橋上道岔岔區軌枕埋入式無砟道床布置研究

2017-05-18 01:09:25楊明輝

四川建筑 2017年2期

楊明輝

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

橋上道岔岔區軌枕埋入式無砟道床布置研究

楊明輝

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

文章建立了“無縫道岔-無砟道床板-橋梁-橋墩”一體化模型，用非線性有限元程序，分析了岔區無砟道床板分塊數量、道床橫向凹槽位置、道岔連續梁固定支座位置對道岔、無砟道床和橋墩的影響。結果表明：橋上42號道岔岔區軌枕埋入式無砟道床板分為5塊，轉轍器及轍叉區域的道床板橫向凹槽布置在尾部，其余橫向凹槽布置在板中，連續梁固定支座位于道岔岔心前端，是較為合理的布置方案。

橋上無縫道岔； 42號道岔；軌枕埋入式；無砟道床

為提高高速鐵路正線與另一正線之間的聯絡線道岔側向通過速度，多采用大號碼道岔，如38號、42號、62號道岔等，側向通過速度分別可達140 km/h、160 km/h、220 km/h。目前， 42號道岔應用需求相對較多，而其岔區軌枕埋入式無砟道床長達160余米，當鋪設于橋梁上時，普遍采用道床板分塊、橋梁(底座)上設縱橫向凹槽限位道床板并在道床板與橋梁(底座)間設隔離層可相對滑動的結構，橋梁、道床板以及道岔鋼軌在溫度變化作用下相互耦合、相互影響，受力復雜，有必要研究溫度荷載下岔區無砟道床布置對岔-板-橋縱向相互作用的影響規律，以指導橋上42號道岔岔區無砟

道床的設計。

1 計算模型

根據岔區軌枕埋入式無砟道床結構設計和梁軌相互作用原理，把橋上無縫無砟道岔結構看作一個由道岔、道床板、梁體組成的三層結構體系，岔區前后的橋上雙塊式無砟軌道看作一個由鋼軌、梁體組成的兩層結構體系，建立“無縫道岔-無砟道床板-橋梁-橋墩”相互作用的一體化模型[1-5](圖1)。道岔和道床板之間的扣件采用彈簧模擬，岔區道床板和梁體、梁和固定墩通過彈簧連接，雙塊式無砟軌道和梁體錨固連接。

圖1 帶限位凹槽的橋上無縫道岔計算模型立面

然后利用ANSYS 軟件開放的體系結構，基于ANSYS二次開發技術，編制梁軌相互作用非線性有限元程序，自動完成有限元建模、荷載的施加和方程的求解。

2 計算參數

以某高速鐵路一組60 kg/m 鋼軌42號可動心軌無縫無砟道岔布置在(7×32.7) m 連續梁上為例，該無縫道岔全長157.2 m，位于連續梁中部，道岔頭尾距離道岔梁兩端分別為47 m和24 m，道岔梁固定支座位于道岔理論岔心前10 m。道岔與橋梁、墩臺位置關系布置如圖2所示。

圖2 橋梁、墩臺與道岔布置

道岔區鋪設軌枕埋入式無砟道床，長度為168.6 m，道床板和底座采用分塊結構，道床與底座間鋪設“兩布一膜”滑動層，底座上設一定數量的縱、橫向凹槽以對道床板限位，凹槽四周鋪設彈性緩沖橡膠墊，底座通過預埋鋼筋與橋梁連接為一體。其余地段鋪設CRTS I型雙塊式無砟軌道，鋪設WJ-8型常阻力扣件。

42號道岔結構參數按圖號“客專線(07)006”道岔取值；道岔扣件阻力、道岔限位器和間隔鐵阻力等參數取值參見《無縫道岔計算理論與設計方法》[6]；依據彈性緩沖橡膠墊技術條件[7]計算，橫向凹槽用橡膠墊剛度取700 kN/mm；參照《鐵路無縫線路設計規范》[8]，無砟軌道橋梁日溫差取30℃，由于無砟道床板位于橋面上，且由于箱梁的“溫室效應”，道岔無砟道床板的升降溫幅度較橋梁大，因此無砟道床溫差取35℃，為使本研究的適應性更廣，鋼軌升溫或降溫幅度取45℃；各梁跨均為整體箱梁，道岔梁的固定墩剛度為2×105kN/m。

3 無砟道床分塊數量的影響

考慮道岔敏感設備的需要，道床板長度宜按照道岔結構轉轍器區、導曲線區、轍叉區三大部分進行道床板長度劃分，保證所有信號轉轍機設備都在同一塊道床板上；由于轉轍機的設備安裝要求，道岔區道床板需要設計多處轉轍機連接桿溝槽，削弱了道床截面強度，為減弱道床應力集中，保證道床強度，橫向凹槽位置盡量避開轉轍機連接桿溝槽區域。因此，岔區無砟道床分塊考慮以下四種方案：

方案一：3 塊道床板，轉轍器區域道床板在尾部設橫向凹槽，其余道床板在板中設橫向凹槽，每塊板分別長約49.4 m、56.9 m、62.3 m(從岔首至岔尾，下同)；

方案二：4 塊道床板，轉轍器區域道床板在尾部設橫向凹槽，導曲線區域道床板在板中設置橫向凹槽，其余道床板在首部設置橫向凹槽，每塊板分別長約49.4 m、56.9 m、36.5 m、25.8 m；

方案三：5 塊道床板，轉轍器及轍叉區域的道床板在尾部設橫向凹槽，其余道床板在板中設橫向凹槽，每塊板分別長約49.4 m、28.2 m、28.9 m、36.5 m、25.8 m；

方案四：6塊道床板，轉轍器區域的道床板在尾部設橫向凹槽，其余道床板在板中設橫向凹槽，每塊板分別長約36.2 m、26.2 m、26.2 m、24.2 m、28.0 m、27.7 m；

四種方案計算結果對比如表1所示。

表1 計算結果對比

注：表中“-”表示方向向左，反之向右，下同。

從表1中可見，道床板分塊數量對基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小，原因是道岔布置距離連續梁梁縫較遠；道床板分塊數量越多，直尖軌尖端相對基本軌位移、心軌尖端相對翼軌位移、心軌或尖軌牽引點處基本軌與橋梁最大相對位移均呈降低趨勢，說明對信號轉轍機的運轉更有利，但連續梁固定支座橋墩縱向力則呈增加趨勢；道床板分塊數量對橫向凹槽受力影響最大，可從1 912 kN降到最小的632 kN，這對凹槽受力非常有利，還可減少設置橫向凹槽的數量。綜合各因素分析，42號道岔采用5塊無砟道床板是較為合理的。

4 無砟道床橫向凹槽位置的影響

岔區無砟道床板分為5塊，橫向凹槽位置研究以下四種方案：

方案三：轉轍器及轍叉區域的道床板橫向凹槽設在尾部，其余道床板橫向凹槽設在板中；

方案五：轉轍器及轍叉區域的道床板橫向凹槽設在首部，其余道床板橫向凹槽設在板中；

方案六：道床板橫向凹槽均設在板中；

方案七：轉轍器區域的道床板橫向凹槽設在尾部，其余道床板橫向凹槽設在首部，即所有道床板橫向凹槽均設在鄰近道岔梁固定支座一端。

四種方案計算結果對比如表2所示。

表2 計算結果對比

從表2中可見，道床板橫向凹槽位置對基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小，原因是道岔布置距離連續梁梁縫較遠；方案五，橫向凹槽受力最小，但固定支座橋墩縱向力、直尖軌尖端相對基本軌位移稍大，另外，橫向凹槽設置在岔首，位于薄弱的轉轍機連接桿溝槽區域，道床存在應力集中，削弱了道床截面強度；方案七，橫向凹槽受力最大，說明橫向凹槽按鄰近連續梁固定支座布置，對凹槽受力不利，需要增加橫向凹槽設置數量；方案六和方案三對比，各檢算項目的結果基本一致，方案六的尖軌、心軌牽引點處基本軌與橋梁最大相對位移更小，有利于信號轉轍機的運轉，但是轉轍器及轍叉區域的道床板橫向凹槽設在板中，位于薄弱的轉轍機連接桿溝槽區域，道床存在應力集中，削弱了道床截面強度。綜合各因素分析，42號道岔5 塊無砟道床板按方案三設置橫向凹槽是較為合理的。

5 連續梁固定支座位置的影響

岔區無砟道床板按方案三分塊和設置橫向凹槽，在使連續梁相同溫度跨度情況下，固定支座位置考慮以下2種方案：

方案八：固定支座位置位于5#墩(圖2)；

方案九：固定支座位置位于6#墩，鄰近簡支梁支座相應調整。

兩種方案計算結果對比如表3所示。

從表3中可見，固定支座位置對各檢算項目影響較大，在6#墩時，間隔鐵受力、連續梁固定墩縱向力降低幅度較大，但基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、心軌尖端相對翼軌位移等檢算項目增幅較大，對鋼軌受力和心軌轉轍機運轉不利，這正是橋上無縫道岔設計主要的控制因素。因此，綜合各因素分析，在相同溫度跨度時，固定支座位置位于5#墩更為合適，即連續梁固定支座位于道岔的理論岔心前端是較為合理的。