孫加林

(中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京　100081)

橋上無縫道岔與橋上無縫線路有很大的區(qū)別。從線路結(jié)構(gòu)看，橋上無縫線路的線路形式比較單一，在全橋范圍內(nèi)，每跨梁上的線路情況均相同；而橋上無縫道岔則不同，由于道岔結(jié)構(gòu)的復雜性，使每跨梁上的線路情況均不相同。因此，在設計時必須考慮道岔和橋梁的相互作用。橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)作為跨區(qū)間無縫線路的關鍵結(jié)構(gòu)，其傳力機理比路基無縫道岔和橋上無縫線路更為復雜。以往試驗研究確定了無縫道岔區(qū)道床阻力、間隔鐵阻力以及導軌與基本軌相互作用的非線性關系[1-2]。為了研究橋上無縫道岔的受力和變形，本文從整個線橋系統(tǒng)出發(fā)，基于非線性有限單元法建立道岔—橋梁的一體化模型，以鄭西客運專線渭南北站兩端咽喉區(qū)多跨連續(xù)梁橋及變寬度連續(xù)梁橋橋上無縫道岔區(qū)為例，研究在溫度場作用下無縫道岔與橋梁的相互作用機理。

鄭西客運專線為雙線鐵路，其中渭南段內(nèi)的潼關、華陰區(qū)間地形多樣、地質(zhì)復雜，鐵路、公路、電力、通信線路交跨十分頻繁。為充分利用橋梁下部空間、節(jié)約用地，渭南北站站房設置于鐵路橋梁下方，車站兩端咽喉區(qū)分別位于大橋變寬度連續(xù)梁橋上。橋上鋪設18號高速道岔。

1　橋上無縫道岔空間耦合計算模型

本文采用通用空間有限元分析軟件MIDAS/CIVIL建立渭南北站橋上5#和7#岔位、1#和3#岔位的無縫道岔—橋梁有限元模型。

1.1　計算參數(shù)

根據(jù)渭南橋及橋上無縫道岔總體設計單位提供的設計資料，確定如下計算參數(shù)。

(1)鋼軌溫升43 ℃，橋梁溫升20 ℃；

(2)1#和3#岔位為18號渡線道岔，5#和7#岔位為18號單開道岔；

(3)1#和3#岔位的渡線道岔所在連續(xù)梁為(30+48+56+48+30)m無砟混凝土連續(xù)梁，西安端溫度跨為134 m，鄭州端溫度跨為78 m；

(4)5#和7#岔位的單開道岔所在連續(xù)梁為(30.7+48+33)m變寬度連續(xù)梁；

(5)道岔全長69 m，前長31.729 m，后長37.271 m，導曲線半徑為1 100 m，尖軌長22.090 m；

(6)軌下基礎為無砟道床，岔枕為德國高鐵設計的雷達2000岔枕，無砟岔枕的類型為GWS05—300W型。

1.2　基本假定

(1)由于渭南橋上無縫道岔的尖軌跟部未設置間隔鐵或限位器，因此假定尖軌尖端的縱向位移由轍叉區(qū)縱向位移和尖軌本身自由伸縮位移組成。

(2)由于渭南橋上無縫道岔直接安裝在長枕埋入式無砟軌道上，且轍叉范圍約為10 m，間隔鐵的縱向剛度可以近似認為無窮大，因此將轍叉區(qū)間隔鐵等部件模擬為剛體約束[8]。

(3)在計算溫差引起的岔梁縱向相互作用時，計算1次升溫(或降溫)到某一溫差值，而不考慮實際升降溫的交替循環(huán)過程。

(4) 道岔區(qū)軌下鐵墊板與軌枕或支承塊為剛性連接，軌枕或支承塊與軌道板為剛性連接，軌道板與梁面也為剛性連接。

(5)橋梁固定支座沒有間隙，活動支座的縱向移動時考慮一定的摩擦系數(shù)。

1.3　計算模型

按實際的外形尺寸建立5#，7#岔位和1#，3#岔位的梁軌相互作用計算模型。道岔區(qū)鋼軌按支承節(jié)點劃分單元，采用三維梁單元模擬，不考慮軌道板及砂漿層的縱向彈性，鋼軌與橋面之間采用3個方向的彈性連接[3-6]。軌道的垂向剛度主要由軌下膠墊提供，數(shù)值取為60 kN·mm-1；橫向剛度根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定，參考北京交通大學的岔區(qū)鋼軌橫向位移計算結(jié)果[7]，第1階段的切線剛度取為150 kN·mm-1；縱向剛度主要由扣件的縱向阻力提供，取為15 kN·m-1。

由于鋼軌斷面遠小于橋梁斷面，如對橋梁采用空間梁單元建模，將會使鋼軌與橋梁間相對伸縮產(chǎn)生的荷載作用于整個橋梁截面上，這與實際情況存在明顯不符。因此，為準確分析鋼軌與橋梁的空間相互作用，對橋梁梁體結(jié)構(gòu)采用空間板殼單元建模；另外，橫隔板因較厚，將其處理成相應長度范圍內(nèi)的3層板，以滿足板殼元的基本假定條件。

橋梁采用盆式橡膠支座，固定支座無縱向位移，活動支座的理論摩擦系數(shù)為0.03，也就是最大縱向力為垂向支反力的3%，但考慮到梁部結(jié)構(gòu)較重，而線路溫升產(chǎn)生的支座縱向反力達不到垂向支反力的3%，因此認為活動支座與固定支座類似，梁、墩間無縱向相對位移，模型中的彈性約束條件反映的是橋墩結(jié)構(gòu)的縱向剛度，由設計資料直接給定。

為了反映梁端以外扣件、墊板等對鋼軌伸縮變形的影響，對關注的連續(xù)梁梁端各3跨簡支梁也進行了仿真建模，作為一個線路整體進行計算分析，計算模型如圖1和圖2所示。

圖1　5#和7#岔位單開道岔—橋梁計算模型

圖2　1#和3#岔位渡線道岔—橋梁計算模型

2　計算結(jié)果與分析

2.1　橋梁梁體變形

5#和7#岔位單開道岔區(qū)橋梁梁體縱、橫向位移云圖如圖3和圖4所示，1#和3#岔位渡線道岔區(qū)橋梁梁體縱、橫向位移云圖如圖5和圖6所示。

圖3　5#和7#岔位道岔區(qū)橋梁梁體縱向位移云圖

由圖3—圖6的仿真計算結(jié)果，統(tǒng)計得出不同岔位處連續(xù)梁梁體的縱向、橫向位移最大值以及發(fā)生位置，見表1。

圖4　5#和7#岔位單開道岔區(qū)橋梁梁體橫向位移云圖

圖5　3#和1#岔位道岔區(qū)橋梁梁體縱向位移云圖

圖6　3#和1#岔位道岔區(qū)橋梁梁體橫向位移云圖

岔位方向最大值/mm最大值位置5#和7#橫向27梁體外側(cè)5#和7#縱向53梁端　　3#和1#橫向28梁體外側(cè)3#和1#縱向268梁端　　

由表1可以看出：無論是單開道岔還是渡線道岔，梁體橫向位移最大值都非常接近且數(shù)值較小，由于計算過程中考慮了道岔區(qū)鋼軌升溫以及橋梁升溫兩者的組合情況，所得數(shù)值為橋梁絕對變形，數(shù)值小說明道岔區(qū)鋼軌變形對橋梁橫向位移影響較小，橋梁橫向位移主要由梁體均勻溫升引起，且整個橋梁長度方向?qū)墓?jié)點橫向變形應該較為一致，發(fā)生位置均為梁體橫向的一側(cè)；梁體最大縱向位移發(fā)生的位置均在梁端部，但單開道岔區(qū)的梁體最大縱向位移較小，渡線道岔區(qū)的梁體縱向位移較大。

2.2　道岔區(qū)鋼軌變形

圖7—圖10分別給出了5#和7#岔位單開道岔直股、曲股鋼軌的最大橫向和縱向位移。

圖7　5#和7#岔位單開道岔直股鋼軌的最大橫向位移

圖8　5#和7#岔位單開道岔曲股鋼軌的最大橫向位移

圖9　5#和7#岔位單開道岔直股鋼軌的最大縱向位移

圖10　5#和7#岔位單開道岔曲股鋼軌的最大縱向位移

由圖7和圖8可以看出：單開道岔直股、曲股鋼軌的最大橫向位移分別發(fā)生在直尖軌和曲心軌處，直股的最大橫向位移為1.28 mm、曲股的最大橫向位移為1.67 mm。由圖9和圖10可以看出：直股、曲股鋼軌的最大縱向位移均發(fā)生在尖軌尖端，直股的最大縱向位移為23.13 mm、曲股的最大縱向位移為25.22 mm。

圖11—圖14給出了1#和3#岔位渡線道岔直股、曲股鋼軌的最大橫向和縱向位移。

由圖11和圖12可以看出，渡線道岔直股、曲股鋼軌的最大橫向位移分別發(fā)生在直心軌和曲尖軌處，直股的最大橫向位移為1.12 mm、曲股的最大橫向位移為1.49 mm。由圖13和圖14可以看出。渡線道岔直、曲股鋼軌的最大縱向位移分別發(fā)生在直尖軌尖端和曲尖軌尖端，直股的最大縱向位移為21.51 mm、曲股的最大縱向位移為28.14 mm。

圖11　1#和3#岔位渡線道岔直股鋼軌的最大橫向位移

圖12　1#和3#岔位渡線道岔曲股鋼軌的最大橫向位移

圖13　1#和3#岔位渡線道岔直股鋼軌的最大縱向位移

圖14　1#和3#岔位渡線道岔曲股鋼軌的最大縱向位移

表2給出了單開道岔和渡線道岔鋼軌的橫移、縱移最大值及發(fā)生位置。

表2　不同岔位道岔鋼軌位移的最大值及發(fā)生位置

由表2可見，無論是單開道岔還是渡線道岔，鋼軌的縱向位移遠大于橫向位移，但數(shù)值均小于鋼軌位移允許值40 mm，且富余量較大；單開道岔和渡線道岔的最大鋼軌縱向和橫向位移在數(shù)值上非常接近，均發(fā)生在曲股，說明道岔結(jié)構(gòu)類型對溫度變形的影響可以忽略不計。結(jié)合2.1節(jié)的計算結(jié)果可以認為，5#和7#岔位和3#和1#岔位處橋梁梁體縱向位移的差異主要是由橋梁結(jié)構(gòu)本身的差異造成的(5#和7#岔位處橋梁為變寬度梁)，而與道岔結(jié)構(gòu)類型無關。因此對于橋梁的養(yǎng)護維修，可不必過于關注道岔溫度力的影響。

2.3　道岔區(qū)鋼軌縱向力

在梁體和道岔區(qū)鋼軌隨溫度變化產(chǎn)生伸縮的作用下，橋梁梁體和軌道之間產(chǎn)生相對位移，鋼軌產(chǎn)生縱向附加力，對橋面系作用大小相等、方向相反的反作用力，此力通過梁、支座傳遞至墩臺，在鋼軌與橋梁之間形成1個縱向相互作用的力學平衡體系。道岔—橋梁的相互作用，一方面是由于梁體隨溫度變化產(chǎn)生伸縮引起橋梁與道岔的相互作用；另一方面是道岔區(qū)鋼軌由于溫度變化引起的伸縮通過扣件傳遞給橋面系，引起道岔與橋梁的相互作用。鋼軌縱向力應由鋼軌溫升引起的溫度力以及橋梁伸縮引起的附加力疊加組成。

仿真計算得出的各岔位道岔鋼軌縱向力的最大值及發(fā)生位置見表3，縱向力分布云圖如圖15—圖16所示。

表3　不同岔位道岔鋼軌縱向力的最大值及發(fā)生位置

由圖15、圖16和表3可知：無論是單開道岔還是渡線道岔，最大鋼軌縱向力均發(fā)生在連續(xù)梁梁縫附近約20 m范圍內(nèi)，單開道岔的最大縱向力為1 303.6 kN,其中溫度力為849 kN、梁軌伸縮力為454 kN；渡線道岔的最大縱向力為1 340 kN,其中溫度力為864 kN、梁軌伸縮力為476 kN。因此對道岔區(qū)梁體左右梁縫處的無縫線路應加強監(jiān)測和養(yǎng)護，防止夏季出現(xiàn)脹軌、冬季出現(xiàn)斷軌，且建議在梁縫處適當減小扣件阻力。

圖15　5#和7#岔位單開道岔鋼軌的縱向力分布云圖

圖16　3#和1#岔位渡線道岔鋼軌的縱向力分布云圖

3　結(jié)　論

(1)在溫度荷載作用下，單開道岔和渡線道岔鋼軌的縱向位移遠大于橫向位移，鋼軌最大橫向位移都在1～2 mm，最大縱向位移都在20～30 mm，但兩者均小于鋼軌位移允許值40 mm，且富余量較大。

(2) 單開道岔和渡線道岔鋼軌的最大縱向溫度力分別為1 303和1 340 kN,均發(fā)生在連續(xù)梁梁縫附近約20 m范圍內(nèi)，因此對梁體左右梁縫處的無縫線路應加強監(jiān)測和養(yǎng)護，防止夏季出現(xiàn)脹軌、冬季出現(xiàn)斷軌現(xiàn)象，且建議在梁縫處適當減小扣件阻力。

(3)單開道岔和渡線道岔區(qū)橋梁梁體最大橫向位移分別為2.7和2.8 mm，兩者數(shù)值非常接近且均較小，由于計算過程中考慮的是道岔鋼軌升溫以及橋梁梁體升溫兩者的組合情況，所得數(shù)值為橋梁絕對變形，數(shù)值小說明道岔鋼軌變形對橋梁橫向位移影響較小，可以不考慮鋼軌變形的影響，因此橋梁梁體橫向變形主要由梁體均勻溫升引起。

(4)單開道岔和渡線道岔區(qū)橋梁梁體最大縱向位移均發(fā)生在梁端部，分別為5.3和26.8 mm，前者較小，后者較大，這主要是由橋梁結(jié)構(gòu)本身的差異造成的，與道岔結(jié)構(gòu)類型無關。因此對于橋梁的養(yǎng)護維修，可不必過于關注道岔區(qū)溫度力的影響。

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