緣產生的梁軌相對位移易實現模擬;③墩臺力易于量測。

基于以上分析，模型若采用混凝土梁，梁體自重較大，不易對梁體加溫，制作成本較高。因此模型梁采用鋼板制成的箱梁。設計中忽略原型橋梁的一些細部構造，僅使模型和原型具有相似的撓曲剛度和相似的伸縮特性即可。

2.2.2 支座及其轉換

由于在試驗中，要考慮固定支座分布位置不同對無縫道岔溫度力的影響，故在試驗中，梁的固定支座和活動支座應可以相互轉換。由于道岔已鋪設于梁上，調換梁的梁端難度較大，因此，可以對支座進行相應處理，本試驗采用多個千斤頂將整梁均勻頂起，對調固定支座和活動支座。

2.2.3 梁系轉換

為了便于梁系的轉換，需將墩頂處理。墩頂預裝可拆卸的高強鋼板，此鋼板暫稱為墊板，如圖3所示。

圖3 箱梁連接處構造

簡支梁轉換為連續梁操作步驟:①千斤頂頂梁，拆除置于墊板下的簡支梁支座，然后拆除墊板(墩頂需考慮簡支梁支座安裝位置，連續梁支座安裝位置，千斤頂的位置;在墩頂預留栓孔或預埋螺栓)。②用鋼板栓接梁的底面(在梁底預留栓孔)。③栓接梁側面(在梁側預留栓孔，栓接鋼板位于梁體外側)。④栓接梁頂面(在梁頂預留栓孔，栓接鋼板位于梁體上側的翼緣)。⑤安裝連續梁支座(在梁底預留栓接連續梁支座的栓孔)。⑥拆卸千斤頂。⑦為了順利實現轉換，應在梁體外側預留操作孔。

2.3 橋頭路基

模型路基采用鋼筋混凝土結構，以保證試驗所需剛度。

2.4 反力墩

為模擬道岔處于無縫線路固定區，將道岔兩端鋼軌用反力墩固定。反力墩主要承受鋼軌升溫產生的溫度力，同時也受梁伸縮、撓曲的間接影響。

3 工況轉換

3.1 博格板式無砟軌道

保留限制橫向位移的長圓孔螺栓，使軌道板只能產生縱向位移，取出限制縱橫向位移的圓孔處螺栓;在固定墩處設置固結機構;將梁上軌道板和路基上的軌道板連接成一體。

3.2 無砟無枕梁

保留梁、板上一切螺栓，限制縱橫向位移;梁上軌道板和路基上的軌道板斷開。

3.3 凸臺板

將三片梁中的中間梁上的板斷開，分別與兩端梁上的板連接;梁、板上保留長圓孔處螺栓，取出圓孔處螺栓;兩塊軌道板各設置一處固結機構;梁上軌道板和路基上的軌道板斷開。

4 試驗內容

4.1 測試工況

在各種工況中，對模型梁和鋼軌同步加溫，同時測量梁與道岔的溫度、位移量、變形量以及梁與道岔各主要部位的受力情況，完成對伸縮力的有關測試。

4.2 百分表測點布置

4.2.1 橋

①梁端位移(對于連續梁要測梁兩端的位移，對于簡支梁要測每片梁兩端的位移)。②墩臺位移。

4.2.2 道岔

①尖軌位移;②心軌位移;③尖軌附近限位器處基本軌、尖軌位移;④心軌附近限位器處基本軌、尖軌位移。

4.2.3 軌道板

①梁、板相對位移;②固結機構、梁相對位移。

4.2.4 限位器和固結機構測試

限位器和固結機構處使用百分表轉接器。

5 模型加熱方案

5.1 方案目標

目標溫度比鎖定軌溫高50℃，梁加熱目標溫度為比鎖定軌溫高30℃。本方案模擬自然環境，將軌道與梁同步加熱，鋼軌用高電流低電壓交流電加熱，由于電流高，采用銅排作為導線，梁體用燃油機加熱，記錄在此過程中梁與軌道形位的相對變化，由此通過計算分析得到所需數據。

5.2 加熱方式設計

對于箱梁的加熱，一端布置燃油機，另一端布置排氣扇。通過排氣扇將高溫燃氣由箱梁的一端吸到另一端，在箱梁內形成高溫燃氣通道，通過熱傳遞的作用，將高溫燃氣的熱量均勻傳給箱梁。在箱梁的底面布置溫度感應器，當箱梁升到目標溫度時，燃油機自動停止加熱。加熱速率可以通過調節燃油的燃燒速率進行控制。

對于鋼軌的加熱，從安全取樣和均勻加熱角度出發，采用先并聯再串聯的方式進行。使用一臺高頻變壓器對其供熱，加上連接壓降，這樣加熱電壓應為24 V左右。連接方式如圖4。

圖4 鋼軌電路的聯結方式

5.3 加熱設備

由于項目要求，在處理上需設置一測溫裝置，當鋼軌溫度達到時自動停止加熱，當溫度低于時又自動加熱，保證該鋼軌溫度處于高出鎖定軌溫(50±2)℃之間;或者達到鎖定軌溫時改為小電流加熱，保證溫度一直處于目標軌溫，不過這個小電流與環境溫度及當天有無刮風有關，可以根據情況現場調試，如圖5。

梁體加熱設備為大功率燃油機，燃油機附帶溫度顯示裝置，隨時顯示梁體溫度，以便調節，如圖6。

6 結語

圖5 鋼軌加熱裝置(銅板為導線)

圖6 梁體加熱裝置

通過橋上無縫道岔模型試驗，可以掌握無縫道岔與橋梁間的縱向力傳遞機理，探索岔—橋相互間的作用特點，研究無砟橋上無縫道岔的受力和變形規律，并進一步建立能滿足我國客運專線建設需求的橋上無縫道岔設計理論與方法，提出相關的設計參數與技術條件，為完善我國橋上無縫線路計算理論與無砟軌道設計理論提供參考。

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