四線橋上鋪設(shè)無縫道岔群與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器研究

李保友

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 引言

玉磨鐵路是中老昆萬鐵路國內(nèi)段，位于云南省南部，起點(diǎn)是玉溪站，終點(diǎn)是中老邊境磨憨口岸。本線正線為160 km/h客貨共線鐵路，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。正線以鋪設(shè)有砟軌道為主，在地質(zhì)情況良好且長度大于6 km的隧道內(nèi)鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道。南溪河站位于元江站與墨江站之間，為緩開越行站，車站設(shè)到發(fā)線4條（含正線2條，到發(fā)線2條），到發(fā)線有效長度按880 m設(shè)計。車站小里程5#～7#單渡線和9#道岔位于南溪河四線橋上。受地形和地物控制，南溪河四線橋橋跨布置采用2×32 m+44 m+80 m+44 m道岔連續(xù)梁+2×32m簡支T梁+43 m+96 m+2×128 m+96 m+43 m剛構(gòu)連續(xù)梁+2×32 m簡支T梁，橋梁全長913.8 m，主墩墩高分別為90 m、125 m、107 m，橋梁總布置圖見圖1。

道岔里軌由于溫度變化引起的伸縮不僅造成里軌與基本軌相互作用，而且通過扣件、橋面系引起道岔與橋梁的相互作用。道岔-橋梁相互作用是這兩種作用相互耦合與相互疊加后的綜合效果[1，2]。本橋道岔梁與大跨度主橋臨近，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時橋上鋪設(shè)無縫道岔群后，道岔群與道岔梁和大跨度連續(xù)梁之間的相互作用更加復(fù)雜，使得橋上無縫道岔群設(shè)計更為困難。道岔結(jié)構(gòu)由多個部件組成，梁軌相互作用下，道岔結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)滿足強(qiáng)度及變形要求，從而確保道岔結(jié)構(gòu)滿足轉(zhuǎn)換功能[3]。本文旨通過調(diào)整道岔群的布置位置、小阻力扣件鋪設(shè)長度和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器鋪設(shè)方案，研究道岔群受力和變形特點(diǎn)，最終完成四線橋上無縫道岔設(shè)計，并提出橋上無縫道岔群設(shè)計指導(dǎo)意見，為我國橋上無縫道岔群設(shè)計提供參考，最終完成無縫道岔群與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器鋪設(shè)。

2 計算模型及計算參數(shù)

2.1 計算模型

將道岔和橋梁作為一個相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)，根據(jù)道岔-橋梁相互作用原理，建立“岔梁墩一體化”有限元模型，基于ANSYS二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行道岔-橋梁相互作用非線性有限元分析[4]。把橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個由道岔、岔枕、梁體組成的3層結(jié)構(gòu)體系，道岔和岔枕之間的扣件采用彈簧模擬，岔枕和梁體通過彈簧連接[5]。有砟橋上無縫道岔平面模型見圖2，有砟橋上無縫道岔立面模型見圖3，橋梁墩臺與道岔布置簡圖見圖4。道岔與橋梁相互作用力包括伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3、制動/牽引力T4。

圖2 有砟橋上無縫道岔平面模型

圖3 有砟橋上無縫道岔立面模型

圖4 橋梁墩臺與道岔布置簡圖

2.2 計算參數(shù)

道岔采用12號GLC（08）01道岔，軌道采用60 kg/m U75V鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、新Ⅲ型混凝土橋枕、一級碎石道砟，小阻力扣件采用石龍橋小阻力扣件，最高軌溫62.5℃，最低軌溫-0.1℃，鎖定軌溫35℃±5℃，計算參數(shù)按照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》取值。列車荷載采用中荷載，加載長度取400 m，輪軌黏著系數(shù)取0.164。橋梁墩臺縱向水平單線剛度見表1。

表1 橋梁墩臺縱向水平單線剛度kN/cm

3 檢算項(xiàng)目及方法

有砟橋上無縫道岔檢算項(xiàng)目包括：鋼軌強(qiáng)度檢算、道岔聯(lián)結(jié)部件強(qiáng)度檢算、尖軌尖端相對基本軌位移檢算、可動心軌尖端相對翼軌位移檢算、道岔轉(zhuǎn)轍器與橋梁相對位移檢算、轍叉與橋梁相對位移檢算、鋼軌斷縫檢、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢算。檢算方法按照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行。

4 無縫道岔群計算分析

4.1 方案一：全橋鋪設(shè)常阻力扣件

全橋鋪設(shè)常阻力扣件，主橋連續(xù)梁兩端不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，計算梁軌相對位移和鋼軌應(yīng)力，分析不滿足規(guī)范的位置和原因，有針對性地優(yōu)化無縫道岔群設(shè)計。根據(jù)道岔圖知，5#道岔與9#道岔并行布置，本文以5#道岔所在的第二股道為例進(jìn)行分析。

1）鋼軌降溫40.1℃，梁體降溫15℃，方案一第二股道鋼軌伸縮附加縱向力見圖5。

圖5 方案一第二股道鋼軌伸縮附加縱向力圖

溫降作用下基本軌最大伸縮附加拉力為777 kN。鋼軌強(qiáng)度計算結(jié)果匯總見表2。

表2 鋼軌拉應(yīng)力強(qiáng)度檢算

由表2計算結(jié)果可知，連續(xù)梁端部鋼軌強(qiáng)度不滿足要求，須優(yōu)化無縫線路設(shè)計。

2）溫降作用下道岔尖軌、心軌位移見表3。

表3 尖軌、心軌位移

由表3可知，5#道岔、7#道岔、9#道岔尖軌、心軌的位移均不滿足規(guī)范要求。主要原因是受到發(fā)線有效長度控制，道岔區(qū)位于道岔梁左側(cè)，距離固定支座較遠(yuǎn)。根據(jù)梁軌相對位移關(guān)系，研究適當(dāng)降低到發(fā)線有效長富余量，將道岔群中心向道岔梁固定支座方向移動，對比分析計算結(jié)果，道岔群需向道岔連續(xù)梁固定支座方向平移20 m，尖軌、心軌的位移才能滿足規(guī)范要求。

4.2 方案二：部分地段鋪設(shè)小阻力扣件

5#、7#、9#道岔向橋梁大里程端平移20 m，在0#～1#墩范圍內(nèi)鋪設(shè)小阻力扣件，4#～9#墩范圍內(nèi)鋪設(shè)小阻力扣件，11#～15#墩范圍內(nèi)鋪設(shè)小阻力扣件，其余位置鋪設(shè)常阻力扣件且無伸縮調(diào)節(jié)器。鎖定軌溫調(diào)整為32℃±3℃，鋼軌降溫35.1℃，梁體降溫15℃。方案二第二股道鋼軌制動附加縱向力見圖6。方案二第二股道鋼軌斷軌時基本軌位移見圖7。溫降作用下基本軌最大伸縮附加拉力為610 k N。鋼軌拉應(yīng)力371.9 MPa大于容許應(yīng)力363.0 MPa，不滿足規(guī)范要求。

圖6 方案二第二股道鋼軌制動附加縱向力圖

圖7 方案三第二股道鋼軌基本軌位移圖

4.3 方案三：主橋梁兩端設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

對比分析多種方案后，鋼軌強(qiáng)度仍然不滿足要求。因此，研究在主橋43 m+96 m+2×128 m+96 m+43 m連續(xù)鋼構(gòu)的兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，4#～7#墩、13#～15#墩范圍鋪設(shè)小阻力扣件。鎖定軌溫調(diào)整為32℃±3℃，鋼軌降溫35.1℃，梁體降溫15℃，方案三第二股道鋼軌伸縮附加縱向力見圖8。

圖8 方案三第二股道鋼軌伸縮附加縱向力圖

溫降作用下基本軌溫度力與附加伸縮力之和最大值為398 kN。荷載右橋入，車頭距左橋臺0 m，啟動長度400 m，最大制動附加拉力為364 kN。鋼軌最大拉應(yīng)力339.8 MPa小于容許應(yīng)力363.0 MPa，富余量較大，可靠性好。鋼軌強(qiáng)度、斷縫值、軌道穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文采用有限單元法建立了岔-梁-墩一體化模型，分析了伸縮力和制動力作用下鋼軌強(qiáng)度、斷縫值、道岔聯(lián)結(jié)部件強(qiáng)度、尖軌與心軌位移、軌道穩(wěn)定性、道岔轉(zhuǎn)轍器與橋梁的相對位移及轍叉與橋梁的相對位移，對比分析得出如下結(jié)論：

1）道岔布置在道岔梁端部時，梁軌相對位移較大，尖軌尖端處基本軌相對梁體位移和心軌尖端相對翼軌位移難以滿足規(guī)范要求。應(yīng)將道岔布置在梁軌位移接近的地段，困難條件下，應(yīng)優(yōu)先將道岔群向道岔梁固定支座方向移動。

2）道岔區(qū)扣件阻力大，鋼軌應(yīng)力易超出容許應(yīng)力。因此，在道岔梁前后應(yīng)布置簡支梁為宜。當(dāng)?shù)啦砣核跇蛄号c大跨度連續(xù)梁相鄰時，應(yīng)深入分析全橋梁軌相互作用，根據(jù)鋼軌受力特點(diǎn)，合理設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，嚴(yán)格控制道岔群和橋梁的位移。