武广铁路客运专线雷大桥特大桥道岔区板式无砟轨道设计研究

张世杰,孙 立,杨艳丽,李秋义,崔国庆

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线站处,武汉 430063)

1 概述

雷大桥特大桥位于武广客运专线新郴州站北端,里程:D K 1 853+965.95～D K 1 854+561.57,桥梁全长 595.62 m,桥跨布置为1-24 m简支梁 +2-32 m简支梁 +(40+64+40)m连续梁 +5-32 m简支梁 +6×32 m预应力混凝土连续梁,其中 18号道岔板式无砟轨道位于 6×32 m连续梁上。雷大桥特大桥在整桥上设置长为 700 m的连续底座板带,支座布置及道岔和桥梁相对位置如图1所示。

图1 雷大桥特大桥支座布置及道岔和桥梁相对位置

底座板被延长至桥台与路基中端刺连接见图2(梁端摩擦板长度 39.2 m,摩擦板端部设置端刺锚固),端刺前后各设置 4排 φ 28 mm抗剪钢筋连接轨道板和底座板。底座板由桥上一直延伸到路基上端刺的后面,并通过 5 m的过渡段,过渡到区间双块式无砟轨道系统,5 m过渡段内设置抗剪箍筋。在桥梁的固定支座处,底座板与桥梁进行锚固连接。

底座板和桥面之间设置滑动层(两布一膜),道岔板和底座板之间设置砂浆垫层并通过销钉连接。整个桥面采用 3面排水措施,并在梁面和加高层上喷涂防水材料。

图2 雷大桥特大桥梁端端刺纵断面结构

雷大桥特大桥在决定整桥采用底座板纵连道岔板上桥方案以前已经完成架梁,在固定支座位置,桥梁没有预留剪力齿槽结构,为了把底座板纵向力传递给桥梁,在连续梁和简支梁固定支座位置设置纵向固定装置(耳板)与防撞墙连接见图3。底座板边缘每隔一定距离设置一个横向固定装置,横向固定装置与防撞墙之间设置限位板以允许纵向自由滑动。

图3 纵、横向固定装置示意

2 计算原理

桥上 CRTSⅡ型板式无砟轨道,整桥底座板纵连,两端底座板越过桥台和路桥过渡段的端刺连接。作用在底座板的温度力和制动力通过摩擦板及端刺传递到与桥梁工程相连接的路基中。将道岔、无砟轨道和桥梁作为一个相互作用、相互影响的耦合系统,根据道岔—桥梁相互作用原理,建立“岔—板—梁—墩”一体化有限元计算模型,基于 A N S Y S二次开发技术进行道岔—桥梁相互作用非线性有限元分析。

3 力学模型

利用有限元方法建立“岔—板—梁—墩”相互作用的一体化模型,把桥上无缝道岔结构看作一个由道岔、轨道板(由标准轨道板或道岔板、砂浆调整层和底座组成,亦称道床板)和梁体组成三层结构体系,道岔和轨道板之间的扣件采用弹簧模拟,轨道板和梁体通过弹簧连接。力学分析模型如图4所示。该模型的特点是道岔板、底座板、桥梁采用实体模型,能够比较真实反应道岔板、底座板、桥梁结构的特性。

4 计算方法

图4 雷大桥特大桥连续梁上道岔区有限元模型

应用有限单元法,利用 A N S Y S软件开放的体系结构,基于 A N S Y S二次开发技术编制了梁轨相互作用非线性有限元程序,采用 A P D L(A N S Y S参数化设计语言)来控制程序流程,自动完成有限元建模、荷载的施加、方程的求解。岔板桥墩空间一体化模型见图5,采用牛顿迭代法求解。

5 计算分析

底座板降温 -54℃,桥梁降温 -30℃,底座板刚度折减系数取为 r=1.0,底座板和桥摩擦板摩擦系数取 μ=1,无制动荷载。

5.1 1#道岔受力和变形(见图6～图8)

尖轨端前为 3个承轨台为坐标 O点,X代表纵向线路长度,下同。

5.2 2#道岔受力和变形(见图9～图11)

图5 岔—板—桥—墩空间一体化模型

图6 钢轨纵向力

图7 钢轨纵向位移

图8 尖轨、心轨与轨道板相对位移

5.3 基本轨与轨道板相对位移(见图12)

5.4 墩台及纵向固定装置纵向力(见图13、图14)

5.5 计算结果(见表1)

6 结论

图9 钢轨纵向力

图10 钢轨纵向位移

图11 尖轨、心轨与轨道板相对位移

本文通过建立雷大桥特大桥桥上道岔区板式无砟轨道整桥有限元模型,分析桥上 18号左开单渡线、纵向固定装置、桥墩和端刺受力及变形,经过计算分析,主要得出以下结论:

1)1#道岔和 2#道岔钢轨拉力最大值都出现在连续梁的梁端,温度引起的附加力为 113.2 k N,由于钢轨和底座板共同承担纵向力传递作用,可见纵连底座板结构设计有利于减小钢轨附加力。

图12 基本轨与轨道板相对位移

图13 墩台纵向力

图14 纵向固定装置纵向力

2)1#道岔较 2#道岔尖轨和心轨尖端绝对位移、尖轨和心轨尖端与轨道板相对位移要大,这跟道岔在整桥上布置位置有关。雷大桥特大桥桥上道岔紧跟路基(广州向)相连接,底座板在路基上被固结,导致 1#道岔尖轨和心轨尖端与轨道板相对位移较 2#道岔大。

3)1#道岔较 2#道岔辙跟和辙岔传力部件受力相差不大,可见 18号单渡线布置在 6×32.6 m梁上,固定支座在连续梁中间,道岔整体受力比较均匀,对道岔的受力及变形是有利的。

4)6×32.6 m梁左端第一跨简支梁纵向固定装置受力较大,在道岔和底座板的共同作用下,通过底座板向简支梁上传递的力较大,导致简支梁桥墩受力较大,在设计过程中应该注意加强连续梁相邻简直梁纵向固定装置布置长度或增加剪力齿槽排数。

表1 伸缩力计算结果

5)雷大桥整桥底座板纵连,两端底座板越过桥台和路桥过渡段的端刺连接。作用在底座板的温度力和制动力通过摩擦板及端刺传递到与桥梁工程相连接的路基中,为了确保能将存在的力传递至路基中,在摩擦板下设置了小端刺,大、小端刺除承受底座板中的纵向力以外,纵向上受到路基土体的纵向阻力和路基土体自重产生的摩擦力,在竖向上受到土体支撑以达到平衡。

6)从道岔与底座板的相对位移分析,转辙器和辙叉部分相对位移均远小于允许值,桥上纵连底座板式结构对减少道岔变形比较有利。

综上所述,雷大桥道岔板上桥采用纵连底座板结构设计弥补了 CRTSⅡ型板设计上的空缺。通过计算分析认为,桥上道岔铺设在纵连底座板结构上,对道岔自身的受力和变形是有利的,对今后 CRTSⅡ型板在国内推广使用具有一定的指导意义。

[1]中国铁道科学研究院.京津城际铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道设计原理与方法总结[R].北京:中国铁道科学研究院,2007.

[2]铁道部工程管理中心.京津城际轨道交通工程CRTSⅡ型板式无砟轨道技术总结报告[R].北京:铁道部工程管理中心,2008.