橋上無砟軌道無縫道岔撓曲力模型試驗研究

劉泳鋼，張麗平，楊榮山

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

無縫道岔是實現(xiàn)跨區(qū)間無縫線路的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著我國鐵路客運專線的大力建設(shè)，無縫道岔開始鋪設(shè)于橋上無砟軌道上。無縫道岔是比無縫線路的受力和變形更加復(fù)雜的軌道部件［1］。簡支梁橋上無縫道岔受力條件非常復(fù)雜，梁在列車荷載作用下產(chǎn)生撓曲變形，簡支梁上翼緣收縮，下翼緣伸長，梁的各截面產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，引起上下翼緣縱向位移。由于梁的一端為固定支座，下翼緣的伸長將受到固定支座的約束，當梁撓曲時，梁各截面的位移，實際上是梁的平移和旋轉(zhuǎn)的組合。當上翼緣發(fā)生位移時，它通過橋面結(jié)構(gòu)與軌道的聯(lián)結(jié)，使扣件阻力作用于鋼軌，從而帶動鋼軌位移。此時鋼軌在縱向分布阻力作用下將產(chǎn)生縱向力，即撓曲力［2］。由于列車荷載并不是直接作用在梁上，其傳力方式是道岔—軌道板—梁—墩［3］。由此可知，在列車荷載作用下，道岔和軌道板的關(guān)系、軌道板和梁的關(guān)系以及墩臺位移等都需要進行深入研究，以便弄清橋梁與無縫道岔的相互作用關(guān)系，為建立橋上無縫道岔計算理論提供依據(jù)，繼而指導橋上無縫道岔設(shè)計。

1 試驗方案

1.1 試驗概況

通過對一組鋪設(shè)在3×32 m無砟簡支梁橋上的客運專線18號道岔進行荷載加載模型試驗，研究撓曲力在荷載加載過程中的變化規(guī)律以及產(chǎn)生的撓曲力對橋上無縫道岔、軌道板、梁體等結(jié)構(gòu)的影響。依據(jù)相似三定律進行模擬試驗，該橋上無縫道岔模型比例為1∶3。鋼軌采用8 kg/m輕軌，扣件為重新設(shè)計的扣板式扣件，限位器和間隔鐵采用Q235鋼軋制而成。岔下無砟軌道基礎(chǔ)采用縱連板式無砟軌道，用鋼板單孔箱型梁模擬混凝土梁，以實體鋼軌模擬荷載作用，將其均勻放置在道岔模型結(jié)構(gòu)上。試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1，分別對簡支梁橋的1號墩固定和4號墩固定的兩種工況進行了撓曲力測試，圖中從右至左依次為1號墩～4號墩。

圖1 試驗?zāi)Ｐ蛯崍D

1.2 試驗原理

在撓曲力計算時，不考慮軌面制動力和橋梁的溫度變化，橋梁在豎向荷載作用下的撓曲位移、道岔鋼軌在溫度力作用下的伸縮位移和設(shè)有伸縮調(diào)節(jié)器后的軌條伸縮位移為主動荷載［3］。撓曲力的計算基本假設(shè):①梁的縱向位移按兩跨梁上作用的荷載計算。②前一荷載位置下的撓曲力對后一位置下的撓曲力的影響忽略不計［4］。③計算撓曲力時，不考慮伸縮力的影響［5］。④假設(shè)固定支座能完全阻止梁的位移，不計活動支座摩擦阻力的影響。用非線性有限單元法建立橋上道岔區(qū)道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型［6-8］，該模型中，道岔、軌道板、橋梁和墩臺是一個相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)。圖2(工況1)為簡支梁橋1號墩固定計算模型，圖3(工況2)為簡支梁4號墩固定的計算模型。

圖2 工況1道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型

圖3 工況2道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型

1.3 測點布置及測試內(nèi)容

在本次模型試驗中，鋼軌應(yīng)變是通過光纖光柵應(yīng)變片來測得的，應(yīng)變片布置見圖4。位移通過百分表來測得，測點包括:①尖軌位移;②心軌位移;③尖軌附近限位器處基本軌、尖軌位移;④心軌附近限位器處基本軌、尖軌位移;⑤梁端位移(對于連續(xù)梁要測整個梁兩端位移，對于簡支梁要測每片梁兩端位移);⑥墩位移;⑦梁、板相對位移;⑧固結(jié)機構(gòu)、梁相對位移。

從梁體的右邊開始用吊車向梁體吊裝軌排荷載，吊裝的順序是從右到左，且一層一層地吊裝。同時吊裝過程中必須保證四層軌排擺放端正，不能出現(xiàn)偏心放置的情況。每吊裝一塊軌排，待軌排穩(wěn)定地放置于鋼支架上時，試驗人員方可讀取測點的讀數(shù)，同時記錄下讀數(shù)的時刻，這樣可以使儀器采集的數(shù)據(jù)與位移測點的記錄數(shù)據(jù)同步，以方便數(shù)據(jù)的處理。撓曲力加載過程見圖5。

圖4 光纖光柵應(yīng)變片布置

圖5 撓曲力加載過程

2 試驗結(jié)果分析

2.1 撓曲力測試

基本軌撓曲力理論值的計算采用岔—板—梁—墩一體化計算模型。由無縫道岔的結(jié)構(gòu)可知，在垂向荷載作用下，道岔的尖軌、心軌和里軌的撓曲力均較小，基本軌在固定區(qū)，有相對較為明顯的撓曲力。因此，基本軌的撓曲力最具有代表性，以道岔區(qū)基本軌作為研究對象，分析道岔區(qū)撓曲力的分布機理。

根據(jù)圖3所示的應(yīng)變測點布置圖，進行3次測試，測出各個測點的力。圖中“+”表示鋼軌受拉，“-”表示鋼軌受壓，坐標原點為橋梁左邊第一墩。由圖6和圖7可以看出，由于施加在該模型結(jié)構(gòu)上的軌排荷載較小，縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)試驗測得的數(shù)據(jù)較小，只有在施加荷載的梁體部位測點有相對較為明顯的位移數(shù)據(jù)，沒有施加荷載的梁體部位測點的數(shù)據(jù)基本為0，即使有，可能都是因為人為原因造成軌道板的振動而導致百分表產(chǎn)生很小的位移數(shù)據(jù)。縱連板式無砟軌道的基本軌撓曲力最大為5 kN，最小撓曲力出現(xiàn)在2號梁體部分的基本軌區(qū)域，簡支梁左邊墩固定時基本軌產(chǎn)生的撓曲力與簡支梁右邊墩固定時基本軌產(chǎn)生的撓曲力基本相等。

2.2 位移測試

圖6 簡支梁縱連板1號墩固定基本軌撓曲力實測值與理論值對比

圖7 簡支梁縱連板4號墩固定基本軌撓曲力實測值與理論值對比

道岔、無砟軌道道床板及橋梁理論位移的計算仍采用岔—板—梁—墩一體化計算模型。根據(jù)各測點3次測出的位移值的平均值和理論計算得出表1的結(jié)果(工況1)，可以看出:縱連板簡支梁1號墩固定試驗中2號梁體處左邊梁端的位移較大，位移達到0.313 mm;而右邊梁端的位移較小，為0.004 mm，主要是因為2號梁體的梁面比較寬，受同樣大小荷載作用時，其端部的位移值就比較小。其次橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)部分的變形也非常小，只有岔心以及尖軌部分有一定的位移量，其中尖軌尖端與軌道板的相對位移僅為0.009 mm，1號梁與3號梁處的位移測點基本沒有位移。

表1 縱連板簡支梁1號墩固定的位移實測值與理論值對比

3 結(jié)論及建議

通過對該模型試驗測試，得出簡支梁橋縱連板在模擬撓曲力荷載作用下對橋上無縫道岔、軌道板、梁體結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系及其力和位移的變化規(guī)律。

1)簡支梁固定支座布置位置對撓曲力有很大的影響。工況1中實測最大值為4 300 N，工況2中實測最大值為440 N;工況1中理論最大值為5 000 N，工況2中理論最大值為270 N。

2)當無縫道岔鋪設(shè)在縱連板簡支梁上時，道岔范圍內(nèi)并未出現(xiàn)最大撓曲力峰值，鋼軌的最大撓曲力出現(xiàn)在道岔前端簡支梁和路基的交界處，在橋梁和路基交界處將出現(xiàn)鋼軌撓曲力的拐點。

3)橋梁剛度增大，撓曲力減?。?］。橋上無縫道岔梁的抗彎剛度比普通梁的抗彎剛度大，道岔梁在豎向荷載下的撓曲縱向位移較小，與文獻［3］解釋一致。

4)在橋上無縫道岔無砟軌道撓曲力的技術(shù)結(jié)果比較中，雖然理論計算值與測試值存在一定差異，但差值不大，在允許范圍以內(nèi)，且整體變化規(guī)律基本吻合。驗證了非線性有限單元法建立橋上道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型的正確性。

［1］范俊杰，谷愛軍，陳岳源.無縫道岔的理論與試驗研究［J］.鐵道學報，2000，22(2):55-59.

［2］盧祖文，楊應(yīng)環(huán).鐵路無縫線路［M］.第四版.北京:中國鐵道出版社，2005:224-225.

［3］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設(shè)計方法［M］.第一版.成都:西南交通大學出版社，2007:240-245.

［4］任娟娟.橋上無縫道岔區(qū)縱連式無砟軌道受力特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.成都:西南交通大學博士學位論文，2009.

［5］盧耀榮，馮淑卿.橋上無縫線路撓曲力的計算［J］.鐵道學報，1987(9):56-67.

［6］王平，楊榮山，劉學毅.無縫道岔鋪設(shè)于長大連續(xù)梁橋上時的受力與變形分析［J］.交通運輸工程與信息學報，2004，2(3):16-21.

［7］徐慶元.用有限元法分析無縫道岔的受力與變形［J］.中國鐵道科學，2003，24(6):36-40.

［8］何華武.時速250 km級18號道岔設(shè)計理論與試驗研究［J］.鐵道學報，2007，29(1):66-71.

［9］劉棣華.高墩橋的橋梁和軌道相互作用的撓曲力［J］.中國鐵道科學，1995，16(3):72-79.