高速鐵路大坡道上18號和42號有砟道岔受力分析★

張 榮 鶴

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000)

道岔是鐵路線路的交叉點和薄弱環節，因其結構與輪軌界面的關系復雜，是影響行車平穩性與安全性的關鍵基礎設施[1]。跨區間無縫線路具有列車運行平穩、鋼軌使用壽命長等優點。隨著我國高速鐵路建設的快速深入發展，無縫線路在設計、施工、養護維系和管理等方面均取得了長足發展[2]。無縫道岔作為跨區間無縫線路的關鍵技術之一[3]，在設計理論、關鍵結構、制造工藝、維護技術等方面取得了顯著的進步[4]。但是由于環保、節約用地或者地形條件的限制，部分道岔不得不設置在坡度超過6‰的大坡道上[5]。然而，道岔設在大坡道上不利于行車的安全性和舒適性。目前，相關文獻針對坡度對于無縫道岔影響的詳細系統靜力學分析較少。因此，本文建立大坡道上有砟道岔靜力學模型，在考慮不同坡度的同時，分別針對18號有砟軌道無縫道岔和42號有砟軌道無縫道岔進行靜力學計算分析。

1 靜力學計算模型及檢算方法

1.1 計算模型

利用有限元方法，建立了由道岔、道床、基礎組成的一體化有砟道岔結構模型。計算模型中道床阻力與扣件阻力可按常量或非線性阻力考慮，計算原理參考文獻[6]。基于有限元計算軟件二次開發技術編制了專門用于計算無縫道岔的非線性有限元程序BTCWR，它采用Forturn語言來控制程序流程，可以結合有限元軟件自動完成建模、荷載的施加、方程的求解、計算結果的提取等。建立了靜力學分析模型如圖1所示。

1.2 模型參數

模型采用國產18號、42號客專道岔，18號道岔全長69.0 m，前長a=31.729 m，后長b=37.271 m。42號道岔全長157.2 m，前長a=60.573 m，后長b=96.627 m。

道岔采用的鋼軌為U71Mn(K)，鋼軌屈服強度457 MPa，鋼軌容許應力=457/1.3=351.5 MPa。每組扣件阻力：12.5 kN。單位枕長阻力：3.2 kN/m。

限位器阻力參數：多項式表達的非線性阻力。

f(Fx)=-51.664+4.0×105y-2.834×

108y2+1.142×1011y3-2.383×

1013y4+2.482×1015y5-1.102 1×1017y6kN·m。

間隔鐵阻力參數：多項式表達的非線性阻力。

f(Fx)=40.488+5.8×104y-7.926×

106y2+3.975×108y3+1.105×

1011y4-7.702×1012y5kN·m。

2 靜力學特性分析

為對有砟軌道不同坡度上無縫道岔進行受力研究，建立上述有限元模型進行靜力學受力分析。計算考慮了不同溫度條件、不同的道岔型號以及不同線路坡度等道岔范圍內鋼軌受力、位移等的影響。

2.1 伸縮工況

計算不同的軌溫變化幅度下鋼軌伸縮力變化如圖2所示，提取鋼軌伸縮附加力極值如圖3所示。

從圖2可知，在道岔范圍內的鋼軌伸縮力發生變化。當軌溫變化幅度增大時，18號和42號道岔的鋼軌伸縮力均增大。且由于18號道岔尖軌跟端限位器間隙為7 mm，42號為11 mm，因此在溫變40 ℃,45 ℃時，18號道岔在限位器處由于字母塊貼靠而出現傳力，42號道岔由于字母塊間隙較大，在溫變較高的50 ℃時出現傳力。由圖3可知，在溫變較小，限位器處未開始傳力時，42號道岔的伸縮附加力小于18號道岔，開始傳力時則大于18號道岔，說明道岔內部傳力會引起鋼軌附加力的增大，不利于鋼軌受力。

2.2 制動工況

制動力是列車通過輪軌接觸將力傳至鋼軌，然后通過扣件、軌枕、道砟等結構將其向下傳遞。制動荷載可通過荷載集度施加于軌面，荷載集度可表示為列車設計荷載與輪軌粘著系數的乘積，可表示為：

q=μ×Q。

其中，輪軌粘著系數μ取0.164(參照《鐵路無縫線路設計規范》)。

為模擬車輛在長大坡度道岔上制動，制動荷載應考慮車輛ZK活載的坡道分力。在計算中通過將坡道上的制動荷載轉化為等效輪軌粘著系數μ0實現。在圖4中，設計荷載為Q，平行于軌道的分力F2即為坡道分力：

F2=Q×sinα。

因為α角一般很小，sinα值近似等于tanα，因此F2=Q×tanα，而線路坡度i=H/L=tanα，故F2=Q×i。因此，長大坡道上的荷載集度可表示為q=(0.164+i)×Q。

為探究坡度對列車通過道岔的影響，分別計算了18號、42號道岔鋪設在平坡及5‰,10‰,15‰,20‰,25‰,30‰的坡道上時，列車分別在上坡、下坡方向通過時的制動工況，并提取了不同坡度下計算的列車上坡、下坡的鋼軌制動力極值，結果如圖5所示。

由計算結果可知，列車在大坡度道岔上制動時，在上坡方向制動力隨坡度增大而減小，在下坡方向，制動力隨坡度增大而增大。

坡度為30‰時，18號道岔在上坡方向因列車制動產生的鋼軌力比平坡時減小了11.29%，在下坡方向增大了10.73%；42號道岔在上坡方向因列車制動產生的鋼軌力比平坡時減小了11.30%，在下坡方向增大了10.72%。因此可知在下坡方向制動會引起鋼軌力的增大，且18號、42號道岔的增大幅度均在10.7%左右，可能引起在長大坡道上的鋼軌爬行，不利于有砟道岔區軌道幾何形位的保持，不利于軌道結構安全。

2.3 鋼軌強度檢算

結合以上計算結果，進一步對鋼軌強度進行檢算。鋼軌動彎應力根據線路條件計算為141.37 MPa。考慮取最不利溫度工況，溫變60 ℃，計算不同坡度下的鋼軌應力值如表1所示。由結果可知，鋼軌應力隨坡度增大而增大，說明線路坡度會增大鋼軌應力水平，不利于軌道結構安全，但總體上看，坡度引起的應力增大幅度較小，30‰相較于平坡工況增大了約1 MPa。此外，各坡度下42號道岔鋼軌應力大于18號道岔，但鋼軌強度均滿足限值要求。

表1 鋼軌強度檢算 MPa

2.4 道岔尖軌、心軌相對位移、傳力部件縱向力

表2為各溫變幅度時道岔尖軌、心軌的相對位移。可知各溫度工況下42號道岔的尖軌尖端相對于基本軌伸縮位移和心軌尖端相對于翼軌伸縮位移均大于18號道岔的計算結果，且42號道岔在溫變60 ℃時尖軌尖端相對于基本軌伸縮位移超過限值40 mm，考慮42號道岔鋪設允許最大溫降為55 ℃，此時對應的尖軌相對位移為36.901 mm，能夠滿足規范限值要求。因此18號、42號道岔的尖軌、心軌相對位移均滿足規范要求。

表2 道岔尖軌、心軌的相對位移 mm

由表3可知，各工況下18號、42號道岔的傳力部件縱向力均小于限值。在溫變幅度較低時，42號道岔尖軌跟端限位器(間隙11 mm)未貼靠，其縱向力為0，當溫變幅度較高時，42號道岔尖軌跟端限位器縱向力增幅較大，明顯大于18號道岔，說明當溫度變化幅度較大時，42號道岔的限位器處的尖軌、基本軌傳力更為明顯。

表3 道岔傳力部件縱向力 kN

2.5 道岔穩定性分析

由計算可知，18號、42號道岔在溫變60 ℃時，鋼軌伸縮壓力分別為1 395.20 kN，1 420.20 kN，大于限值1 366 kN。而在考慮18號、42號道岔的設計最大允許溫升分別為49 ℃，45 ℃，對應的鋼軌伸縮壓力小于限值1 366 kN，滿足要求。

3 結語

本文對不同坡道有砟軌道上鋪設18號和42號無縫道岔進行靜力學分析，具體結論如下：1)經計算，鋼軌強度、道岔尖軌、心軌相對位移、傳力部件縱向力及岔區穩定性均滿足限值要求。且相同鋪設條件下42號道岔的各項指標均大于18號道岔。2)道岔通過限位器、間隔鐵傳力會引起鋼軌力增大，不利于鋼軌受力。在下坡方向制動會引起鋼軌力、鋼軌應力的增大，其中18號、42號道岔的鋼軌力增大幅度均在10.7%左右，可能引起在長大坡道上的鋼軌爬行，不利于軌道結構安全。