楊明輝
(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)
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橋上道岔岔區(qū)軌枕埋入式無砟道床布置研究
楊明輝
(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)
文章建立了“無縫道岔-無砟道床板-橋梁-橋墩”一體化模型,用非線性有限元程序,分析了岔區(qū)無砟道床板分塊數(shù)量、道床橫向凹槽位置、道岔連續(xù)梁固定支座位置對道岔、無砟道床和橋墩的影響。結(jié)果表明:橋上42號道岔岔區(qū)軌枕埋入式無砟道床板分為5塊,轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽布置在尾部,其余橫向凹槽布置在板中,連續(xù)梁固定支座位于道岔岔心前端,是較為合理的布置方案。
橋上無縫道岔; 42號道岔; 軌枕埋入式; 無砟道床
為提高高速鐵路正線與另一正線之間的聯(lián)絡(luò)線道岔側(cè)向通過速度,多采用大號碼道岔,如38號、42號、62號道岔等,側(cè)向通過速度分別可達140 km/h、160 km/h、220 km/h。目前, 42號道岔應(yīng)用需求相對較多,而其岔區(qū)軌枕埋入式無砟道床長達160余米,當(dāng)鋪設(shè)于橋梁上時,普遍采用道床板分塊、橋梁(底座)上設(shè)縱橫向凹槽限位道床板并在道床板與橋梁(底座)間設(shè)隔離層可相對滑動的結(jié)構(gòu),橋梁、道床板以及道岔鋼軌在溫度變化作用下相互耦合、相互影響,受力復(fù)雜,有必要研究溫度荷載下岔區(qū)無砟道床布置對岔-板-橋縱向相互作用的影響規(guī)律,以指導(dǎo)橋上42號道岔岔區(qū)無砟
道床的設(shè)計。
根據(jù)岔區(qū)軌枕埋入式無砟道床結(jié)構(gòu)設(shè)計和梁軌相互作用原理,把橋上無縫無砟道岔結(jié)構(gòu)看作一個由道岔、道床板、梁體組成的三層結(jié)構(gòu)體系,岔區(qū)前后的橋上雙塊式無砟軌道看作一個由鋼軌、梁體組成的兩層結(jié)構(gòu)體系,建立“無縫道岔-無砟道床板-橋梁-橋墩”相互作用的一體化模型[1-5](圖1)。道岔和道床板之間的扣件采用彈簧模擬,岔區(qū)道床板和梁體、梁和固定墩通過彈簧連接,雙塊式無砟軌道和梁體錨固連接。
圖1 帶限位凹槽的橋上無縫道岔計算模型立面
然后利用ANSYS 軟件開放的體系結(jié)構(gòu),基于ANSYS二次開發(fā)技術(shù),編制梁軌相互作用非線性有限元程序,自動完成有限元建模、荷載的施加和方程的求解。
以某高速鐵路一組60 kg/m 鋼軌42號可動心軌無縫無砟道岔布置在(7×32.7) m 連續(xù)梁上為例,該無縫道岔全長157.2 m,位于連續(xù)梁中部,道岔頭尾距離道岔梁兩端分別為47 m和24 m,道岔梁固定支座位于道岔理論岔心前10 m。道岔與橋梁、墩臺位置關(guān)系布置如圖2所示。
圖2 橋梁、墩臺與道岔布置
道岔區(qū)鋪設(shè)軌枕埋入式無砟道床,長度為168.6 m,道床板和底座采用分塊結(jié)構(gòu),道床與底座間鋪設(shè)“兩布一膜”滑動層,底座上設(shè)一定數(shù)量的縱、橫向凹槽以對道床板限位,凹槽四周鋪設(shè)彈性緩沖橡膠墊,底座通過預(yù)埋鋼筋與橋梁連接為一體。其余地段鋪設(shè)CRTS I型雙塊式無砟軌道,鋪設(shè)WJ-8型常阻力扣件。
42號道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)按圖號“客專線(07)006”道岔取值;道岔扣件阻力、道岔限位器和間隔鐵阻力等參數(shù)取值參見《無縫道岔計算理論與設(shè)計方法》[6];依據(jù)彈性緩沖橡膠墊技術(shù)條件[7]計算,橫向凹槽用橡膠墊剛度取700 kN/mm;參照《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》[8],無砟軌道橋梁日溫差取30℃,由于無砟道床板位于橋面上,且由于箱梁的“溫室效應(yīng)”,道岔無砟道床板的升降溫幅度較橋梁大,因此無砟道床溫差取35℃,為使本研究的適應(yīng)性更廣,鋼軌升溫或降溫幅度取45℃;各梁跨均為整體箱梁,道岔梁的固定墩剛度為2×105kN/m。
考慮道岔敏感設(shè)備的需要,道床板長度宜按照道岔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)轍器區(qū)、導(dǎo)曲線區(qū)、轍叉區(qū)三大部分進行道床板長度劃分,保證所有信號轉(zhuǎn)轍機設(shè)備都在同一塊道床板上;由于轉(zhuǎn)轍機的設(shè)備安裝要求,道岔區(qū)道床板需要設(shè)計多處轉(zhuǎn)轍機連接桿溝槽,削弱了道床截面強度,為減弱道床應(yīng)力集中,保證道床強度,橫向凹槽位置盡量避開轉(zhuǎn)轍機連接桿溝槽區(qū)域。因此,岔區(qū)無砟道床分塊考慮以下四種方案:
方案一:3 塊道床板,轉(zhuǎn)轍器區(qū)域道床板在尾部設(shè)橫向凹槽,其余道床板在板中設(shè)橫向凹槽,每塊板分別長約49.4 m、56.9 m、62.3 m(從岔首至岔尾,下同);
方案二:4 塊道床板,轉(zhuǎn)轍器區(qū)域道床板在尾部設(shè)橫向凹槽,導(dǎo)曲線區(qū)域道床板在板中設(shè)置橫向凹槽,其余道床板在首部設(shè)置橫向凹槽,每塊板分別長約49.4 m、56.9 m、36.5 m、25.8 m;
方案三:5 塊道床板,轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板在尾部設(shè)橫向凹槽,其余道床板在板中設(shè)橫向凹槽,每塊板分別長約49.4 m、28.2 m、28.9 m、36.5 m、25.8 m;
方案四:6塊道床板,轉(zhuǎn)轍器區(qū)域的道床板在尾部設(shè)橫向凹槽,其余道床板在板中設(shè)橫向凹槽,每塊板分別長約36.2 m、26.2 m、26.2 m、24.2 m、28.0 m、27.7 m;
四種方案計算結(jié)果對比如表1所示。
表1 計算結(jié)果對比
注:表中“-”表示方向向左,反之向右,下同。
從表1中可見,道床板分塊數(shù)量對基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小,原因是道岔布置距離連續(xù)梁梁縫較遠;道床板分塊數(shù)量越多,直尖軌尖端相對基本軌位移、心軌尖端相對翼軌位移、心軌或尖軌牽引點處基本軌與橋梁最大相對位移均呈降低趨勢,說明對信號轉(zhuǎn)轍機的運轉(zhuǎn)更有利,但連續(xù)梁固定支座橋墩縱向力則呈增加趨勢;道床板分塊數(shù)量對橫向凹槽受力影響最大,可從1 912 kN降到最小的632 kN,這對凹槽受力非常有利,還可減少設(shè)置橫向凹槽的數(shù)量。綜合各因素分析,42號道岔采用5塊無砟道床板是較為合理的。
岔區(qū)無砟道床板分為5塊,橫向凹槽位置研究以下四種方案:
方案三:轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在尾部,其余道床板橫向凹槽設(shè)在板中;
方案五:轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在首部,其余道床板橫向凹槽設(shè)在板中;
方案六:道床板橫向凹槽均設(shè)在板中;
方案七:轉(zhuǎn)轍器區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在尾部,其余道床板橫向凹槽設(shè)在首部,即所有道床板橫向凹槽均設(shè)在鄰近道岔梁固定支座一端。
四種方案計算結(jié)果對比如表2所示。
表2 計算結(jié)果對比
從表2中可見,道床板橫向凹槽位置對基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小,原因是道岔布置距離連續(xù)梁梁縫較遠;方案五,橫向凹槽受力最小,但固定支座橋墩縱向力、直尖軌尖端相對基本軌位移稍大,另外,橫向凹槽設(shè)置在岔首,位于薄弱的轉(zhuǎn)轍機連接桿溝槽區(qū)域,道床存在應(yīng)力集中,削弱了道床截面強度;方案七,橫向凹槽受力最大,說明橫向凹槽按鄰近連續(xù)梁固定支座布置,對凹槽受力不利,需要增加橫向凹槽設(shè)置數(shù)量;方案六和方案三對比,各檢算項目的結(jié)果基本一致,方案六的尖軌、心軌牽引點處基本軌與橋梁最大相對位移更小,有利于信號轉(zhuǎn)轍機的運轉(zhuǎn),但是轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽設(shè)在板中,位于薄弱的轉(zhuǎn)轍機連接桿溝槽區(qū)域,道床存在應(yīng)力集中,削弱了道床截面強度。綜合各因素分析,42號道岔5 塊無砟道床板按方案三設(shè)置橫向凹槽是較為合理的。
岔區(qū)無砟道床板按方案三分塊和設(shè)置橫向凹槽,在使連續(xù)梁相同溫度跨度情況下,固定支座位置考慮以下2種方案:
方案八:固定支座位置位于5#墩(圖2);
方案九:固定支座位置位于6#墩,鄰近簡支梁支座相應(yīng)調(diào)整。
兩種方案計算結(jié)果對比如表3所示。
從表3中可見,固定支座位置對各檢算項目影響較大,在6#墩時,間隔鐵受力、連續(xù)梁固定墩縱向力降低幅度較大,但基本軌軌條最大伸縮附加壓力、軌條最大伸縮位移、心軌尖端相對翼軌位移等檢算項目增幅較大,對鋼軌受力和心軌轉(zhuǎn)轍機運轉(zhuǎn)不利,這正是橋上無縫道岔設(shè)計主要的控制因素。因此,綜合各因素分析,在相同溫度跨度時,固定支座位置位于5#墩更為合適,即連續(xù)梁固定支座位于道岔的理論岔心前端是較為合理的。
本文主要分析了岔區(qū)無砟道床板分塊數(shù)量、道床橫向凹槽位置、道岔連續(xù)梁固定支座位置對道岔、無砟道床和橋墩的影響。分析結(jié)果表明:
表3 計算結(jié)果對比
(1)道床板分塊數(shù)量對鋼軌伸縮附加壓力、伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較??;對橫向凹槽受力影響較大。
(2)道床板橫向凹槽位置對鋼軌伸縮附加壓力、伸縮位移、限位器和間隔鐵受力影響較小;橫向凹槽按鄰近連續(xù)梁固定支座布置,對凹槽受力不利;考慮轉(zhuǎn)轍機連接桿溝槽區(qū)域,道床受力應(yīng)力集中,削弱道床強度的影響,轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽不宜設(shè)在板中。
(3)固定支座位置對間隔鐵、固定墩、鋼軌伸縮附加壓力、鋼軌伸縮位移、心軌尖端相對翼軌位移等檢算項目影響較大。
(4)綜合分析得出,橋上42號道岔岔區(qū)軌枕埋入式無砟道床板分為5塊,轉(zhuǎn)轍器及轍叉區(qū)域的道床板橫向凹槽布置在尾部,其余橫向凹槽布置在板中,連續(xù)梁固定支座位于道岔理論岔心前端,是較為合理的布置方案(圖3)。
圖3 橋上42號道岔岔區(qū)軌枕埋入式無砟道床板布置示意
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楊明輝(1979~),男,碩士研究生,高級工程師,從事鐵路、城市軌道交通的軌道設(shè)計工作。
U213.6
B
[定稿日期]2016-03-16