市域鐵路大跨連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔群縱向力學(xué)特性分析

張艷平

(東莞市軌道交通有限公司， 廣東 東莞 523076)

市域鐵路作為都市圈多層次軌道交通體系的重要組成部分，具有線路條件苛刻、橋跨布置復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。隨著城市化和鐵路的快速發(fā)展，市域鐵路的建設(shè)中不可避免的會(huì)出現(xiàn)大跨連續(xù)梁上布置無(wú)縫道岔的情況。橋上無(wú)縫道岔本就是多層異質(zhì)相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)[2]，復(fù)雜的無(wú)縫道岔、無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式再疊加大跨橋梁大變形、大溫跨的影響，軌道安全服役性能將受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，高架站前、站后道岔一般是成群布置的，鋼軌縱向力分布還會(huì)受到道岔群間相互作用的影響。

諸多學(xué)者針對(duì)連續(xù)梁上無(wú)縫道岔縱向力學(xué)特性展開(kāi)了研究，橋梁主跨從32 m、48 m、56 m到64 m逐漸遞增，研究?jī)?nèi)容主要包括岔橋相對(duì)位置、各種工況下無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)受力變形檢算、小阻力扣件布設(shè)等方面[3-6]。高增增等[7]分析了典型高架站咽喉區(qū)無(wú)縫道岔的軌道受力和變形特性，提出鋪設(shè)小阻力扣件以及在道岔梁間插入簡(jiǎn)支梁對(duì)無(wú)縫道岔受力有利。陳新[8]對(duì)客運(yùn)專線道岔梁結(jié)構(gòu)形式和橋跨布置展開(kāi)了研究，認(rèn)為在典型咽喉區(qū)采用32.7 m的梁橋較為合理，并提出了岔橋相對(duì)位置的布置原則。高亮等[9]建立了主跨48 m連續(xù)梁上無(wú)縫道岔空間耦合模型，分析了溫度荷載及列車荷載作用下無(wú)縫道岔受力及變形，著重強(qiáng)調(diào)了鋼軌橫向變形的重要性。孫加林[10]以鄭西客運(yùn)專線主跨56 m橋上單開(kāi)和渡線道岔為背景，研究了溫度場(chǎng)作用下無(wú)縫道岔的縱、橫向受力與變形，得出鋼軌縱向位移遠(yuǎn)大于橫向位移以及梁體變形與道岔結(jié)構(gòu)形式無(wú)關(guān)的結(jié)論。然而，以上研究中針對(duì)主跨 64 m及以上的大跨連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔的研究較為匱乏，僅文獻(xiàn)[2]對(duì)主跨64 m連續(xù)梁橋上1組18號(hào)單開(kāi)道岔進(jìn)行了受力變形檢算，且其道岔形式單一，并未考慮道岔群間的相互影響。

本文以某市域鐵路高架站咽喉區(qū)橋上無(wú)縫道岔群為研究對(duì)象，建立岔-橋-墩一體化計(jì)算模型，分析溫度變化、列車制(啟)動(dòng)作用下大跨連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔群縱向力變化規(guī)律，并以《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]要求對(duì)不同無(wú)縫道岔軌道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行軌道力學(xué)檢算。研究結(jié)果可為大跨連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔軌道設(shè)計(jì)方案提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與荷載參數(shù)

1.1 岔橋相對(duì)位置

某市域鐵路高架站后咽喉區(qū)橋跨布置為：28 m簡(jiǎn)支梁+(26+27+26)m連續(xù)梁+(40+64+40)m連續(xù)梁+26 m簡(jiǎn)支梁+6×32 m連續(xù)梁+4×32 m簡(jiǎn)支梁。主跨64 m連續(xù)梁上擬鋪設(shè)兩組18號(hào)單開(kāi)道岔，沿線路中心線對(duì)稱布置，岔心距連續(xù)梁左端85 m，線路條件由四線變?yōu)殡p線，線間距為4.6 m；6×32 m連續(xù)梁上擬鋪設(shè)2組18號(hào)4.6 m間距單渡線道岔，4號(hào)岔心距連續(xù)梁左端52 m，單渡線岔心里程距離為85.656 m。連續(xù)梁固定支座設(shè)置于4號(hào)、6號(hào)和12號(hào)墩，簡(jiǎn)支梁固定支座均位于大里程端，股道編號(hào)、道岔編號(hào)、橋墩編號(hào)、支座布置以及岔橋相對(duì)位置如圖1所示，橋墩縱向剛度如表1所示。

圖1 岔橋相對(duì)位置布置圖

表1 雙線橋墩縱向剛度表(kN/cm)

1.2 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

18號(hào)無(wú)縫道岔采用材質(zhì)為U71MnG的60 kg/m鋼軌，屈服強(qiáng)度為457 MPa，考慮1.3的安全系數(shù)，容許應(yīng)力為351 MPa。道岔全長(zhǎng)69 m，前長(zhǎng)31.729 m，后長(zhǎng)37.271 m。轉(zhuǎn)轍器采用相離半切線型60AT2彈性可彎曲線尖軌，尖軌尖端為藏尖式，尖軌跟端設(shè)置2組限位器。轍叉采用鋼軌組合型可動(dòng)心轍叉，心軌采用60AT2制造，短心軌后端為滑動(dòng)端，翼軌采用60TY1鋼軌制造，長(zhǎng)、短心軌與翼軌間各設(shè)置2組間隔鐵。岔區(qū)采用彈條Ⅱ型分開(kāi)式扣件、長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道，正線采用WJ-8B型扣件、CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道?？奂壪履z墊剛度取為25 kN/mm，軌枕間距為0.63 m，阻力采用雙線性，根據(jù)軌枕間距換算得到每延米線路縱向阻力為23.8 kN/(m·軌)，彈塑性分界位移取為2 mm。

1.3 荷載參數(shù)

鎖定軌溫是影響無(wú)縫道岔群溫度力的重要參數(shù)[12]。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，最高軌溫取為61.3 ℃，最低軌溫為-28.2 ℃。參考附近區(qū)域工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工要求，正線設(shè)計(jì)鎖定軌溫為22 ℃±5 ℃，則最大升溫幅度為44.3 ℃，最大降溫幅度為55.2 ℃，岔區(qū)設(shè)計(jì)鎖定軌溫初步定為與正線一致，則最大溫度拉力為134.2 MPa。參考《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，無(wú)砟軌道橋梁按年溫差取為30 ℃。

車輛采用市域D型車，軸重17 t，固定軸距2.5 m，轉(zhuǎn)向架中心距15.7 m，8輛編組，長(zhǎng)度為188 m，最高運(yùn)行速度200 km/h。參考《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，制動(dòng)荷載取為48 kN/m，考慮整車加載。根據(jù)車輛荷載和軌道參數(shù)計(jì)算得到的軌底動(dòng)彎拉應(yīng)力為125.1 MPa。

根據(jù)《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，為滿足鋼軌應(yīng)力不超限，此時(shí)伸縮應(yīng)力和制動(dòng)應(yīng)力之和不能超過(guò)91.7 MPa。

2 岔-橋-墩一體化計(jì)算模型

無(wú)縫道岔與橋梁之間的相互作用除了考慮類似無(wú)縫線路固定區(qū)的梁軌相互作用外，還需疊加道岔里軌伸縮引起的岔-橋相互作用。道岔里軌在溫度變化下產(chǎn)生的伸縮通過(guò)岔枕帶動(dòng)基本軌產(chǎn)生位移，再由扣件、道床系統(tǒng)引起與橋梁的相互作用。因此，需將道岔與橋梁看作相互影響的耦合系統(tǒng)，建立岔-橋-墩一體化計(jì)算模型來(lái)分析橋上無(wú)縫道岔縱向力學(xué)特性。

模型中鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，考慮為只發(fā)生縱向位移的拉壓桿件，尖軌和心軌變截面范圍具有按線性變化的截面剛度；軌枕簡(jiǎn)化為水平面內(nèi)彈性可彎等截面梁?jiǎn)卧?；扣件、尖軌跟端限位器、心軌跟端間隔鐵均簡(jiǎn)化為非線性彈簧，其中扣件彈簧剛度由彈條Ⅱ型扣件阻力以軌枕間距進(jìn)行換算，限位器和間隔鐵的阻力值參考文獻(xiàn)[13]取值。墩臺(tái)對(duì)于梁體的縱向約束采用線形彈簧模擬，剛度按墩臺(tái)實(shí)際縱向剛度取值。由于道床板與橋梁通過(guò)門型鋼筋緊密相連，兩者相對(duì)位移很小，可將道岔板與橋梁視為一體，此時(shí)道岔與橋梁之間僅通過(guò)扣件縱向阻力產(chǎn)生相互作用[14]，道岔板與橋梁均以梁?jiǎn)卧M，岔-橋-墩一體化計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 岔-橋-墩一體化計(jì)算模型示意圖

3 無(wú)縫道岔縱向力學(xué)特性

3.1 常阻力扣件方案

3.1.1 溫度變化

除岔區(qū)外，全橋采用常阻力扣件時(shí)，鋼軌按最大降溫幅度施加溫度荷載，橋梁降溫30 ℃時(shí)，第二、三股道的上、下股鋼軌伸縮力如圖3所示，伸縮力以壓力為正。

圖3 鋼軌伸縮力分布圖

由圖3可知，鋼軌伸縮力最大值出現(xiàn)在主跨 64 m連續(xù)梁右梁縫處，第二股道最大伸縮力為965.1 kN，第三股道最大伸縮力963.2 kN，兩者差距不大，故后文僅對(duì)第二股道進(jìn)行分析。在兩道岔梁中部伸縮力均出現(xiàn)一定量的突變，這是轍叉區(qū)間隔鐵作用的結(jié)果。對(duì)于主跨64 m橋上單開(kāi)道岔而言，由于右側(cè)溫度跨度大于左側(cè)，故鋼軌伸縮力峰值出現(xiàn)在右梁縫處，而對(duì)于6×32 m橋上單渡線而言，基于同樣的原因，鋼軌伸縮力峰值本應(yīng)出現(xiàn)在右梁縫處，但由于道岔群間的相互影響，其左梁縫處鋼軌伸縮力反而大于右梁縫處。因此，在分析橋上無(wú)縫道岔縱向力時(shí)，需考慮道岔群之間相互作用的影響。

3.1.2 列車制(啟)動(dòng)作用

由于列車的制、啟動(dòng)力作用的作用方向不同，使得鋼軌縱向力會(huì)出現(xiàn)反向，但是量值相同，因此僅分析鋼軌制動(dòng)力分布即可?？紤]列車在第二股道發(fā)生制動(dòng)，車頭放置在主跨64 m連續(xù)梁右梁縫處。列車從左向右入橋和從右向左入橋時(shí)鋼軌制動(dòng)力分布如圖4所示，制動(dòng)力以壓力為正。

圖4 常阻力扣件下鋼軌制動(dòng)力分布圖

由圖4可知，由于計(jì)算時(shí)考慮最不利工況，將車頭放置在伸縮力最大處，因此無(wú)論列車從左向右入橋還是從右向左入橋，鋼軌制動(dòng)力峰值均出現(xiàn)在主跨64 m連續(xù)梁右梁縫處。從右向左入橋時(shí)鋼軌制動(dòng)力最大值大于從左向右入橋，達(dá)到142.9 kN。

由3.1.1節(jié)和3.1.2節(jié)可知，鋼軌伸縮應(yīng)力和鋼軌制動(dòng)應(yīng)力之和達(dá)到142.8 MPa，遠(yuǎn)超兩者之和的限值91.7 MPa，故常阻力方案不能滿足鋼軌容許應(yīng)力要求。

3.2 小阻力扣件方案

由常阻力扣件下鋼軌伸縮力分布可知，在主跨64 m連續(xù)梁及(6×32)m單渡線梁右梁縫處鋼軌伸縮力較大，故考慮兩種小阻力扣件方案。

方案一：在伸縮力峰值附近布置小阻力扣件，即在D7～D10、D14～D16號(hào)墩之間布置小阻力扣件；

方案二：在道岔梁及其間插入的簡(jiǎn)支梁的非岔區(qū)上布置小阻力扣件，即在D5～D15號(hào)墩之間布置小阻力扣件。

3.2.1 溫度變化

鋼軌按最大降溫幅度施加溫度荷載，橋梁降溫30 ℃時(shí)，兩種小阻力扣件布設(shè)方案下第二股道下股鋼軌伸縮力分布如圖5所示。

圖5 小阻力扣件下鋼軌伸縮力分布圖

由圖5可知，方案一、方案二鋼軌伸縮力最大值分別為642.7 kN、568.4 kN，分別較常阻力扣件方案減少了33.4%和41.1%，位置同樣出現(xiàn)在主跨64 m連續(xù)梁右梁縫處。由此可見(jiàn)，鋪設(shè)小阻力扣件可有效降低鋼軌伸縮力峰值，相比在伸縮力峰值附近鋪設(shè)小阻力扣件而言，在道岔梁及其間插入的簡(jiǎn)支梁上鋪設(shè)小阻力扣件的方案更優(yōu)。

3.2.2 列車制(啟)動(dòng)作用

考慮列車在第二股道發(fā)生制動(dòng)，車頭放置在主跨64 m連續(xù)梁右梁縫處，從右向左入橋，兩種小阻力扣件方案下鋼軌制動(dòng)力分布如圖6所示。

圖6 小阻力扣件下鋼軌制動(dòng)力分布圖

由圖6可知，兩種小阻力扣件方案鋼軌制動(dòng)力分布規(guī)律類似，制動(dòng)力最大值在141.3 kN左右，位置同樣出現(xiàn)在主跨64 m連續(xù)梁右梁縫處。相比常阻力扣件方案而言，鋼軌伸縮力分布規(guī)律以及峰值均近乎相同。由此可見(jiàn)，扣件阻力對(duì)鋼軌制動(dòng)力影響不大。

由3.2.1節(jié)和3.2.2節(jié)可知，鋼軌伸縮應(yīng)力和鋼軌制動(dòng)應(yīng)力之和達(dá)到91.6 MPa，十分接近兩者之和的限值91.7 MPa，為使鋼軌應(yīng)力有一定富余，需考慮其他軌道設(shè)計(jì)措施。

3.3 降低鎖定軌溫

考慮到無(wú)縫道岔本就是軌道的薄弱環(huán)節(jié)，若再在道岔兩端鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，無(wú)疑會(huì)增加后期運(yùn)營(yíng)部門的養(yǎng)護(hù)維修工作量。由于無(wú)縫道岔及前后一定范圍線路可單獨(dú)設(shè)置為一個(gè)單元軌節(jié)，可適當(dāng)降低其鎖定軌溫，從而達(dá)到降低溫度應(yīng)力的目的。

考慮將岔區(qū)鎖定軌溫相比正線降低5 ℃，即岔區(qū)鎖定軌溫取為17 ℃±5 ℃，則最大升溫幅度為 49.3 ℃，最大降溫幅度為50.2 ℃，最大溫度拉力為122.0 MPa。

4 軌道力學(xué)檢算

橋上無(wú)縫道岔檢算包含應(yīng)力檢算和位移檢算，應(yīng)力檢算時(shí)需滿足鋼軌總應(yīng)力和道岔傳力部件聯(lián)結(jié)螺栓受力小于容許應(yīng)力限值，而位移檢算包括鋼軌折斷時(shí)斷縫值、道岔可動(dòng)部分縱向位移不超過(guò)規(guī)定容許值，同時(shí)，為滿足設(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。

4.1 應(yīng)力檢算

4.1.1 鋼軌應(yīng)力檢算

橋上無(wú)縫道岔在進(jìn)行鋼軌應(yīng)力檢算時(shí)需滿足動(dòng)彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力、伸縮應(yīng)力以及制動(dòng)應(yīng)力之和在鋼軌容許應(yīng)力范圍內(nèi)。通過(guò)適當(dāng)降低鎖定軌溫，在道岔梁及其間插入的簡(jiǎn)支梁上鋪設(shè)小阻力扣件的軌道措施，此時(shí)鋼軌應(yīng)力滿足容許應(yīng)力要求，應(yīng)力檢算如表2所示。

表2 鋼軌應(yīng)力檢算表

4.1.2 道岔傳力部件受力檢算

道岔傳力部件包括尖軌跟端的限位器和心軌跟端的間隔鐵，限位器或間隔鐵聯(lián)結(jié)螺栓剪切強(qiáng)度可按式(1)檢算。

(1)

式中：τ——螺栓剪切強(qiáng)度(MPa)；

t——限位器或間隔鐵聯(lián)結(jié)螺栓承受的最大剪力(N)；

d——螺栓直徑(mm)；

[τ]——栓容許剪切應(yīng)力(MPa)。

由式(1)計(jì)算得，限位器或間隔鐵螺栓的容許縱向力按475 kN為控制標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)計(jì)算，溫度變化對(duì)道岔傳力部件受力最不利。在降溫作用下，各組道岔尖軌跟端限位器所受縱向力基本為0，心軌跟端間隔鐵所受縱向力最大值如表3所示，均滿足應(yīng)力限值要求。

表3 間隔鐵縱向力表

4.2 位移檢算

4.2.1 鋼軌斷縫值檢算

考慮在最不利工況下發(fā)生斷軌，僅一股鋼軌折斷，斷軌位置設(shè)置在伸縮力最大處，得到鋼軌縱向位移分布如圖7所示，位移以向右為正。

圖7 斷軌工況下鋼軌縱向位移分布圖

一般情況鋼軌允許斷縫值取70 mm，困難條件下按90 mm考慮。由圖7可知，鋼軌斷縫值達(dá)到 83.4 mm，已超過(guò)一般情況下70 mm的斷縫允許值。一方面，從運(yùn)營(yíng)實(shí)踐來(lái)看，由于斷軌時(shí)的軌溫一般高于設(shè)計(jì)所采用的歷年最低軌溫，實(shí)際斷縫值小于設(shè)計(jì)計(jì)算值。另一方面，考慮到本線處于大溫差地區(qū)，道岔又位于大跨連續(xù)梁上，因此考慮為困難條件，斷縫允許值按90 mm控制。值得注意的是，在橋上斷縫允許值放寬范圍內(nèi)不得設(shè)置鋼軌工地焊接接頭，線路養(yǎng)護(hù)部門也應(yīng)加強(qiáng)鋼軌探傷等維護(hù)工作。

4.2.2 道岔可動(dòng)部分縱向位移檢算

為保證無(wú)縫道岔不出現(xiàn)轉(zhuǎn)換卡阻、尖軌側(cè)拱、心軌爬臺(tái)等病害，需將尖軌相對(duì)基本軌、心軌相對(duì)翼軌位移控制在一定范圍內(nèi)。尖軌允許伸縮位移按40 mm控制，心軌允許伸縮位移按20 mm控制。溫度變化下，道岔可動(dòng)部分縱向位移如表4所示，均滿足位移限值要求。

表4 尖軌、心軌位移表

4.2.3 梁軌相對(duì)位移檢算

在伸縮力作用下，第二股道和第三股道基本軌梁軌相對(duì)位移如圖8所示。道岔梁固定墩一定范圍內(nèi)梁軌相對(duì)位移較小，距離固定墩越遠(yuǎn)，梁軌相對(duì)位移快速增加，在道岔梁左、右梁縫處達(dá)到極值，基本軌梁軌相對(duì)位移最大值為30.4 mm。1號(hào)、2號(hào)道岔位于第二股道，3號(hào)、4號(hào)道岔位于第三股道，其尖軌、心軌轉(zhuǎn)轍機(jī)處基本軌梁軌相對(duì)位移均小于5 mm，滿足位移限值要求。

圖8 伸縮力作用下基本軌梁軌相對(duì)位移圖

在制動(dòng)力作用下，列車從左向右入橋和從右向左入橋時(shí)基本軌梁軌相對(duì)位移如圖9所示。可以看出，列車從右向左制動(dòng)時(shí)，基本軌梁軌相對(duì)位移更大，說(shuō)明列車從右向左制動(dòng)更為不利，同時(shí)也是右入橋時(shí)列車制動(dòng)力大于左入橋時(shí)的原因。無(wú)論列車從左向右入橋還是從右向左入橋，基本軌梁軌相對(duì)位移均小于 1 mm，則尖軌、心軌轉(zhuǎn)轍機(jī)處基本軌梁軌相對(duì)位移均滿足5 mm位移限值要求。

圖9 制動(dòng)力作用下基本軌梁軌相對(duì)位移圖

5 結(jié)論

本文以某市域鐵路主跨64 m連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔群為實(shí)際工程背景，建立岔-橋-墩一體化計(jì)算模型，分析不同軌道設(shè)計(jì)方案下大跨連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔群縱向力變化規(guī)律，并以《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求開(kāi)展應(yīng)力和位移檢算，得出主要結(jié)論如下：

(1)全橋采用常阻力扣件時(shí)，溫度荷載作用下各股道伸縮力峰值相差不大，最大值達(dá)到965.1 kN，出現(xiàn)在主跨64 m道岔梁右梁縫處，鋼軌總應(yīng)力遠(yuǎn)超容許應(yīng)力要求。

(2)鋪設(shè)小阻力扣件可有效降低鋼軌伸縮力幅值，對(duì)鋼軌制動(dòng)力則影響不大，相比在伸縮力峰值附近鋪設(shè)小阻力扣件，在道岔梁及其間插入的簡(jiǎn)支梁上鋪設(shè)小阻力扣件的方案更優(yōu)。

(3)相比從左向右入橋，列車從右向左入橋時(shí)更為不利，其鋼軌制動(dòng)力和梁軌相對(duì)位移均大于從左向右入橋。

(4)考慮到道岔梁不宜采用伸縮調(diào)節(jié)器，通過(guò)鋪設(shè)小阻力扣件、適當(dāng)降低鎖定軌溫、放大斷縫值要求等軌道措施，可使得鋼軌應(yīng)力、道岔傳力部件受力、道岔可動(dòng)部分縱向位移、轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。