連續(xù)梁橋上典型道岔群縱向受力與變形分析

劉 哲，王 平

(西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

由于我國(guó)幅員廣闊，受環(huán)保、節(jié)約用地要求或地形條件的限制，客運(yùn)專線建設(shè)中一些車站必須設(shè)置在大橋或特大橋上，從而出現(xiàn)多組無(wú)縫道岔相互連接形成橋上無(wú)縫道岔群的情況。由于連續(xù)梁橋整體性較好，可為無(wú)縫道岔提供一個(gè)整體連續(xù)、各向穩(wěn)定的鋪設(shè)平臺(tái)，且客運(yùn)專線多為雙線鐵路，因而連續(xù)梁橋上雙線兩組道岔對(duì)稱布置和咽喉區(qū)外側(cè)的單渡線是主要的道岔群布置形式［1］。為了指導(dǎo)和完善連續(xù)梁橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔群時(shí)道岔和橋梁的設(shè)計(jì)方法，本文以這兩種常見(jiàn)道岔群工況為例，分析無(wú)縫道岔群在連續(xù)梁橋上的縱向受力與變形規(guī)律。

1 計(jì)算模型及工況參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

道岔—橋梁相互作用原理定義如下:在梁體溫度變化、列車荷載、列車制動(dòng)/加速以及道岔里軌隨溫度變化伸縮的作用下，梁和橋上道岔之間產(chǎn)生相對(duì)位移，橋上道岔產(chǎn)生鋼軌縱向附加力，對(duì)橋面系作用大小相等、方向相反的反作用力，此力通過(guò)梁、支座傳遞至墩臺(tái)，在橋上道岔與橋梁之間形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系?？梢?jiàn)，鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺(tái)是一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)，只有建立道岔—橋梁—墩臺(tái)一體化模型［1-7］，才能弄清道岔及橋梁的受力與變形規(guī)律。計(jì)算模型如圖1所示。

模型中將鋼軌按扣件支承點(diǎn)劃分為桿單元，岔枕按鋼軌支承點(diǎn)劃分為梁?jiǎn)卧后w按枕孔劃分為梁?jiǎn)卧?，墩臺(tái)、扣件、道床、限位器、間隔鐵均采用線性或非線性彈簧單元模擬。鋼軌通過(guò)扣件單元與岔枕相連，岔枕通過(guò)道床單元與橋梁相連，轍跟通過(guò)限位器單元與基本軌相連，心軌跟端通過(guò)間隔鐵單元與翼軌相連，橋梁固定支座處用墩臺(tái)單元與基礎(chǔ)相連，橋梁外的鋼軌與基礎(chǔ)相連，僅考慮結(jié)構(gòu)的縱向相互作用。模型中道岔可為單組或道岔群，橋梁可為簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁或其它梁型。

1.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中道岔為60 kg/m鋼軌客運(yùn)專線18號(hào)可動(dòng)心軌道岔，有砟軌道線路縱向阻力按12 kN/枕計(jì)算，岔區(qū)每枕縱向阻力按枕長(zhǎng)分布為4.6 kN/m，軌枕間距為0.6 m。Ⅱ型扣件常阻力值取12.5 kN/組。道岔采用雙限位器，其阻力取為分段線性阻力，當(dāng)限位器子母塊貼靠，兩軌相對(duì)位移小于1 mm時(shí)，限位器阻力取為150 MN/m;當(dāng)兩軌相對(duì)位移大于1 mm時(shí)，限位器阻力取為60 MN/m，限位器子母塊間隙取為7 mm。道岔長(zhǎng)翼軌間隔鐵阻力采用線性阻力，取為50 MN/m。兩邊橋臺(tái)的墩臺(tái)縱向剛度為100 MN/cm，簡(jiǎn)支梁橋墩的剛度均為1 MN/cm，連續(xù)梁橋墩的剛度為10 MN/cm。各梁跨均為箱梁，截面形心距上翼緣為1.626 6 m，距下翼緣為1.577 4 m，截面慣性矩為3.704 4 m4/線。

計(jì)算中道岔溫度變化為50℃，橋梁溫度變化為15℃。

1.3 計(jì)算工況

圖1 道岔—橋梁—墩臺(tái)一體化計(jì)算模型

1)工況一:單組道岔

計(jì)算中以單組橋上無(wú)縫道岔作為對(duì)比工況，道岔與橋梁布置如圖2所示，梁跨為(32+48+32)m連續(xù)梁，兩邊各布置3跨32 m簡(jiǎn)支梁，各梁跨均為雙線整體箱梁，無(wú)縫道岔位于連續(xù)梁正中，連續(xù)梁固定支座位于道岔前端。

圖2 單組道岔

2)工況二:雙線兩組道岔對(duì)稱布置

道岔與橋梁布置如圖3所示，梁跨和支座布置與工況一相同，簡(jiǎn)支梁為雙線整體箱梁，岔前、岔后兩正線位于同一片箱梁上，岔后兩站線位于道岔梁或簡(jiǎn)支T梁上，與正線上的簡(jiǎn)支梁箱梁不為整體橋面;連續(xù)梁為四線整體箱梁;橋墩與橋面結(jié)構(gòu)相似，簡(jiǎn)支梁橋墩兩正線下為一整體，站線橋墩與正線橋墩分離，連續(xù)梁橋墩四條正線下均為一整體，兩組道岔均位于連續(xù)梁正中。

圖3 雙線兩組道岔對(duì)稱布置

3)工況三:單渡線道岔

道岔與橋梁布置如圖4所示，梁跨為3×32 m+6×32 m+3×32 m，各梁跨均為雙線整體箱梁，連續(xù)梁固定支座位于正中，單渡線道岔反對(duì)稱布置于連續(xù)梁正中。

圖4 單渡線道岔

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 雙線兩組道岔對(duì)稱布置

直基本軌伸縮附加力分布及與單組道岔的比較如圖5所示，圖中X為距左橋臺(tái)的距離，向右為正;P為道岔直基本軌的伸縮附加力，以壓力為正。從圖中可見(jiàn)，兩組道岔對(duì)稱布置與單組道岔基本軌溫度附加力分布相同，最大伸縮附加力出現(xiàn)在連續(xù)梁左端梁縫處，比單組道岔略大。其他計(jì)算結(jié)果與單組道岔的比較如表1所示，表中鋼軌位移及墩臺(tái)縱向力以向右為正。從表1中可見(jiàn)，兩組道岔對(duì)稱布置與單組道岔鋼軌伸縮位移及傳力部件受力相當(dāng)，而各墩臺(tái)受力增大一倍。

圖5 雙線對(duì)稱布置的兩組道岔溫度附加力

2.2 單渡線道岔

圖6 單渡線道岔溫度附加力

左右側(cè)道岔直基本軌溫度附加力分布及與單組道岔的比較如圖6所示。圖中X為距左橋臺(tái)的距離，向右為正;P為道岔直基本軌的伸縮附加力，以壓力為正。從圖中可見(jiàn)，左右側(cè)道岔基本軌溫度附加力呈反對(duì)稱分布，在岔前連續(xù)梁端部最大值約為277.7 kN，在岔后連續(xù)梁端部最大值約為252.2 kN。雖然單渡線道岔連續(xù)梁最大溫度跨度為128 m，但由于采用對(duì)稱布置，左右道岔作用于橋梁上的縱向力相互抵消，連續(xù)梁端部最大溫度附加力僅比單組道岔72 m溫度跨度情況下的最大溫度附加力261.9 kN略大。

表1 計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

1)兩組道岔對(duì)稱布置時(shí)與單組道岔基本軌溫度附加力分布相同，鋼軌伸縮位移及傳力部件受力也相當(dāng)，各墩臺(tái)受力增大一倍，說(shuō)明在兩道岔對(duì)稱布置時(shí)，可按單組道岔進(jìn)行計(jì)算，墩臺(tái)承受兩組單開(kāi)道岔的傳力。

2)由于單渡線道岔采用對(duì)稱布置，左右道岔各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果是對(duì)稱的，基本軌溫度力及基本軌伸縮位移較單組道岔略大，但傳力部件受力、尖軌及心軌伸縮位移要小于單組道岔，說(shuō)明單渡線這種岔橋布置對(duì)道岔受力是較為有利的。

3)單渡線道岔前后簡(jiǎn)支梁墩臺(tái)受力不到單組道岔的2倍，連續(xù)梁固定墩幾乎不受力，說(shuō)明單渡線這種岔橋布置對(duì)橋梁受力是十分有利的。

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