王玉澤

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

京滬高速鐵路徐滬段有多座車站的多組道岔位于橋上，共有59組18號橋上道岔、8組42號橋上道岔，其中全長164 km的丹陽至昆山特大橋包含了蘇州北站、無錫東站、常州北站、昆山南站4座高架車站。徐滬段橋上無縫道岔工況極其復(fù)雜，無縫道岔、無砟軌道、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，成為制約京滬高速鐵路軌道工程的技術(shù)瓶頸。

從2005年開始，國內(nèi)科研單位對橋上軌枕埋入式無砟軌道無縫道岔進(jìn)行計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法研究，研究成果已經(jīng)在武廣高速鐵路、滬寧城際鐵路得到應(yīng)用。但到本設(shè)計(jì)為止，國外還沒有橋上鋪設(shè)板式道岔的先例，國內(nèi)僅在武廣高速鐵路郴州西站雷大橋特大橋試鋪了2組18號道岔(單渡線)，橋上鋪設(shè)42號板式道岔研究與實(shí)踐在國內(nèi)外均屬首次。開展京滬高速鐵路橋上板式無砟無縫道岔設(shè)計(jì)研究不僅是為了解決工程中的技術(shù)難題，同時(shí)對于我國高速鐵路橋上無縫道岔技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步也具有重大意義。

1 徐滬段橋上無砟無縫道岔結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

橋上底座縱連式無砟道岔結(jié)構(gòu)自上到下由鋼軌、扣件系統(tǒng)、道岔板、砂漿墊層、底座板、滑動層、硬泡沫塑料板、加高層、剪力齒槽、側(cè)向擋塊、摩擦板、端刺等組成，岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)高度710 mm。橫斷面如圖1所示。

圖1 京滬高速鐵路橋上板式道岔橫斷面(標(biāo)高單位:mm)

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)京滬高速鐵路采用新鐵德奧高速道岔，18號單開道岔全長69 m，前長31.729 m，后長37.271 m，直向通過速度350 km/h，側(cè)向通過速度80 km/h。

2)底座板為跨越梁縫的連續(xù)結(jié)構(gòu)，并與岔區(qū)以外形成整體;道岔板為分塊的單元板式結(jié)構(gòu)，18號道岔區(qū)共由20塊道岔板組成，42號道岔區(qū)共由46塊道岔板組成。道岔板與底座板間設(shè)錨固銷釘(圖2)。

圖2 道岔板與底座板錨固銷釘位置

3)底座板與梁面通過滑動層保持滑動狀態(tài)。橋梁固定支座上方的底座板通過梁體預(yù)設(shè)錨固筋和設(shè)置齒槽與梁體固結(jié)。

4)道岔梁梁縫兩側(cè)1.45 m范圍內(nèi)鋪設(shè)高強(qiáng)度擠塑板，減少梁端變形對軌道結(jié)構(gòu)的影響。

5)采用沿線路縱向一定間距設(shè)置側(cè)向擋塊的方式，對底座板橫向和豎向進(jìn)行限位。

6)道岔板與底座板之間設(shè)置30 mm厚高彈性模量乳化瀝青水泥砂漿填充層，每塊道岔板與底座通過8根剪力銷進(jìn)行連接。

2 橋上無縫道岔計(jì)算模型和計(jì)算方法

針對橋上縱連底座板式無砟軌道無縫道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將道岔、道岔板、底座板、梁體和墩臺視為一個系統(tǒng)，建立“岔—板—板—梁—墩”一體化模型，如圖3所示。

圖3 “岔—板—板—梁—墩”一體化計(jì)算模型

“岔—板—板—梁—墩”一體化計(jì)算模型考慮了道岔各鋼軌件、間隔鐵、限位器、道岔板、底座板、橋梁、墩臺、摩擦板、端刺、底座板與橋梁間的剪力齒槽的相互作用。鋼軌與道床板、道岔板與底座板、底座板與橋梁、底座板與摩擦板間的縱向相互作用阻力按非線性考慮。

在橋上縱連底座板式無砟軌道無縫道岔計(jì)算模型中，底座板與梁面間、臺后底座板與摩擦板、扣件縱向阻力等參數(shù)具有明顯的非線性特征。根據(jù)以上計(jì)算模型建立的橋上縱連底座板式無砟軌道無縫道岔縱向力計(jì)算非線性有限元力學(xué)平衡方程，可采用相應(yīng)的非線性方程組數(shù)值求解方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，底座板與橋梁間摩擦系數(shù)、底座板剛度折減系數(shù)對計(jì)算橋上無縫道岔受力和變形影響較大。

3 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

底座混凝土板是橋上無砟軌道無縫道岔系統(tǒng)的主要受力構(gòu)件，基于開裂后鋼筋混凝土剛度折減理念，按軸向拉壓桿件采用極限狀態(tài)法進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。底座板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程見圖4。

底座板主要檢算內(nèi)容和方法包括:

1)不同工況軌道系統(tǒng)檢算?？紤]結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、橋墩不均勻沉降、橋墩扭曲變形、溫度、混凝土徐變和收縮、列車活載等荷載以及不同荷載組合，進(jìn)行扣件上拔力檢算，底座抗彎、抗剪及疲勞檢算，高強(qiáng)度擠塑板檢算。

2)軸向受壓檢算。考慮溫度荷載作用下軌道屈曲穩(wěn)定性檢算。

圖4 底座板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

3)軸向受拉檢算?？紤]底座板開裂后，不同的剛度折減及不同的摩擦系數(shù)，進(jìn)行單線底座板作用下拉力計(jì)算，降溫荷載下底座板和鋼軌拉力計(jì)算，軌道板與底座板溫差及混凝土收縮荷載下底座板拉力計(jì)算，以及制動荷載下底座板拉力計(jì)算。

4)根據(jù)計(jì)算得出的底座板可能承受的最大軸向拉力等設(shè)計(jì)荷載，按軸向拉壓桿件采用極限狀態(tài)法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

4 道岔梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 道岔梁橋式布置

4.1.1 道岔梁橋式布置的一般原則

1)高速鐵路無砟軌道無縫道岔(包括單渡線)應(yīng)盡可能整組布置在一聯(lián)梁上。

2)高速鐵路無縫線路道岔的轉(zhuǎn)轍器部分、轍叉部分不宜跨越兩聯(lián)梁。

3)岔頭、岔尾到梁縫的距離不小于18 m。

4)車站咽喉區(qū)道岔，除高速正線無縫道岔下需采用連續(xù)梁外，其余到發(fā)線道岔下可采用簡支梁結(jié)構(gòu)。

5)為減小梁、軌相對位移及橋梁承受的軌道力，八字渡線區(qū)兩聯(lián)連續(xù)梁之間宜布置兩孔簡支梁。

4.1.2 道岔梁橋式布置

結(jié)合京滬高速鐵路鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州、昆山高架站道岔梁進(jìn)行研究。

1)渡線區(qū)

京滬高速鐵路渡線區(qū)道岔梁采用連續(xù)梁，跨度包括6×32.7 m，(32+40+56+40+32)m，(32+40+64+40+32)m，(32+40+72+40+32)m 等;同時(shí)在兩聯(lián)連續(xù)梁之間插入簡支梁，以減小梁軌相互作用。

2)典型咽喉區(qū)

典型咽喉區(qū)18號道岔梁橋式布置采用4×32.7 m連續(xù)梁。昆山高架站北京側(cè)咽喉區(qū)道岔梁受小虞河通航凈空、小虞河路立交凈空控制，采用(35.81+56+35.81)m連續(xù)梁。

3)聯(lián)絡(luò)線42號道岔梁

黃渡聯(lián)絡(luò)線采用42號道岔從正線出岔。黃渡上行聯(lián)絡(luò)線道岔梁采用(24+4×32+24)m連續(xù)梁;黃渡下行聯(lián)絡(luò)線道岔梁采用6×32 m連續(xù)梁。

4.2 道岔梁結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2.1 道岔梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

高架站道岔梁設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于橋面寬度變化大(道岔梁寬跨比較大)，且多為單箱多室截面，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮橫向偏載的影響。道岔梁對位移要求相對較高，因此采用整體性較好的箱梁，適當(dāng)提高截面豎、橫向剛度，在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，提高結(jié)構(gòu)動力性能。注意外觀的連續(xù)性，6×32 m，4×32 m，6×34 m等小跨連續(xù)箱梁外側(cè)腹板應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的32.7 m簡支梁保持一致。

4.2.2 典型道岔梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)渡線區(qū)6×32 m連續(xù)梁

本梁為等高度、等寬度連續(xù)箱梁，截面形式為單箱單室，梁高3.05 m，箱梁頂板全寬12.0 m，因布置道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的需要頂板局部加寬，箱梁采用斜腹板形式。

2)典型咽喉區(qū)4×32 m連續(xù)梁

主梁采用等高度斜腹板截面，梁高3.05 m。第一、二孔為單箱雙室截面，第三、四孔為單箱三室截面。

道岔梁采用C50高性能混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力體系，分段支架現(xiàn)澆施工(從左至右逐孔施工)。

4.3 道岔梁支座布置及下部結(jié)構(gòu)形式

1)梁軌相互作用及單固定支座在縱向的布置:道岔梁縱向固定支座盡量居中布置，以減少溫度跨度，減小梁軌相對位移及軌道力。如6×32 m連續(xù)梁固定支座設(shè)在全聯(lián)的中心。

2)橫向固定支座布置:橫向固定支座布置應(yīng)保證相鄰兩片梁上的無砟軌道同一根鋼軌的橫向位移差＜1 mm。

3)道岔梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則:道岔梁下部結(jié)構(gòu)的剛度適當(dāng)增大，在滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，減小梁軌相對位移，滿足軌道、道岔各項(xiàng)要求，提高車—岔—橋整體的動力性能。

5 結(jié)論

1)橋上道岔區(qū)采用縱連底座板結(jié)構(gòu)，與道岔區(qū)兩端CRTSⅡ型板式無砟軌道保持了結(jié)構(gòu)的整體性和橋上縱連底座板的連貫性，為道岔區(qū)無砟軌道與區(qū)間的銜接與過渡提供了良好的條件。

2)“岔—板—板—梁—墩”一體化計(jì)算模型和計(jì)算方法系統(tǒng)考慮了道岔、無砟軌道、橋梁、墩臺、摩擦板、端刺之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，能夠真實(shí)地反映出橋上板式道岔受力和變形規(guī)律。

3)縱連底座板為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度和活載作用下易出現(xiàn)開裂，必須對底座混凝土板的裂縫寬度進(jìn)行限制，按裂縫寬度值控制底座混凝土配筋量。

4)京滬高速鐵路徐滬段道岔梁采用連續(xù)梁橋式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合適的，橋梁結(jié)構(gòu)具有足夠的豎向、橫向剛度和良好的動力特性，既可滿足軌道穩(wěn)定性、平順性的要求，又能適應(yīng)城市道路立交凈空要求，景觀方面也較好。

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