沉降對橋上無縫道岔力學特性影響分析

李俊哲，唐進鋒，常征

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

?

沉降對橋上無縫道岔力學特性影響分析

李俊哲，唐進鋒，常征

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

摘要:橋梁沉降在高速鐵路中十分常見，高速鐵路沉降使軌道產生下沉，影響軌道的平順性，進而改變軌道內部力學特性。由于地形等其他因素影響，目前很多高速鐵路道岔鋪設在橋梁上，橋上無縫道岔受力更為復雜，其對沉降尤其敏感。為研究沉降對橋上無縫道岔力學特性的影響，基于Ansys軟件建立道岔-橋梁-墩臺一體化模型，針對不同沉降類型，不同沉降量分析橋上無縫道岔的力學特性。研究結果表明：橋梁沉降影響橋上道岔的溫度力和伸縮位移，沉降量的增加對溫度力和伸縮位移的影響較小。不同沉降類型對道岔力學特性變化規律的影響基本相同。沉降直接影響軌道平順性以及道岔受力變形特性，影響列車安全運行，養護部門應進行有效監控。

關鍵詞：橋上無縫道岔；橋梁沉降；力學特性；有限元法

道岔是鐵路軌道的重要組成部分之一，同時也是軌道的薄弱環節，在高速鐵路建設過程中，由于受到線路、地形等條件限制，同時要滿足軌道的平順性和穩定性等，道岔不可避免的要布置在橋梁上。橋上無縫道岔已經成為高速鐵路的關鍵技術之一，道岔內部、橋梁與道岔之間的相互作用十分復雜[1-3]。由于橋梁的工后沉降或者橋梁其他病害等[4]，使橋梁、軌道等產生沉降變形[5]。過大的沉降變形會影響軌道的平順性[6]，進而影響行車安全。目前，針對橋上無縫道岔的研究比較多，但是多是從道岔本身溫度荷載、伸縮位移等方便考慮[7-9]，缺乏沉降對橋上無縫道岔力學特性影響的研究。針對目前研究的不足，本文基于有限元分析軟件，建立了道岔-橋梁-墩臺計算模型，分析橋梁不同沉降形式、不同沉降量對道岔力學特性的影響規律。

1橋上無縫道岔模型

1.1道岔-橋梁相互作用原理

橋上鋪設無縫道岔是一項較復雜的系統工程，涉及無縫線路，列車軌道系統，橋梁結構等多方面的綜合研究。和橋上無縫線路相比，橋上無縫道岔力學特性更加復雜[10-12]。橋上無縫線路的縱向力是由橋梁變形引起的，而對于橋上無縫道岔，溫度變化引起的橋梁伸縮，列車荷載作用下的撓曲力以及列車制動荷載使橋梁和道岔相互作用，橋梁與道岔之間的縱向相互作用使橋梁的固定支座承受縱向力，同時導致道岔內部部件受力重分布[13-15]，使得道岔內部受力十分復雜。最終道岔和橋梁之間形成一個縱向相互作用的力學平衡體系。

1.2結構模型

計算模型中鋼軌采用三維梁單元模擬，橋梁同樣采用梁單元模擬，扣件采用非線性彈簧模擬，尖軌根端設置限位器，心軌根端設置間隔鐵。軌枕采用梁單元進行模擬。鋼軌與軌枕之間通過非線性彈簧模擬的扣件連接，并約束和耦合鋼軌和軌枕豎向和橫向的位移。橋梁和軌枕之間用梁單元連接，限位器和間隔鐵先用非線性彈簧進行模擬，然后再耦合限位器和間隔鐵處鋼軌節點的縱向位移。18號道岔從距離橋端40.8 m處開始布置。橋梁結構采用7×32 m連續梁橋，固定支座布置在第4個橋墩處。橋上道岔布置示意圖如圖1所示。

在道岔的沉降計算中，模型中將橋梁和道岔用梁單元進行連接，并且約束、耦合橋梁和軌枕節點的豎向和橫向位移，使得橋梁和道岔節點的豎向、橫向位移相同，道岔隨著橋梁墩臺的沉降產生和橋梁相同的豎向位移。圖2為橋梁墩臺發生不均勻沉降時，軌道的豎向變形情況。

圖1　橋上道岔布置示意圖Fig.1 Layout of switch on bridge

圖2　軌道變形圖Fig.2 Deformation of rail

1.3基本假定

1)橋梁溫度變化為單純的升溫或降溫，不考慮梁體溫升溫降的交替變化。

2)尖軌前端與心軌前端可以自由伸縮。

3)鋼軌只產生縱向位移，岔枕可以產生縱向位移并且可以產生轉角。

4)橋梁固定支座能完全阻止橋梁的伸縮變形，固定支座所承受的縱向力全部傳遞至墩臺上。

5)不考慮轍叉角大小的影響，假設里軌與基本軌平行。

1.4計算參數

計算采用18號道岔，橋梁的溫度變化為15 ℃，鋼軌軌溫變化為55 ℃。軌枕間距為0.6 m。在尖軌根端設置3組限位器，限位值都為7.0 mm。在心軌根端設置三組間隔鐵。鋼軌為CHN60軌，彈性模量為210 GPa，線膨脹系數為11.8×10-6/℃。橋梁彈性模量為36 GPa，線膨脹系數為1.0×10-5/℃。橋梁沉降分為均勻沉降和不均勻沉降。根據《高速鐵路設計規范》，墩臺均勻沉降限值為20 mm，相鄰墩臺沉降差為5 mm。結合橋梁沉降特性，確定本文橋梁沉降情況。沉降量曲線如圖3所示。

(a)不均勻沉降；(b)均勻沉降圖3　橋梁沉降幅值Fig.3 Quantity of bridge settlement

本文橋墩沉降量最大值為20 mm，圖4表示橋梁墩臺最大不均勻沉降量為20 mm時，橋梁沉降與道岔的相對位置。其他沉降工況如圖4所示。

圖4　橋梁沉降與道岔的相對位置圖Fig.4 Relative position of bridge settlement and turnout

2橋梁沉降對橋上無縫道岔的影響

在建模計算過程中，沉降的發生只是影響軌道的豎向形位，軌道左右兩股鋼軌產生同樣的沉降量。所以軌道的水平，軌距，軌向均符合規范要求。建模過程中，橋梁的沉降量取值在《高速鐵路設計規范》的容許范圍之內，所以軌道的高低同樣滿足規范要求。綜上，沉降發生后，軌道滿足規范規定的鋪設精度標準，不影響正常通行，但是道岔內部部件受力特性產生了重分布，下文將分別針對道岔直基本軌、里軌和心軌力學特性的變化進行說明。

2.1直基本軌分析

通過比較橋梁沉降量為0 mm和不均勻沉降量為5 mm時的直基本軌力學特性，發現沉降前后直基本軌溫度力和伸縮位移的變化規律基本不變。由于尖軌根端限位器的傳力作用，基本軌溫度力在尖軌根端限位器處產生突變，直基本軌最大伸縮位移在尖軌根端限位器處。圖5為沉降前后基本軌的溫度力和伸縮位移變化。

圖5　沉降前后直基本軌溫度力和伸縮位移比較Fig.5 Comparison of temperature stress and stretching displacement of straight stock rail between before and after settlement

從表1可以看出，橋梁發生沉降前，基本軌最大溫度力為1 008.74 kN。橋梁發生沉降后，由于軌道不平順的增加，橋上無縫道岔的直基本軌溫度力增加，最大溫度力為1 046.54 kN，增加了約38 kN，溫度力明顯增加。隨著沉降幅值的增加，直基本軌溫度力不斷減小，但減小幅度比較小。

表1直基本軌溫度力隨不均勻沉降量的變化

Table 1 Variation of temperature stress of straight stock rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大直基本軌溫度力/KN1008.741046.541039.721033.281027.53

從表2可以看出，橋梁發生沉降之前，最大直基本軌伸縮位移約為5.1 mm。橋梁發生沉降后，由于軌道不平順使得溫度力增大，進一步使得基本軌的最大伸縮位移有所增加，但是隨著橋梁沉降幅值的增大，基本軌伸縮位移的變化情況不太明顯，直基本軌的最大伸縮位移大約為5.5 mm。

表2直基本軌位移隨不均勻沉降量的變化

Table 2 Variation of displacement of straight stock rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大直基本軌伸縮位移/mm5.095.585.565.555.54

通過分析表3和表4，可以發現橋梁沉降類型對基本軌力學特性的變化規律影響不大，直基本軌的最大溫度力和伸縮位移數值相差不大。直基本軌的最大溫度力隨著沉降幅值的增大均略有減小，但減小幅值均比較小，直基本軌伸縮位移基本保持不變。

表3　直基本軌溫度力隨沉降類型的變化

表4　直基本軌位移隨沉降類型的變化

2.2里軌分析

通過比較沉降前后里軌溫度力和伸縮位移可以發現，沉降前后里軌溫度力和伸縮位移的變化規律基本不變，沉降發生后，由于岔區的軌道不平順增加，故里軌溫度力有所增大，同時，里軌伸縮位移有所增加。通過觀察里軌溫度力的變化可以發現，里軌溫度力在尖軌根端的限位器處產生突變。圖6表示沉降前后里軌溫度力和伸縮位移的變化。

(a)溫度量；(b)伸縮位移圖6　沉降前后里軌溫度力和伸縮位移比較Fig.6 Comparison of temperature stress and stretching displacement of switch rail between before and after settlement

從表5可以看出，沉降發生前，里軌溫度力約為774 kN。由于橋梁墩臺的沉降，尖軌與基本軌、心軌和翼軌的配合尺寸發生變化，增加了轉轍器和轍叉區不平順。沉降發生后，軌道不平順使道岔部件內力重分布，里軌溫度力有所增大。發生不均勻沉降5 mm后，里軌溫度力增大為928.4 kN，增加了約154 kN。同時，隨著沉降量的增大，里軌溫度力略有減小，但是減小幅值比較小。

表5里軌溫度力隨不均勻沉降量的變化

Table 5 Variation of temperature stress of switch rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大里軌溫度力/N773.9928.4926.4925.8923.5

通過表6數據比較可以發現，沉降發生后里軌伸縮位移增大。當橋梁不發生沉降時，里軌伸縮位移大約為7.9 mm，橋梁墩臺的沉降使得軌道不平順增大，道岔內部構件之間受力變形發生改變。當不均勻沉降量為5 mm時，里軌伸縮位移約為10.0 mm，增大了2.1 mm。同時還可以發現，隨著沉降量的增大，由于里軌溫度力的變化量比較小，使得里軌伸縮位移基本保持不變。

表7和8表示不同沉降量，不同沉降類型下里軌溫度力和伸縮位移的變化。從表中數值可以看出，均勻沉降和不均勻沉降對里軌溫度力和伸縮位移的影響基本一致。和沉降前相比，橋梁沉降發生后，里軌溫度力和伸縮位移均有所增大。但是，沉降幅值的增大對里軌溫度力和伸縮位移的影響不大。

表6里軌位移隨不均勻沉降量的變化

Table 6 Variation of displacement of switch rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大里軌伸縮位移/mm7.910.010.010.09.9

表7　里軌溫度力隨沉降類型的變化

表8　里軌位移隨沉降類型的變化

2.3心軌分析

圖7表示沉降前后心軌溫度力和伸縮位移的變化。通過觀察圖7可以發現，沉降前后心軌溫度力和伸縮位移的變化規律基本保持不變。橋梁沉降發生后心軌溫度力和伸縮位移均有所增大，間隔鐵前端心軌所受溫度力比較小。由于間隔鐵傳遞里軌的溫度力，故心軌溫度力在間隔鐵處有突變發生，溫度力突然增大。心軌前端伸縮位移增大，心軌伸縮位移在間隔鐵后產生突變。

(a)溫度力；(b)伸縮位移圖7　沉降前后心軌溫度力和伸縮位移比較Fig.7 Comparison of temperature stress and stretching displacement of point rail between before and after settlement

表9表示心軌溫度力隨不均勻沉降量的變化。通過觀察表9中數據可以得出結論，沉降發生后，心軌溫度力有所增大。橋梁沉降前，心軌最大溫度力為936.4 kN，發生5 mm不均勻沉降之后，增大了軌道的不平順。心軌溫度力增大為1 030.3 kN，增大了約94 kN。但是，隨著沉降幅值的增大，心軌溫度力基本不變。

表9心軌溫度力隨不均勻沉降量的變化

Table 9 Variation of temperature stress of point rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大心軌溫度力/kN936.41030.31030.31030.31030.3

分析表10中數據，橋梁沉降發生后，隨著心軌溫度力的增大，心軌伸縮位移有所增大。發生沉降前，心軌伸縮位移為3.0 mm，當橋墩發生5 mm不均勻沉降之后，心軌伸縮位移增大為3.3 mm，增大了0.3 mm。和心軌溫度力變化規律相同，隨著沉降幅值的增大，心軌最大伸縮位移基本不變。

表10心軌位移隨不均勻沉降量的變化

Table 10 Variation of displacement of point rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大心軌伸縮位移/mm3.03.33.33.33.3

表11和12分別表示心軌溫度力和伸縮位移隨沉降幅值的增加和沉降類型的變化的變化規律，分析表11和12中的數據可以發現，橋梁沉降類型對心軌溫度力和伸縮位移的變化影響不大，最大心軌溫度力大約為1 030 kN，最大伸縮位移約為3.3 mm。心軌力學特性在不同橋梁沉降類型的影響下變化規律基本不變。

表11　心軌溫度力隨沉降類型的變化

表12　心軌位移隨沉降類型的變化

3結論

1)沉降發生后，基本軌力學特性變化規律基本不變。岔區直基本軌溫度力增大，但隨著沉降幅值的增大，基本軌溫度力有所減小。沉降發生后，基本軌伸縮位移增大，隨著沉降量的增大，基本軌伸縮位移有所減小，但是減小幅度很小。

2)沉降發生后，里軌溫度力增大，在限位器處，里軌溫度力有突變發生。隨著沉降量的增大，里軌溫度力略有減小，但是減小幅值比較小。里軌伸縮位移基本不變。

3)沉降發生后，心軌溫度力增大，在間隔鐵處，心軌溫度力有突變發生。隨著沉降幅值的增大，心軌溫度力基本不變，同樣，心軌伸縮位移也基本不變。心軌位移在間隔鐵后有突變。

4)橋梁不同沉降類型對基本軌、里軌、心軌力學特性的影響基本相同。橋梁沉降影響軌道平順性及橋上道岔受力變形狀態。鐵路維護部門應進行監控。

參考文獻：

[1] 楊榮山，劉學毅，王平，等．簡支梁橋上無縫道岔縱向力影響因素分析[J]．西南交通大學學報，2008，43(5)：666—672．

YANG Rongshan，LIU Xueyi，WANG Ping，et a1．Analysis of factors influencing longitudinal force of welded turnout on simply supported beam bridge[J]．Journal of Southwest Jiaotong University．2008，43(5)：666—672．

[2] 高亮，陶凱，曲村，等．客運專線橋上無縫道岔空間力學特性的研究[J]．中國鐵道科學，2009，30(1)：29—35．

GAO Liang，TAO Kai，QU Cun，et a1．Study on the spatial mechanical properties of welded turnout on the bridges for passenger dedicated lines[J]．China Railway Science，2009，30(1)：29—35．

[3] 于雷，唐進鋒，尤瑞林.簡支梁橋上無縫道岔溫度力與位移計算[J].鐵路計算機應用，2009，4(4):3-7.

YU Lei, TANG Jinfeng, YOU Ruilin. Calculation of temperature stress and displacement of joinless switch on simple supported beam bridge[J]. Railway Computer Application,2009，4(4):3-7.

[4] 石現峰，李建斌．溫度對板式無砟軌道結構的影響研究[J]．鐵道工程學報，2008(5)：30-45．

SHI Xianfeng，LI Jianbin．Research on temperatureeffect on the structure of slab ballastless track[J]．Journal of Railway Engineering Society，2008(5)：30—45．

[5] 石瑞喜．橋墩差異沉降規律及其對軌道高低平順性的影響[J]．四川建筑，2013，33(1)：94—95，99．

SHI Ruixi．The law and effect to the regularity of track under the uneven settlement of bridge pier[J]．Sichuan Architecture，2013，33(1)：94—95，99．

[6] 唐進鋒,尹華拓,曾志平,等.溫度梯度作用下板式無砟道岔岔區板力學特性分析[J].鐵道科學與工程學報,2011,8(1):24-28.

TANG Jinfeng，YIN Huatuo，ZENG Zhiping，et al. Mechanical characteristic of slab track on switch area under temperature gradient[J]. Journal of Railway Science and Engineering,2011,8(1)：24-28.

[7] 曾志平，陳秀方，趙國藩．連續梁橋上無縫道岔伸縮力與位移計算[J]．交通運輸工程學報，2006，6(1)：34-38．

ZENG Zhiping， CHEN Xiufang， ZHAO Guofan．Calculation of longitudinal force and displacement of seamless turnout on continuous beam bridge[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2006，6(1)：34-38．

[8] 劉衍峰，高亮，馮雅薇．橋上無縫道岔受力與變形的有限元分析[J]．北京交通大學學報(自然科學版)，2006，30(1)：66-70．

LIU Yanfeng,GAO Liang,FENG Yawei.Finite element analysis of jointless turnout on bridge[J].Journal of Beijing Jiaotong University(Natural Science Edition)，2006，30(1)：66-70．

[9] 徐慶元，陳秀方，周小林，等．橋上無縫線路附加力計算模型研究[J]．長沙鐵道學院學報，2003，21(3)：14—18．

XU Qingyuan。CHEN Xiufang，ZHOU Xiaolin，et al．Investigation on mechanics model of additional longitudinal forces transmission between continuously welded rails and bridges[J]．Journal of Changsha Railway University，2003，21(3)：14—18．

[10] GAO L,QU C,QIAO S L.Analysis on the influencing factors of mechanical characteristics of jointless turnout group in ballasted track of high-speed railway[J].Science China:Technology Sciences,2013(2):499-508.

[11] SUN Shuli, ZHANG Wenjian, WANG Zhaohu, et al. Design of unballasted track bridges on Beijing——Tianjin intercity railway[J]. Engineering Sciences,2011(4):59-70.

[12] 楊榮山,劉學毅,王平.橋上無縫道岔縱向力計算理論與試驗研究[J].鐵道學報，2010，32(4)：134-140.

YANG Rongshan，LIU Xueyi， WANG Ping.Research on longitudinal force computation theory and experiment of welded turnout on bridge[J].Journal of the China Railway Society,2010,32(4)：134-140.

[13] 孫大新，高亮，劉衍峰．橋上無碴軌道無縫道岔力學特性分析[J]．北京交通大學學報，2007，31(1)：89—92．

SUN Daxin，GAO Liang，LIU Yanfeng．Analysis of meehanieal characteristics to the jointless switch on ballastless bridge[J]．Journal of Beijing Jiaotong University，2007，31(1)：89—92．

[14] REN Juanjuan,LIU Xueyi. Occasional forces and displacements of longitudinally coupled ballastless jointless turnout on bridges[J]. Journal of Southwest Jiaotong University(English Edition),2010(1):1-7.

[15] ZHANG Yao,YANG Guanling,SONG Yang,et al. Force path analysis of ballasted jointless bridge turnout[J]. Journal of Southwest Jiaotong University(English Edition),2010(4):309-313.

(編輯蔣學東)

Influence of bridge settlement on mechanical properties of welded turnout

LI Junzhe, TANG Jinfeng, CHANG Zheng

(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

Abstract:Settlement of bridge is very common in the high-speed railway. The settlement of high-speed railway causes the settlement of track, affects the irregularity of track, and results in the hidden danger for the train running. Due to the terrain and other factors, many high-speed railway turnouts are laid on the bridge now. The stress of the welded turnout on the bridge is more complex. Especially, the welded turnout on the bridge is sensitive to the settlement. In order to study the influence of bridge settlement on mechanical properties of welded turnout, the turnout -bridge- pier model was established in this paper based on the ANSYS finite element analysis software and the mechanical properties of the welded turnout on bridge were analyzed according to different settlements. The results show that bridge settlement affects both the temperature force and the expansion displacement. The increase of the settlement amplitude has a little effect on temperature stress and the expansion displacement. The influence of different bridge settlement types on the mechanical properties of the turnout is basically same. The settlement directly affects the track regularity and the forced deformation properties of the turnout, which would affect train safety operation. So it should be monitored by the maintenance department.

Key words：welded turnout on bridge；bridge settlement；mechanical properties；finite element method

中圖分類號：U213.6

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0250-07

通訊作者：唐進鋒(1965-)，男，湖南常德人，副教授，從事高建與重載鐵路軌道工程應用研究；E-mail: csutif@csu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金資助項目(E080704)

收稿日期：2015-06-15