無縫道岔箱梁橋面板翹曲變形分析研究

陳繼太，楊鵬健

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

0 前言

在此之前，從選線方案研究開始，要求道岔位于路基段。為了避免道岔上橋，需要增加線路長度，從而導致投資的增加。即使在無法避免道岔上橋時，也只能采用對結構要求低的有縫線路道岔結構。

隨著鐵路技術的發展及對行車平順性要求的提高，長大干線鐵路開始采用無縫線路。在復雜地形條件下，為節省投資，出現了站前咽喉區無縫線路道岔位于橋上的情況。

太原至中衛(銀川)鐵路是《中長期鐵路網規劃》中，西北至華北新通道的重要組成部分，線路全長751 km，新建車站37個。由于線路方案整體走向、地形等因素控制，3個車站內4座高架橋，須鋪設橋上無縫道岔，鐵路首次出現了無縫道岔箱梁。

1 研究內容

為滿足站內橋上鋪設無縫道岔的要求，使無縫道岔及軌下梁部結構設計安全合理，有必要對橋梁結構變形進行深入研究。

橋梁的上部結構直接承受列車荷載，為保證列車運行安全和旅客乘坐舒適，除加強結構的整體性，提高上部結構的剛度，以提高結構整體的動力特性，使其滿足頻率限值的要求外，對道岔區橋面板進行翹曲變形等局部分析，也是十分必要的。其中：

根據《200公里客貨共線暫規》第5.3.1條規定：“在中-活載作用下，一個軌距寬度內3.0m梁長的扭曲變形應滿足：t≤3.0 mm(見圖1)。多線橋梁按產生扭曲的最不利工況加載?！?/p>

圖1 橋面允許扭轉變形示意圖

本文結合工程實際，分別分析不同橋面板厚度的翹曲變形，選擇滿足使用要求的厚度，為今后類似項目提供設計參考。

2 工點簡介

選取太中線3站4橋道岔梁中，岔線分布最具代表性的綏德站二十里鋪無定河特大橋(32.7+3×40+32.7)m連續梁進行分析計算。

綏德站中衛端跨越無定河而設二十里鋪無定河特大橋。太中銀車場中衛端八字渡線及神延上下行線與太中銀線間渡線共10組60kg/m的12號道岔，位于二十里鋪無定河特大橋上。綏德站布置如圖2所示。

圖2 綏德站示意圖

二十里鋪無定河道岔梁采用(32.7+3×40+32.7)m連續梁，單箱三室等截面箱梁，橋寬22.66 m，局部翼緣板加寬1 m。兩腹板間橋面板最大計算跨徑5.3 m，端橫隔梁厚2 m，中跨跨中橫隔梁厚0.2m。梁上布置兩組道岔，橫向設置四個支座，支座均位于各腹板中心位置。道岔布置如圖3所示。

圖3 道岔梁正線與渡線布置示意圖

3 橋面翹曲變形檢算

3.1 設計理論

依據《200公里客貨共線暫規》第5.3.1條規定，根據1點到3點組成平面距離的幾何關系(見圖4)，經簡化得到公式如下：

一線兩根鋼軌豎向相對變形：

擬定橋面板厚度分別為25 cm、30 cm、35 cm，建立模型，檢算道岔梁3.0 m梁長的翹曲變形是否滿足規范的限值要求。并根據結果，選擇滿足規范要求的橋面板厚度。

圖4 結構扭轉變形計算圖示

3.2 設計荷載

采用“中-活載”。利用各種岔線偏載對中跨橋面板橋面板翹曲變形進行檢算。

3.3 荷載組合

為了方便加載，將“中-活載”換算為節點荷載和2.5 m寬的均布面荷載。

首先，考慮以下3種主要荷載組合：

組合1：Ⅰ-Ⅲ線間渡線偏載；

組合2：Ⅰ-Ⅱ線間渡線偏載；

組合3：Ⅲ線與Ⅰ-Ⅱ線間渡線偏載。

經過MIDAS建模分析，荷載組合1橋面板翹曲變形最為不利。故檢算時，僅對荷載組合1，根據“中-活載”的集中荷載和均布荷載分布位置情況，每種頂板厚度考慮六種工況：

(1)集中荷載布置在小里程梁端；

(2)集中荷載布置在大里程梁端；

(3)集中荷載布置在跨中，均布荷載沿小里程方向；

(4)集中荷載布置在跨中，均布荷載沿大里程方向；

(5)集中荷載布置在3/4跨中，均布荷載沿小里程方向；

(6)集中荷載布置在3/4跨中，均布荷載沿大里程方向。

3.4 橋面板翹曲模型建立

采用MIDAS軟件進行建模計算。為計算方便，將連續梁中跨簡化為40 m的簡支梁，檢算其在道岔線荷載作用下橋面板的翹曲變形。采用三角形、四邊形板單元對單箱三室箱梁進行離散。因建模的小體積都較為規則，故采用程序自由劃分，并沿道岔荷載作用處，對單元進行了加密。計算模型如圖5、圖6所示。

圖5 MIDAS板單元模型

圖6 MIDAS箱梁截面板單元模型

計算中沿道岔線路路徑加載，依次取標準軌距(取1.5 m)兩側節點的豎向位移，然后以3 m間距確定4個節點，利用這4個節點位移計算這一范圍內的結構翹曲變形(見圖7)。

圖7 MIDAS橋面板翹曲變形圖示

3.5 計算結果及分析

每個不同橋面板厚度的6種工況，用MIDAS計算得到道岔線路所經的全部橋面板的豎向位移△1、△2、△3、△4，推算得到每3 m范圍內橋面板的相對變形t。詳細數據見表1～表3所列。

對于三種不同厚度的橋面板結構，翹曲變形檢算所得最大相對位移見表4所列。

由表1～表3、表4的匯總結果可見，三種頂板厚度橋面節點的豎向位移主要是由箱梁的整體位移引起，相對位移較小。各工況的3 m范圍內，最大相對位移不足1 mm,遠小于規范要求的最大值3 mm。

4 結語

經檢算，太中線3站4橋道岔梁，在岔線的斜向活載作用下，橋面板厚度不受翹曲變形控制，而是應力、配筋構造等控制。

太中銀鐵路已于2011年全線通車，運營表明，橋上鋪設無縫道岔的箱梁工作情況良好。同時，該研究成果在京滬高鐵、京石客專、津保鐵路等有砟、無砟線路橋上鋪設無縫道岔工點的設計過程中得到重復驗證。

表1 25 cm頂板厚橋面板位移及相對變形(節選)一覽表

表2 30 cm頂板厚橋面板位移及相對變形(節選)一覽表

表3 35 cm頂板厚橋面板位移及相對變形(節選)一覽表

表4 三種厚度橋面板最大相對位移匯總表

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