市域軌道交通連續(xù)梁橋上的無縫道岔布置*

文 妮

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院，430205，武漢∥副教授）

市域軌道交通的設計時速一般為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，因此其軌道設計不能完全參考高速鐵路和地鐵等相關(guān)規(guī)范。市域軌道交通相對地鐵而言，速度較高，輪軌動力作用較大，因此其橋上道岔設計不宜采用地鐵傳統(tǒng)的“有縫+凍結(jié)接頭”［1］?？鐓^(qū)間無縫線路是市域軌道交通的基本技術(shù)要求之一，而橋上道岔的無縫化是實現(xiàn)跨區(qū)間無縫線路的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)對于高速鐵路橋上的無縫道岔已有系統(tǒng)性研究，研究成果納入了相關(guān)規(guī)范［2］。但高速鐵路橋上無縫道岔布設對橋梁和布置方式要求比較嚴格，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縫化要求，本文針對市域軌道交通高架橋上單渡線道岔無縫化開展橋梁和軌道合理布置形式研究，以供類似工程設計參考。

1 計算模型與方案

1.1 工程背景

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

橋上道岔區(qū)軌下基礎(chǔ)為桁架式長枕式整體道床，道岔采用60 kg/m鋼軌9號道岔。道岔全長為28.3 m（前后長度分別為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軌；其直向最大通過速度為120 km/h，側(cè)向通過速度為35 km/h。

1.2 計算模型

在溫度作用或列車制動作用下，橋梁與軌道將產(chǎn)生相對位移，在橋梁與軌道之間形成一個相互作用的力學平衡體系。由于桁架式長枕式整體道床的長枕澆筑在道床內(nèi)，而道床通過預埋鋼筋直接與橋面連接在一起，所以可以把高架橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)模擬成一個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”相互作用的一體化模型［3-8］（如圖1所示）。

圖1 無砟軌道橋上無縫道岔模型示意圖

應用ANSYS軟件建立模型進行計算分析。鋼軌、軌枕和橋梁采用梁單元模擬；扣件縱向阻力采用彈簧單元模擬，作用于鋼軌節(jié)點和岔枕節(jié)點上；限位器采用彈簧單元模擬，作用于鋼軌節(jié)點上；固定墩采用彈簧單元模擬，作用于橋梁上。

1.3 計算參數(shù)

市域軌道交通的4×30 m連續(xù)梁固定支座設在中間墩上，連續(xù)梁橋墩剛度取500 kN/cm，相鄰簡支梁橋墩剛度取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，在連續(xù)梁左端考慮5孔30 m簡支梁作為邊界條件，右端的車站模擬為剛度無窮大的基礎(chǔ)。混凝土梁的溫度變化幅度取25℃。

9號單開道岔轉(zhuǎn)轍器跟端設置限位器，間隙值為7 mm，限位器水平螺栓采用高強度螺栓及高強度螺母。道岔總長為60個枕跨，導曲線半徑為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?shù)刈罡哕墱?1.9℃，最低軌溫-19.6℃，設計鎖定軌溫取25.0℃，鎖定軌溫變動范圍按±5℃考慮，最大軌溫變化幅度取49.6℃。

1.4 計算方案

參考《鐵路無縫線路設計規(guī)范》中對橋上道岔布置的規(guī)定，以及城市軌道交通高架橋上道岔布置情況，本文對市域軌道交通4×30 m連續(xù)梁上單渡線的布置情況進行計算分析，分析不同方案下橋上無縫道岔受力和變形情況，方案設定為：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 對比計算分析

2.1 對鋼軌溫度力的影響

對5種方案進行了計算分析，對比連續(xù)梁橋上道岔不同布置方案對鋼軌溫度力的影響。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τ揖€直基本軌伸縮附加力幾乎無影響，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，其屈服強度為472 MPa。表1給出了各方案鋼軌強度值、鋼軌溫度應力、動彎應力、伸縮附加力和制動［9］，可見各應力疊加后的鋼軌強度小于鋼軌容許應力，所以鋼軌強度不是限制市域軌道交通橋上道岔無縫化的關(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度表MPa

2.2 對轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移的影響

圖5為連續(xù)梁上道岔不同布置方案時道岔轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移?？梢钥闯觯弘S著距梁縫距離的增大，道岔轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移逐漸減小，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，梁軌相對位移較大。參考《鐵路無縫線路設計規(guī)范》中的規(guī)定：為滿足道岔轉(zhuǎn)換設備正常轉(zhuǎn)換和鎖閉，在伸縮力和制動力作用下轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移量不大于5 mm。表2為橋上道岔的伸縮工況和制動工況下5種布置方式轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移值，向右為正，向左為負?？梢钥闯觯旱啦?始端距離梁縫為2、6、10 m時，伸縮工況和制動工況作用下道岔1轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移大于5 mm；道岔1始端距離梁縫14 m和18 m時，伸縮工況和制動工況作用下道岔1轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移總和分別為4.975、4.185 mm，均小于5 mm。

圖5 橋上道岔轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移

表2 橋上道岔不同方案的轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移mm

2.3 對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道岔尖軌相對于基本軌的位移值。可以看出：道岔尖軌相對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于基本軌位移mm

2.4 橋墩縱向水平線剛度對道岔位移的影響

為進一步探討市域軌道交通高架橋上道岔無縫化的布置，針對方案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時道岔1的位移情況（見表4）?？梢钥闯觯弘S著連續(xù)梁橋墩剛度的增大，道岔各部位相對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：當連續(xù)梁橋上單渡線道岔始端距梁縫大于14 m時，在伸縮力和制動力作用下轉(zhuǎn)轍機處梁軌相對位移小于5 mm，道岔鋼軌強度和道岔位移滿足無縫道岔布置要求，可供類似工程設計參考。

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