李秋義

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

橋上無(wú)縫道岔技術(shù)在德國(guó)、法國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣等高速鐵路上都曾得到了應(yīng)用。德國(guó)和法國(guó)建立了軌道-橋梁有限元計(jì)算模型,研究了道岔和橋梁位置關(guān)系。中國(guó)臺(tái)灣高速鐵路采用了德國(guó)橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)技術(shù),采用軌枕埋入式無(wú)砟軌道和德國(guó)BWG公司道岔。目前,我國(guó)正在建設(shè)的客運(yùn)專線有多組道岔以各種形式布置橋上,橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)已經(jīng)成為客運(yùn)專線的關(guān)鍵技術(shù)之一。橋上無(wú)縫道岔問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)學(xué)者高度重視,已有相關(guān)研究成果相繼發(fā)表[1～5]。武廣鐵路客運(yùn)專線樂(lè)昌東站南咽喉正線有4組18號(hào)道岔位于昌山特大橋上,樂(lè)昌東站橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)是軌道工程的技術(shù)難點(diǎn)之一(圖1)。

圖1 樂(lè)昌東站橋上道岔

本文分析了橋上無(wú)縫道岔受力與變形規(guī)律及力學(xué)傳遞機(jī)理,提出了道岔與橋梁相互作用原理,建立了“岔-梁-墩一體化”計(jì)算模型,基于有限單元法提出了道岔與橋梁相互作用計(jì)算方法。以武廣鐵路客運(yùn)專線樂(lè)昌東站南咽喉昌山特大橋橋上無(wú)砟無(wú)縫道岔為例介紹橋上無(wú)縫道岔的設(shè)計(jì)方法。

2 橋上無(wú)縫道岔非線性有限元計(jì)算方法

2.1 道岔-橋梁相互作用原理

道岔-橋梁相互作用原理是橋上無(wú)縫道岔縱向力和位移計(jì)算的理論基礎(chǔ)。道岔-橋梁相互作用原理可以定義如下：在梁體溫度變化、列車荷載、列車制動(dòng)/加速以及道岔里軌隨溫度變化伸縮的作用下,梁和橋上軌道(包括道岔)之間產(chǎn)生相對(duì)位移,橋上軌道(包括道岔)產(chǎn)生鋼軌縱向附加力,對(duì)橋面系作用大小相等、方向相反的反作用力,此力通過(guò)梁、支座傳遞至墩臺(tái),在橋上軌道(包括道岔)與橋梁之間形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系。道岔與橋梁相互作用力包括伸縮力、撓曲力、斷軌力、制動(dòng)力。道岔與橋梁之間的相互作用如圖2所示。

圖2 道岔與橋梁相互作用

2.2 道岔-橋梁相互作用計(jì)算模型

本文利用有限元方法建立了無(wú)砟軌道“岔-梁-墩”相互作用的一體化模型(圖3、圖4),把橋上無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、軌道板、梁體組成三層結(jié)構(gòu)體系,道岔和軌道板之間的扣件采用彈簧模擬,軌道板和梁體通過(guò)彈簧連接。

圖3 橋上無(wú)砟無(wú)縫道岔模型平面

圖4 橋上無(wú)砟無(wú)縫道岔模型立面

2.3 求解方法

根據(jù)“岔-梁-墩”一體化模型,基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)編制了梁軌相互作用非線性有限元程序,利用APDL語(yǔ)言(命令流技術(shù))來(lái)控制程序流程,自動(dòng)完成有限元建模、荷載的施加、方程的求解,可提高計(jì)算精度和工作效率。

3 橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)方法

3.1 橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)的專業(yè)接口關(guān)系

橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到站場(chǎng)、橋梁、軌道3個(gè)專業(yè),需要橋梁、軌道、站場(chǎng)專業(yè)之間的緊密配合、科學(xué)論證、不斷優(yōu)化。首先，站場(chǎng)專業(yè)根據(jù)車站的功能進(jìn)行道岔的布置,然后橋梁專業(yè)進(jìn)行橋梁孔跨的布置以及道岔梁設(shè)計(jì),軌道專業(yè)對(duì)橋上無(wú)縫道岔進(jìn)行設(shè)計(jì)檢算,提出道岔和橋梁布置的調(diào)整意見(jiàn),并提供橋梁專業(yè)墩臺(tái)附加力,橋梁和站場(chǎng)專業(yè)對(duì)方案調(diào)整后軌道專業(yè)重新檢算,直至各項(xiàng)檢算通過(guò),最后確定三方均能接受的方案。橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)的專業(yè)接口關(guān)系如圖5所示。

圖5 橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)的專業(yè)接口關(guān)系

3.2 橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)檢算的內(nèi)容

(1)橋上無(wú)縫道岔鋼軌附加力和位移的計(jì)算。包括鋼軌伸縮力、撓曲力、制動(dòng)力和位移計(jì)算。

(2)墩臺(tái)附加力計(jì)算及墩臺(tái)檢算。包括墩臺(tái)伸縮、撓曲、制動(dòng)附加力、斷軌力的計(jì)算，荷載組合，墩臺(tái)檢算。

(3)橋上無(wú)縫道岔檢算。包括鋼軌應(yīng)力檢算，岔區(qū)無(wú)縫線路穩(wěn)定性(有砟軌道)、道岔限位器和間隔鐵螺栓強(qiáng)度檢算，鋼軌斷縫檢算，轉(zhuǎn)轍器位移、轍叉部分鋼軌允許位移檢算，設(shè)計(jì)鎖定軌溫的確定。

3.3 橋上無(wú)縫道岔的設(shè)計(jì)流程

橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)流程包括四個(gè)步驟：(1)道岔和橋梁的布置；(2)鋼軌力和位移計(jì)算；(3)道岔轍叉和轉(zhuǎn)轍器處梁軌相對(duì)位移檢算；(4)道岔及橋梁相關(guān)檢算。

3.4 橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展方向

根據(jù)國(guó)外的橋上無(wú)縫道岔的發(fā)展歷程、設(shè)計(jì)理念和鋪設(shè)實(shí)踐,可以總結(jié)出我國(guó)橋上無(wú)縫道岔技術(shù)發(fā)展方向。

(1)結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況,堅(jiān)持走以我為主的自主創(chuàng)新之路。

我國(guó)客運(yùn)專線采用道岔類型及結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)形式、橋上無(wú)縫道岔鋪設(shè)的地理環(huán)境和氣候條件、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理都與國(guó)外有明顯的區(qū)別,要解決我國(guó)橋上無(wú)縫道岔問(wèn)題,不能完全照搬國(guó)外的模式,必須走出一條自主創(chuàng)新之路,建立一套自己的具有中國(guó)特色的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。

(2)運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想,將道岔和橋梁作為一個(gè)大系統(tǒng),綜合研究道岔和橋梁的縱橫向相互作用。采用有限元計(jì)算模型和計(jì)算方法分析道岔和橋梁的受力和變形。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定設(shè)計(jì)參數(shù),并盡可能采用非線性參數(shù)以提高計(jì)算精度。

(3)橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì),除了滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求之外,應(yīng)嚴(yán)格控制道岔與橋梁相對(duì)位移。

(4)從大系統(tǒng)角度出發(fā),綜合運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)、輪軌相互作用原理、道岔動(dòng)力學(xué)、橋梁動(dòng)力學(xué)原理,建立列車、道岔、橋梁的耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型,進(jìn)行車岔橋動(dòng)力仿真分析,評(píng)估列車運(yùn)行安全性和舒適性。

(5)理論與實(shí)踐相結(jié)合,通過(guò)橋上無(wú)縫道岔靜力和動(dòng)力試驗(yàn)研究,驗(yàn)證計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。

4 工程實(shí)例

本文以武廣鐵路客運(yùn)專線樂(lè)昌東站南咽喉昌山特大橋上無(wú)砟無(wú)縫道岔為例，介紹橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)方法和流程。昌山特大橋采用無(wú)砟軌道,中心里程DK1 944+691.22,橋全長(zhǎng)863.79 m,橋跨布置為4-32 m簡(jiǎn)支箱梁+1-32 m異型簡(jiǎn)支箱梁+5×32 m連續(xù)梁+1-32 m簡(jiǎn)支箱梁+6×32 m連續(xù)梁+9-32 m簡(jiǎn)支箱梁。咽喉區(qū)6、8號(hào)道岔位于5×32 m變寬連續(xù)梁上,單渡線2、4號(hào)位于6×32 m連續(xù)梁。采用新鐵德奧18號(hào)高速無(wú)砟道岔,岔區(qū)采用軌枕埋入式無(wú)砟軌道。道岔-橋梁布置形式見(jiàn)圖6。

圖6 樂(lè)昌東站道岔-橋梁布置(單位：m)

(1)鋼軌伸縮力和梁軌相對(duì)位移

采用道岔-橋梁相互作用程序，計(jì)算橋上無(wú)縫道岔鋼軌伸縮附加力及梁軌相對(duì)位移見(jiàn)圖7、圖8,鋼軌最大附加拉力319.11 kN,最大附加壓力529.14 kN,最大梁軌相對(duì)位移6.2 mm。

圖7 鋼軌伸縮附加力

圖8 梁軌伸縮相對(duì)位移

(2)鋼軌撓曲力和梁軌相對(duì)位移

鋼軌撓曲附加力及梁軌相對(duì)位移見(jiàn)圖9、圖10,鋼軌最大撓曲附加拉力54.8 kN,最大撓曲附加壓力87.7 kN,最大梁軌相對(duì)位移0.30 mm。

圖9 鋼軌撓曲附加力

圖10 梁軌撓曲相對(duì)位移

(3)鋼軌制動(dòng)力和梁軌相對(duì)位移

鋼軌制動(dòng)附加力及梁軌相對(duì)位移見(jiàn)圖11、圖12,鋼軌最大制動(dòng)附加拉力172.5 kN,最大制動(dòng)附加壓力89.5 kN,最大梁軌相對(duì)位移0.5 mm。

圖11 鋼軌制動(dòng)附加力

圖12 梁軌制動(dòng)相對(duì)位移

(4)梁軌相對(duì)總位移

梁軌相對(duì)總位移計(jì)算應(yīng)考慮最不利的組合,即鋼軌與橋梁總相對(duì)位移=伸縮相對(duì)位移+撓曲相對(duì)位移+制動(dòng)相對(duì)位移,梁軌相對(duì)總位移見(jiàn)圖13。

圖13 梁軌相對(duì)總位移

從圖13可以統(tǒng)計(jì)出正線各組道岔敏感部位(轍叉和轉(zhuǎn)轍器)與橋梁最大相對(duì)位移轍叉與橋梁相對(duì)位移0.25 mm,轉(zhuǎn)轍器與橋梁相對(duì)位移6.2 mm。

(5)檢算結(jié)果

轉(zhuǎn)轍器和轍叉處相對(duì)位移、道岔鋼軌強(qiáng)度、岔區(qū)無(wú)縫線路穩(wěn)定性、道岔限位器、螺栓剪力檢算、斷縫檢算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 檢算結(jié)果

可見(jiàn),樂(lè)昌東站橋上無(wú)縫道岔轍叉處和轉(zhuǎn)轍器處相對(duì)位移、道岔鋼軌強(qiáng)度、穩(wěn)定性、斷縫檢算均滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

“岔-梁-墩一體化”計(jì)算模型真實(shí)地反映了道岔與橋梁相互作用關(guān)系,有限元計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確地分析道岔和橋梁的受力和變形,道岔強(qiáng)度、穩(wěn)定性、道岔與橋梁相對(duì)位移多重控制的設(shè)計(jì)理念確保了橋上道岔結(jié)構(gòu)的安全。從武廣鐵路客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試的效果來(lái)看,樂(lè)昌東站橋上無(wú)縫道岔的安全性和舒適性指標(biāo)滿足要求,運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好,初步經(jīng)受了實(shí)踐的考驗(yàn),今后將繼續(xù)跟蹤武廣鐵路客運(yùn)專線樂(lè)昌東站橋上無(wú)縫道岔運(yùn)營(yíng)狀況,進(jìn)一步完善客運(yùn)專線橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)。

[1] 王 平，楊榮山，劉學(xué)毅.無(wú)縫道岔鋪設(shè)于長(zhǎng)大連續(xù)梁橋上時(shí)的受力與變形分析[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào),2004,2(3):16-21.

[2] 劉衍峰，高 亮，馮雅薇.橋上無(wú)縫道岔受力與變形的有限元分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,30(1):67-70.

[3] 曾志平，陳秀方，趙國(guó)藩.連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔伸縮力與位移計(jì)算[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006,6(1):35-38.

[4] 曾志平，陳秀方，趙國(guó)藩.簡(jiǎn)支梁橋上無(wú)縫道岔溫度力與位移影響因素分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2007,6(1):54-58.

[5] 孫大新，高 亮，劉衍峰.橋上無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔力學(xué)特性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,31(1):90-92.

[6] 宋建恩.無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)計(jì)算方法及受力與變形規(guī)律探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(5)：3-5.