橋上無(wú)縫道岔與橋梁布置有限元分析

宮萬(wàn)國(guó)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，受土地資源、地形地貌等因素影響，橋梁工程的比例越來(lái)越高，其中不乏車站設(shè)置于橋梁之上的特殊情況，咽喉區(qū)無(wú)縫道岔不可避免地設(shè)置于橋梁之上。為保證道岔的工作狀態(tài)，一般將無(wú)縫道岔整組布置于連續(xù)梁上，對(duì)于客運(yùn)專線大號(hào)碼道岔咽喉區(qū)，由于道岔本身較長(zhǎng)且布置多組道岔，由此引起多聯(lián)大跨度連續(xù)梁集中布置的情況，本文結(jié)合典型橋上咽喉區(qū)布置情況(如圖1所示)，對(duì)普通橋上無(wú)縫線路及橋上無(wú)縫道岔群進(jìn)行對(duì)比檢算，提出咽喉區(qū)橋上無(wú)縫道岔與橋梁的相對(duì)布置關(guān)系與原則。

圖1 橋上咽喉區(qū)多聯(lián)連續(xù)梁及道岔布置示意

1 計(jì)算模型

橋上無(wú)縫道岔較區(qū)間橋上無(wú)縫線路檢算，主要區(qū)別在于橋上無(wú)縫道岔由于道岔本身涉及多股道鋼軌及各種限位結(jié)構(gòu)共同作用，其計(jì)算模型較區(qū)間橋上無(wú)縫線路更復(fù)雜，但兩者計(jì)算理論均采用梁軌相互作用原理，本文采用通用有限元軟件，分別針對(duì)上述橋上無(wú)縫道岔布置建立普通區(qū)間橋上無(wú)縫線路分析及橋上無(wú)縫道岔有限元分析模型，鋼軌均采用梁?jiǎn)卧M，扣件縱向阻力采用彈簧單元模擬，道岔轍叉限位裝置采用彈簧單元模擬，橋梁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，固定墩采用彈簧單元模擬。見(jiàn)圖2～圖5。

2 計(jì)算參數(shù)

橋上無(wú)縫道岔及區(qū)間橋上無(wú)縫線路檢算參數(shù)如表1所示。限位器及間隔鐵的阻力曲線分別如圖6和圖7所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 檢算分析

3.1 鋼軌伸縮力檢算

普通區(qū)間橋上無(wú)縫線路檢算如表2及圖8。橋上無(wú)縫道岔檢算如表3及圖9。

表2 梁縫處鋼軌伸縮附加力及應(yīng)力最大值

表3 梁縫鋼軌伸縮附加力及應(yīng)力最大值

由上述鋼軌伸縮附加力檢算可見(jiàn):橋上無(wú)縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值仍位于梁縫處，但由于道岔尖軌限位器作用，梁縫附近布置道岔時(shí)的鋼軌伸縮附加力較普通區(qū)間橋上無(wú)縫線路均有所增加，增幅約1.18～1.51;普通區(qū)間橋上無(wú)縫線路鋼軌伸縮附加力最大值(350.3 kN)在橋梁溫度跨度最大處(218.5m)，而橋上無(wú)縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值(458.0 kN)在103#和105#道岔之間梁縫處，此處橋梁溫度跨度186.5m，主要是由于該處梁縫兩側(cè)兩組道岔對(duì)向布置，道岔尖軌鋼軌附加力二次疊加;橋上無(wú)縫道岔鋼軌伸縮附加力增幅最大處(5號(hào)梁縫，增幅1.51)主要由于道岔岔前距梁縫距離較小(119#道岔)，橋梁伸縮及尖軌限位同時(shí)作用，疊加效果較大。

3.2 鋼軌伸縮位移檢算

由于道岔本身限位裝置及線形要求，對(duì)基本軌相對(duì)橋梁和尖軌相對(duì)基本軌位移均有相應(yīng)限值，橋梁、道岔伸縮位移分布如圖10和表4。

表4 梁軌伸縮位移

尖軌相對(duì)基本軌最大位移23.7 mm，滿足客專(07)004道岔要求的30mm;心軌相對(duì)基本軌最大位移6.2 mm，滿足一般道岔要求的8 mm。

3.3 轍叉限位裝置檢算

道岔傳力件受力如表5。

間隔鐵受力來(lái)檢算，螺栓剪應(yīng)力為

式中，T為螺栓承受剪力;T'為摩阻力，螺栓扭矩為600 N·m時(shí)，小間隔鐵取40 kN/塊;d為螺栓直徑，d=24 mm。此處假定螺栓平均受力。轍跟處小間隔鐵由2根螺栓組成，單個(gè)螺栓承受剪力為總和的1/2。

表5 道岔傳力件受力kN

間隔鐵受力最大值為155.7 kN，經(jīng)檢算螺栓剪應(yīng)力

因此，間隔鐵螺栓的抗剪能力滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

由于不同列車荷載、運(yùn)行速度及地區(qū)環(huán)境鋼軌動(dòng)應(yīng)力及基本溫度力均不同，所以本文未對(duì)鋼軌應(yīng)力進(jìn)行疊加檢算，但無(wú)縫道岔布置于連續(xù)梁上時(shí)其鋼軌伸縮附加力較區(qū)間橋上無(wú)縫線路增幅要大，尤其在咽喉區(qū)多聯(lián)連續(xù)梁且兩組道岔對(duì)向布置情況最為不利。由于運(yùn)輸組織功能需求，道岔對(duì)向布置情況不可避免，此時(shí)應(yīng)在兩連續(xù)梁間插入簡(jiǎn)支梁，減少橋梁溫度跨度，有效降低梁軌相互作用力。道岔距梁縫應(yīng)保持一定距離，以盡量減少連續(xù)梁溫度跨度與道岔限位裝置鋼軌附加力疊加效應(yīng)。

通過(guò)對(duì)梁軌位移及道岔限位裝置受力檢算可知，當(dāng)整組無(wú)縫道岔布置于連續(xù)梁上時(shí)，道岔尖軌、心軌位移及限位裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均可滿足其限值要求。

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