京滬高速鐵路徐滬段橋上板式無砟無縫道岔設計研究

王玉澤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

京滬高速鐵路徐滬段有多座車站的多組道岔位于橋上，共有59組18號橋上道岔、8組42號橋上道岔，其中全長164 km的丹陽至昆山特大橋包含了蘇州北站、無錫東站、常州北站、昆山南站4座高架車站。徐滬段橋上無縫道岔工況極其復雜，無縫道岔、無砟軌道、橋梁結構設計都存在諸多技術難點，成為制約京滬高速鐵路軌道工程的技術瓶頸。

從2005年開始，國內科研單位對橋上軌枕埋入式無砟軌道無縫道岔進行計算理論和設計方法研究，研究成果已經在武廣高速鐵路、滬寧城際鐵路得到應用。但到本設計為止，國外還沒有橋上鋪設板式道岔的先例，國內僅在武廣高速鐵路郴州西站雷大橋特大橋試鋪了2組18號道岔(單渡線)，橋上鋪設42號板式道岔研究與實踐在國內外均屬首次。開展京滬高速鐵路橋上板式無砟無縫道岔設計研究不僅是為了解決工程中的技術難題，同時對于我國高速鐵路橋上無縫道岔技術發展和進步也具有重大意義。

1 徐滬段橋上無砟無縫道岔結構組成和結構特點

1.1 結構組成

橋上底座縱連式無砟道岔結構自上到下由鋼軌、扣件系統、道岔板、砂漿墊層、底座板、滑動層、硬泡沫塑料板、加高層、剪力齒槽、側向擋塊、摩擦板、端刺等組成，岔區軌道結構高度710 mm。橫斷面如圖1所示。

圖1 京滬高速鐵路橋上板式道岔橫斷面(標高單位:mm)

1.2 結構特點

1)京滬高速鐵路采用新鐵德奧高速道岔，18號單開道岔全長69 m，前長31.729 m，后長37.271 m，直向通過速度350 km/h，側向通過速度80 km/h。

2)底座板為跨越梁縫的連續結構，并與岔區以外形成整體;道岔板為分塊的單元板式結構，18號道岔區共由20塊道岔板組成，42號道岔區共由46塊道岔板組成。道岔板與底座板間設錨固銷釘(圖2)。

圖2 道岔板與底座板錨固銷釘位置

3)底座板與梁面通過滑動層保持滑動狀態。橋梁固定支座上方的底座板通過梁體預設錨固筋和設置齒槽與梁體固結。

4)道岔梁梁縫兩側1.45 m范圍內鋪設高強度擠塑板，減少梁端變形對軌道結構的影響。

5)采用沿線路縱向一定間距設置側向擋塊的方式，對底座板橫向和豎向進行限位。

6)道岔板與底座板之間設置30 mm厚高彈性模量乳化瀝青水泥砂漿填充層，每塊道岔板與底座通過8根剪力銷進行連接。

2 橋上無縫道岔計算模型和計算方法

針對橋上縱連底座板式無砟軌道無縫道岔的結構特點，將道岔、道岔板、底座板、梁體和墩臺視為一個系統，建立“岔—板—板—梁—墩”一體化模型，如圖3所示。

圖3 “岔—板—板—梁—墩”一體化計算模型

“岔—板—板—梁—墩”一體化計算模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺、摩擦板、端刺、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線性考慮。

在橋上縱連底座板式無砟軌道無縫道岔計算模型中，底座板與梁面間、臺后底座板與摩擦板、扣件縱向阻力等參數具有明顯的非線性特征。根據以上計算模型建立的橋上縱連底座板式無砟軌道無縫道岔縱向力計算非線性有限元力學平衡方程，可采用相應的非線性方程組數值求解方法進行計算。經計算分析，底座板與橋梁間摩擦系數、底座板剛度折減系數對計算橋上無縫道岔受力和變形影響較大。

3 底座結構設計方法

底座混凝土板是橋上無砟軌道無縫道岔系統的主要受力構件，基于開裂后鋼筋混凝土剛度折減理念，按軸向拉壓桿件采用極限狀態法進行力學計算和結構設計。底座板結構設計流程見圖4。

底座板主要檢算內容和方法包括:

1)不同工況軌道系統檢算。考慮結構自重、預應力、橋墩不均勻沉降、橋墩扭曲變形、溫度、混凝土徐變和收縮、列車活載等荷載以及不同荷載組合，進行扣件上拔力檢算，底座抗彎、抗剪及疲勞檢算，高強度擠塑板檢算。

2)軸向受壓檢算?？紤]溫度荷載作用下軌道屈曲穩定性檢算。

圖4 底座板結構設計流程

3)軸向受拉檢算?？紤]底座板開裂后，不同的剛度折減及不同的摩擦系數，進行單線底座板作用下拉力計算，降溫荷載下底座板和鋼軌拉力計算，軌道板與底座板溫差及混凝土收縮荷載下底座板拉力計算，以及制動荷載下底座板拉力計算。

4)根據計算得出的底座板可能承受的最大軸向拉力等設計荷載，按軸向拉壓桿件采用極限狀態法進行配筋設計。

4 道岔梁結構設計

4.1 道岔梁橋式布置

4.1.1 道岔梁橋式布置的一般原則

1)高速鐵路無砟軌道無縫道岔(包括單渡線)應盡可能整組布置在一聯梁上。

2)高速鐵路無縫線路道岔的轉轍器部分、轍叉部分不宜跨越兩聯梁。

3)岔頭、岔尾到梁縫的距離不小于18 m。

4)車站咽喉區道岔，除高速正線無縫道岔下需采用連續梁外，其余到發線道岔下可采用簡支梁結構。

5)為減小梁、軌相對位移及橋梁承受的軌道力，八字渡線區兩聯連續梁之間宜布置兩孔簡支梁。

4.1.2 道岔梁橋式布置

結合京滬高速鐵路鎮江、常州、無錫、蘇州、昆山高架站道岔梁進行研究。

1)渡線區

京滬高速鐵路渡線區道岔梁采用連續梁，跨度包括6×32.7 m，(32+40+56+40+32)m，(32+40+64+40+32)m，(32+40+72+40+32)m 等;同時在兩聯連續梁之間插入簡支梁，以減小梁軌相互作用。

2)典型咽喉區

典型咽喉區18號道岔梁橋式布置采用4×32.7 m連續梁。昆山高架站北京側咽喉區道岔梁受小虞河通航凈空、小虞河路立交凈空控制，采用(35.81+56+35.81)m連續梁。

3)聯絡線42號道岔梁

黃渡聯絡線采用42號道岔從正線出岔。黃渡上行聯絡線道岔梁采用(24+4×32+24)m連續梁;黃渡下行聯絡線道岔梁采用6×32 m連續梁。

4.2 道岔梁結構形式和設計參數

4.2.1 道岔梁結構設計原則

高架站道岔梁設計的主要難點在于橋面寬度變化大(道岔梁寬跨比較大)，且多為單箱多室截面，設計時需考慮橫向偏載的影響。道岔梁對位移要求相對較高，因此采用整體性較好的箱梁，適當提高截面豎、橫向剛度，在滿足結構安全的同時，提高結構動力性能。注意外觀的連續性，6×32 m，4×32 m，6×34 m等小跨連續箱梁外側腹板應與標準設計的32.7 m簡支梁保持一致。

4.2.2 典型道岔梁結構設計

1)渡線區6×32 m連續梁

本梁為等高度、等寬度連續箱梁，截面形式為單箱單室，梁高3.05 m，箱梁頂板全寬12.0 m，因布置道岔轉轍機的需要頂板局部加寬，箱梁采用斜腹板形式。

2)典型咽喉區4×32 m連續梁

主梁采用等高度斜腹板截面，梁高3.05 m。第一、二孔為單箱雙室截面，第三、四孔為單箱三室截面。

道岔梁采用C50高性能混凝土，縱向預應力體系，分段支架現澆施工(從左至右逐孔施工)。

4.3 道岔梁支座布置及下部結構形式

1)梁軌相互作用及單固定支座在縱向的布置:道岔梁縱向固定支座盡量居中布置，以減少溫度跨度，減小梁軌相對位移及軌道力。如6×32 m連續梁固定支座設在全聯的中心。

2)橫向固定支座布置:橫向固定支座布置應保證相鄰兩片梁上的無砟軌道同一根鋼軌的橫向位移差＜1 mm。

3)道岔梁下部結構設計的原則:道岔梁下部結構的剛度適當增大，在滿足橋梁結構安全的同時，減小梁軌相對位移，滿足軌道、道岔各項要求，提高車—岔—橋整體的動力性能。

5 結論

1)橋上道岔區采用縱連底座板結構，與道岔區兩端CRTSⅡ型板式無砟軌道保持了結構的整體性和橋上縱連底座板的連貫性，為道岔區無砟軌道與區間的銜接與過渡提供了良好的條件。

2)“岔—板—板—梁—墩”一體化計算模型和計算方法系統考慮了道岔、無砟軌道、橋梁、墩臺、摩擦板、端刺之間復雜的相互作用關系，能夠真實地反映出橋上板式道岔受力和變形規律。

3)縱連底座板為普通鋼筋混凝土結構，在溫度和活載作用下易出現開裂，必須對底座混凝土板的裂縫寬度進行限制，按裂縫寬度值控制底座混凝土配筋量。

4)京滬高速鐵路徐滬段道岔梁采用連續梁橋式及結構設計是合適的，橋梁結構具有足夠的豎向、橫向剛度和良好的動力特性，既可滿足軌道穩定性、平順性的要求，又能適應城市道路立交凈空要求，景觀方面也較好。

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