文 妮

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，430205，武漢∥副教授）

市域軌道交通的設(shè)計(jì)時(shí)速一般為100～160 km/h，是一種介于高速鐵路和地鐵之間的一種軌道交通制式，因此其軌道設(shè)計(jì)不能完全參考高速鐵路和地鐵等相關(guān)規(guī)范。市域軌道交通相對(duì)地鐵而言，速度較高，輪軌動(dòng)力作用較大，因此其橋上道岔設(shè)計(jì)不宜采用地鐵傳統(tǒng)的“有縫+凍結(jié)接頭”［1］?？鐓^(qū)間無(wú)縫線路是市域軌道交通的基本技術(shù)要求之一，而橋上道岔的無(wú)縫化是實(shí)現(xiàn)跨區(qū)間無(wú)縫線路的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于高速鐵路橋上的無(wú)縫道岔已有系統(tǒng)性研究，研究成果納入了相關(guān)規(guī)范［2］。但高速鐵路橋上無(wú)縫道岔布設(shè)對(duì)橋梁和布置方式要求比較嚴(yán)格，其布置方式不適用于市域軌道交通。為了滿足市域軌道交通橋上道岔無(wú)縫化要求，本文針對(duì)市域軌道交通高架橋上單渡線道岔無(wú)縫化開(kāi)展橋梁和軌道合理布置形式研究，以供類似工程設(shè)計(jì)參考。

1 計(jì)算模型與方案

1.1 工程背景

某市域軌道交通4×30 m連續(xù)梁上布置9號(hào)道岔的單渡線，其橋上采用雙塊式無(wú)砟軌道，為雙線道岔梁，線間距4.2 m，位于直線段。線路設(shè)計(jì)最高速度為120 km/h。

橋上道岔區(qū)軌下基礎(chǔ)為桁架式長(zhǎng)枕式整體道床，道岔采用60 kg/m鋼軌9號(hào)道岔。道岔全長(zhǎng)為28.3 m（前后長(zhǎng)度分別為12.57 m和15.73 m），采用相離線型曲線尖軌、高錳鋼整鑄式轍叉及槽型護(hù)軌；其直向最大通過(guò)速度為120 km/h，側(cè)向通過(guò)速度為35 km/h。

1.2 計(jì)算模型

在溫度作用或列車制動(dòng)作用下，橋梁與軌道將產(chǎn)生相對(duì)位移，在橋梁與軌道之間形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系。由于桁架式長(zhǎng)枕式整體道床的長(zhǎng)枕澆筑在道床內(nèi)，而道床通過(guò)預(yù)埋鋼筋直接與橋面連接在一起，所以可以把高架橋上無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)模擬成一個(gè)由梁體與軌道組成的兩層結(jié)構(gòu)體系，建立“軌道-橋梁-墩臺(tái)”相互作用的一體化模型［3-8］（如圖1所示）。

圖1 無(wú)砟軌道橋上無(wú)縫道岔模型示意圖

應(yīng)用ANSYS軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算分析。鋼軌、軌枕和橋梁采用梁?jiǎn)卧M；扣件縱向阻力采用彈簧單元模擬，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)和岔枕節(jié)點(diǎn)上；限位器采用彈簧單元模擬，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)上；固定墩采用彈簧單元模擬，作用于橋梁上。

1.3 計(jì)算參數(shù)

市域軌道交通的4×30 m連續(xù)梁固定支座設(shè)在中間墩上，連續(xù)梁橋墩剛度取500 kN/cm，相鄰簡(jiǎn)支梁橋墩剛度取250 kN/cm。箱梁結(jié)構(gòu)為等高、等寬度連續(xù)箱梁，梁高1.8 m，箱梁頂板全寬10.6 m。箱梁橫截面為單箱單室斜腹板，頂板厚度0.28 m，腹板厚度0.35 m，底板厚度0.28 m。建模時(shí)，在連續(xù)梁左端考慮5孔30 m簡(jiǎn)支梁作為邊界條件，右端的車站模擬為剛度無(wú)窮大的基礎(chǔ)?；炷亮旱臏囟茸兓热?5℃。

9號(hào)單開(kāi)道岔轉(zhuǎn)轍器跟端設(shè)置限位器，間隙值為7 mm，限位器水平螺栓采用高強(qiáng)度螺栓及高強(qiáng)度螺母。道岔總長(zhǎng)為60個(gè)枕跨，導(dǎo)曲線半徑為200.717 m，岔枕間距取0.6 m。道岔直股和側(cè)股均采用凍結(jié)接頭。當(dāng)?shù)刈罡哕墱?1.9℃，最低軌溫-19.6℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫取25.0℃，鎖定軌溫變動(dòng)范圍按±5℃考慮，最大軌溫變化幅度取49.6℃。

1.4 計(jì)算方案

參考《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)橋上道岔布置的規(guī)定，以及城市軌道交通高架橋上道岔布置情況，本文對(duì)市域軌道交通4×30 m連續(xù)梁上單渡線的布置情況進(jìn)行計(jì)算分析，分析不同方案下橋上無(wú)縫道岔受力和變形情況，方案設(shè)定為：方案1——道岔1的始端距梁縫為2 m；方案2——道岔1的始端距梁縫為6 m；方案3——道岔1的始端距梁縫為10 m；方案4——道岔1的始端距梁縫為14 m；方案5——道岔1的始端距梁縫為18 m。各方案的道岔布置示意圖如圖2所示。

圖2 橋上道岔不同布置方案示意圖

2 對(duì)比計(jì)算分析

2.1 對(duì)鋼軌溫度力的影響

對(duì)5種方案進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)比連續(xù)梁橋上道岔不同布置方案對(duì)鋼軌溫度力的影響。圖3～4分別給出了右線直基本軌、左線直基本軌的鋼軌溫度力?？梢钥闯觯旱啦聿煌贾梅桨笇?duì)右線直基本軌伸縮附加力幾乎無(wú)影響，左線直基本軌伸縮附加力受固定墩的影響略有變化。該市域軌道交通正線鋼軌采用了U75V軌，其屈服強(qiáng)度為472 MPa。表1給出了各方案鋼軌強(qiáng)度值、鋼軌溫度應(yīng)力、動(dòng)彎應(yīng)力、伸縮附加力和制動(dòng)［9］，可見(jiàn)各應(yīng)力疊加后的鋼軌強(qiáng)度小于鋼軌容許應(yīng)力，所以鋼軌強(qiáng)度不是限制市域軌道交通橋上道岔無(wú)縫化的關(guān)鍵因素。

圖3 橋上道岔右線直基本軌伸縮附加力

圖4 橋上道岔左線直基本軌伸縮附加力

表1 橋上道岔不同方案的鋼軌強(qiáng)度表MPa

2.2 對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移的影響

圖5為連續(xù)梁上道岔不同布置方案時(shí)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移?？梢钥闯觯弘S著距梁縫距離的增大，道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移逐漸減小，變化規(guī)律近似呈線性。

市域軌道交通高架橋橋墩剛度較小，梁軌相對(duì)位移較大。參考《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定：為滿足道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備正常轉(zhuǎn)換和鎖閉，在伸縮力和制動(dòng)力作用下轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移量不大于5 mm。表2為橋上道岔的伸縮工況和制動(dòng)工況下5種布置方式轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移值，向右為正，向左為負(fù)?？梢钥闯觯旱啦?始端距離梁縫為2、6、10 m時(shí)，伸縮工況和制動(dòng)工況作用下道岔1轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移大于5 mm；道岔1始端距離梁縫14 m和18 m時(shí)，伸縮工況和制動(dòng)工況作用下道岔1轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移總和分別為4.975、4.185 mm，均小于5 mm。

圖5 橋上道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移

表2 橋上道岔不同方案的轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移mm

2.3 對(duì)道岔尖軌位移的影響

表3給出了連續(xù)梁上道岔不同布置方案時(shí)道岔尖軌相對(duì)于基本軌的位移值?？梢钥闯觯旱啦砑廛壪鄬?duì)于基本軌的位移隨道岔1距梁縫距離的增大而減小。

表3 橋上道岔不同方案的尖軌相對(duì)于基本軌位移mm

2.4 橋墩縱向水平線剛度對(duì)道岔位移的影響

為進(jìn)一步探討市域軌道交通高架橋上道岔無(wú)縫化的布置，針對(duì)方案4，分析了連續(xù)梁橋墩縱向水平線剛度分別為 400、500、600、700、800、1 500、2 500 kN/cm時(shí)道岔1的位移情況（見(jiàn)表4）。可以看出：隨著連續(xù)梁橋墩剛度的增大，道岔各部位相對(duì)基本軌的位移逐漸減小，但影響較小。

表4 不同橋墩剛度下道岔1各部位相對(duì)基本軌位移

3 結(jié)論

（1）隨著單渡線道岔始端距梁縫距離的增大，右線鋼軌伸縮附加力基本不變，左線鋼軌伸縮附加力受固定墩影響略有變化。

（2）隨著單渡線道岔始端距梁縫距離的增大，道岔各部位的位移值均減小，變化規(guī)律近似呈線性。

（3）根據(jù)道岔位移隨道岔始端距梁縫距離的變化規(guī)律可知：當(dāng)連續(xù)梁橋上單渡線道岔始端距梁縫大于14 m時(shí)，在伸縮力和制動(dòng)力作用下轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移小于5 mm，道岔鋼軌強(qiáng)度和道岔位移滿足無(wú)縫道岔布置要求，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

（4）隨著連續(xù)梁橋墩剛度的增大，道岔各部位相對(duì)基本軌的位移逐漸減小，但影響較小。