橋上無縫道岔與橋梁布置有限元分析

宮萬國

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

隨著我國鐵路建設的發展，受土地資源、地形地貌等因素影響，橋梁工程的比例越來越高，其中不乏車站設置于橋梁之上的特殊情況，咽喉區無縫道岔不可避免地設置于橋梁之上。為保證道岔的工作狀態，一般將無縫道岔整組布置于連續梁上，對于客運專線大號碼道岔咽喉區，由于道岔本身較長且布置多組道岔，由此引起多聯大跨度連續梁集中布置的情況，本文結合典型橋上咽喉區布置情況(如圖1所示)，對普通橋上無縫線路及橋上無縫道岔群進行對比檢算，提出咽喉區橋上無縫道岔與橋梁的相對布置關系與原則。

圖1 橋上咽喉區多聯連續梁及道岔布置示意

1 計算模型

橋上無縫道岔較區間橋上無縫線路檢算，主要區別在于橋上無縫道岔由于道岔本身涉及多股道鋼軌及各種限位結構共同作用，其計算模型較區間橋上無縫線路更復雜，但兩者計算理論均采用梁軌相互作用原理，本文采用通用有限元軟件，分別針對上述橋上無縫道岔布置建立普通區間橋上無縫線路分析及橋上無縫道岔有限元分析模型，鋼軌均采用梁單元模擬，扣件縱向阻力采用彈簧單元模擬，道岔轍叉限位裝置采用彈簧單元模擬，橋梁結構采用梁單元模擬，固定墩采用彈簧單元模擬。見圖2～圖5。

2 計算參數

橋上無縫道岔及區間橋上無縫線路檢算參數如表1所示。限位器及間隔鐵的阻力曲線分別如圖6和圖7所示。

表1 計算參數

3 檢算分析

3.1 鋼軌伸縮力檢算

普通區間橋上無縫線路檢算如表2及圖8。橋上無縫道岔檢算如表3及圖9。

表2 梁縫處鋼軌伸縮附加力及應力最大值

表3 梁縫鋼軌伸縮附加力及應力最大值

由上述鋼軌伸縮附加力檢算可見:橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值仍位于梁縫處，但由于道岔尖軌限位器作用，梁縫附近布置道岔時的鋼軌伸縮附加力較普通區間橋上無縫線路均有所增加，增幅約1.18～1.51;普通區間橋上無縫線路鋼軌伸縮附加力最大值(350.3 kN)在橋梁溫度跨度最大處(218.5m)，而橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值(458.0 kN)在103#和105#道岔之間梁縫處，此處橋梁溫度跨度186.5m，主要是由于該處梁縫兩側兩組道岔對向布置，道岔尖軌鋼軌附加力二次疊加;橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力增幅最大處(5號梁縫，增幅1.51)主要由于道岔岔前距梁縫距離較小(119#道岔)，橋梁伸縮及尖軌限位同時作用，疊加效果較大。

3.2 鋼軌伸縮位移檢算

由于道岔本身限位裝置及線形要求，對基本軌相對橋梁和尖軌相對基本軌位移均有相應限值，橋梁、道岔伸縮位移分布如圖10和表4。

表4 梁軌伸縮位移

尖軌相對基本軌最大位移23.7 mm，滿足客專(07)004道岔要求的30mm;心軌相對基本軌最大位移6.2 mm，滿足一般道岔要求的8 mm。

3.3 轍叉限位裝置檢算

道岔傳力件受力如表5。

間隔鐵受力來檢算，螺栓剪應力為

式中，T為螺栓承受剪力;T'為摩阻力，螺栓扭矩為600 N·m時，小間隔鐵取40 kN/塊;d為螺栓直徑，d=24 mm。此處假定螺栓平均受力。轍跟處小間隔鐵由2根螺栓組成，單個螺栓承受剪力為總和的1/2。

表5 道岔傳力件受力kN

間隔鐵受力最大值為155.7 kN，經檢算螺栓剪應力

因此，間隔鐵螺栓的抗剪能力滿足要求。

4 結語

由于不同列車荷載、運行速度及地區環境鋼軌動應力及基本溫度力均不同，所以本文未對鋼軌應力進行疊加檢算，但無縫道岔布置于連續梁上時其鋼軌伸縮附加力較區間橋上無縫線路增幅要大，尤其在咽喉區多聯連續梁且兩組道岔對向布置情況最為不利。由于運輸組織功能需求，道岔對向布置情況不可避免，此時應在兩連續梁間插入簡支梁，減少橋梁溫度跨度，有效降低梁軌相互作用力。道岔距梁縫應保持一定距離，以盡量減少連續梁溫度跨度與道岔限位裝置鋼軌附加力疊加效應。

通過對梁軌位移及道岔限位裝置受力檢算可知，當整組無縫道岔布置于連續梁上時，道岔尖軌、心軌位移及限位裝置結構強度均可滿足其限值要求。

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