宮萬國
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,710043,西安∥工程師)
隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展,受土地資源、地形地貌等因素影響,橋梁工程的比例越來越大,其中不乏車站設(shè)置于橋梁上的特殊情況,使車站咽喉區(qū)無縫道岔不可避免地設(shè)置于橋梁上[1-4]。為保證道岔的工作狀態(tài),一般將無縫道岔整組布置于連續(xù)梁上。對(duì)于客運(yùn)專線大號(hào)碼道岔咽喉區(qū),由于道岔本身較長(zhǎng)且布置多組道岔,由此引起多聯(lián)大跨度連續(xù)梁集中布置的情況。圖1是橋上車站咽喉區(qū)的典型布置情況。本文對(duì)普通橋上無縫線路及橋上無縫道岔群的受力進(jìn)行了對(duì)比檢算,分析了鋼軌伸縮力分布特點(diǎn)及對(duì)橋跨布置形式的影響,對(duì)橋上無縫線路道岔設(shè)備軌條之間的相對(duì)位移和傳力件強(qiáng)度進(jìn)行了檢算。
圖1 橋上車站咽喉區(qū)的道岔及多聯(lián)連續(xù)梁布置示意圖
由于橋上無縫道岔本身涉及多股道鋼軌及各種限位結(jié)構(gòu)共同作用,其計(jì)算模型較區(qū)間橋上無縫線路更為復(fù)雜,但兩者的計(jì)算理論均可采用梁軌相互作用原理。本文采用通用有限元軟件,分別建立普通區(qū)間橋上無縫線路和橋上無縫道岔有限元分析模型。無縫道岔群的布置形式如圖1所示。模型中鋼軌采用實(shí)體單元模擬,扣件縱向阻力采用彈簧單元模擬,道岔轍叉限位裝置反力采用彈簧單元模擬,橋梁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M,固定墩采用彈簧單元模擬。圖2—圖5是主要部件的有限元模型示意圖。
圖3 扣件阻力單元的有限元模型
圖4 限位器單元的有限元模型
圖5 間隔鐵單元的有限元模型
橋上無縫道岔及區(qū)間橋上無縫線路檢算的物理參數(shù)如表1所示。
表1 計(jì)算參數(shù)
在有限元分析中,道岔限位器及間隔鐵的阻力根據(jù)實(shí)測(cè)阻力曲線取值。道岔限位器和間隔鐵的阻力曲線分別如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知:間隔鐵子母塊相對(duì)位移越大,阻力越大;當(dāng)間隔鐵子母塊相對(duì)位移大于7mm后,限位器開始起限位作用。
圖6 道岔限位器阻力曲線
圖7 道岔間隔鐵阻力曲線
無縫線路鋼軌伸縮力的大小是無縫線路檢算的重要內(nèi)容,其數(shù)值大小除了與溫度變化、軌道參數(shù)有關(guān)外,還受橋跨布置型式的影響。以下就普通區(qū)間橋上無縫線路和橋上無縫道岔兩種不同的線路條件,采用上述有限元模型和計(jì)算參數(shù),對(duì)鋼軌伸縮力進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析。
3.1.1 普通區(qū)間橋上無縫線路
普通區(qū)間橋上無縫線路鋼軌伸縮力分布如圖8所示。由圖8可見,鋼軌伸縮力均值約為1 110 kN,受到①~⑤共5個(gè)橋梁梁縫的影響,伸縮力出現(xiàn)波動(dòng),并對(duì)應(yīng)產(chǎn)生5個(gè)峰值,出現(xiàn)較大的伸縮附加力(即伸縮力的峰值-平均伸縮力)。
圖8 普通區(qū)間橋上無縫線路單股鋼軌伸縮力分布圖
表2列出了各梁縫處的鋼軌伸縮附加力P1及相應(yīng)的附加應(yīng)力最大值,表中數(shù)據(jù)表明,鋼軌伸縮附加力變化范圍在154.7~350.3kN之間,極大值出現(xiàn)在④號(hào)梁縫處。
表2 梁縫處鋼軌伸縮附加力及附加應(yīng)力最大值表
3.1.2 橋上無縫道岔
通過對(duì)圖1所示的橋上無縫道岔群的有限分析,道岔基本軌、輔助軌等多股鋼軌的伸縮力分布如圖9所示。與普通區(qū)間橋上無縫線路的計(jì)算結(jié)果類似,橋梁布置對(duì)橋上無縫道岔鋼軌伸縮力的影響較大。表3列出了橋上無縫道岔在梁縫處的附加伸縮力P2和相應(yīng)的附加應(yīng)力最大值;為了便于比較,同時(shí)列出了P1與P2的比值。
分別比較圖8、圖9和表2、表3可見,橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值仍位于梁縫處。由于道岔尖軌限位器作用,梁縫附近布置道岔時(shí)的鋼軌伸縮附加力較普通區(qū)間橋上無縫線路均有所增加。
圖9 橋上無縫道岔群各股鋼軌伸縮力分布圖
表3 梁縫處鋼軌伸縮附加力及附加應(yīng)力最大值表
普通區(qū)間橋上無縫線路鋼軌伸縮附加力最大值(350.3kN)在橋梁溫度跨度最大處(218.5m),而橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值(458kN)在103#、105#道岔之間的梁縫處(此處橋梁溫度跨度為186.5m)。這主要是由于該處梁縫兩側(cè)的兩組道岔對(duì)向布置,道岔尖軌鋼軌附加力二次疊加,因此應(yīng)在兩連續(xù)梁間插入簡(jiǎn)支梁,以減少橋梁溫度跨度,有效降低梁軌相互作用力。橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力增幅最大處在⑤號(hào)梁縫(見表3),主要由于119#道岔岔前距梁縫距離較小,橋梁伸縮及尖軌限位同時(shí)作用,疊加效果明顯。由此可知,在設(shè)計(jì)中道岔距梁縫應(yīng)保持一定距離,以盡量減少連續(xù)梁溫度跨度與道岔限位裝置鋼軌附加力的疊加效應(yīng)。
由于道岔本身限位裝置及線形要求,對(duì)基本軌相對(duì)橋梁和尖軌相對(duì)基本軌的位移均有相應(yīng)限值。對(duì)圖1所示的多聯(lián)連續(xù)梁無縫道岔群,表4列出了道岔群設(shè)計(jì)所關(guān)心的鋼軌、橋梁伸縮相對(duì)位移值。
由表4數(shù)據(jù)可見,尖軌相對(duì)基本軌的最大位移為23.7mm,滿足CZ2602《時(shí)速250km客運(yùn)專線鐵路60kg/m鋼軌18號(hào)道岔》中對(duì)道岔要求的限值30mm;心軌相對(duì)基本軌的最大位移為6.2mm,滿足一般道岔要求的限值8mm。
表4 橋梁鋼軌伸縮相對(duì)位移表
道岔除了保證各軌條相對(duì)位移滿足規(guī)范要求外,其傳力件的剪力也必須滿足強(qiáng)度要求。對(duì)于圖1所示的多聯(lián)連續(xù)梁上鋪設(shè)的無縫道岔群,根據(jù)上述有限元模型,可計(jì)算出各道岔傳力件的受力情況如表5所示。
表5數(shù)據(jù)表明,103#、105#道岔對(duì)向布置,直股、側(cè)股等部位傳力件的受力較大,其中最大值出現(xiàn)在105#道岔的直股部位,達(dá)到155.7kN?,F(xiàn)對(duì)其傳力件螺栓的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行檢算。
間隔鐵受力螺栓剪應(yīng)力為:
式中:
τ——間隔鐵受力螺栓剪應(yīng)力;
T——間隔鐵受力螺栓剪力;
T1——摩阻力,取40kN/塊;
d——螺栓直徑,取24mm。
假定螺栓平均受力,轍跟處小間隔鐵由2根螺栓組成,則由上式有:τ=127.9MPa≤[τ]=264MPa。所以,間隔鐵螺栓的抗剪能力滿足要求。
表5 道岔傳力件受力表kN
在高架橋上布置無縫道岔群的情況越來越多。本文針對(duì)一種典型的多聯(lián)連續(xù)梁上鋪設(shè)的無縫道岔群,采用有限元軟件,對(duì)無縫道岔的溫度力、相對(duì)位移和限位裝置剪力進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明:
1)無縫道岔布置于連續(xù)梁上時(shí),其鋼軌伸縮附加力較普通區(qū)間橋上無縫線路增幅較大,尤其是咽喉區(qū)設(shè)在多聯(lián)連續(xù)梁上且兩組道岔對(duì)向布置的情況最為不利。
2)若由于運(yùn)輸組織功能需求,道岔對(duì)向布置情況不可避免,此時(shí)應(yīng)在兩連續(xù)梁間插入簡(jiǎn)支梁,以減少橋梁溫度跨度,有效降低梁軌相互作用力。
3)道岔距梁縫應(yīng)保持一定距離,以盡量減少連續(xù)梁溫度跨度與道岔限位裝置鋼軌附加力的疊加效應(yīng)。
4)當(dāng)整組無縫道岔布置于連續(xù)梁上時(shí),道岔尖軌、心軌的位移及限位裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在一般情況下均可滿足其限值要求。
[1]黃正華.合寧鐵路無縫道岔群設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009(6):54.
[2]徐井芒,陳嶸.橋上無縫道岔縱向力計(jì)算研究[J].鐵道建筑,2011(3):93.
[3]王平,劉學(xué)毅.無縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2007.
[4]譚曉春,羅雁云.軌道交通列車過岔振動(dòng)特性研究[J].城市軌道交通研究,2008(1):28.