特殊工况下桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔温度力研究

赵才友，王 平

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

桥上铺设纵连板式无砟轨道无缝道岔是我国无缝线路、无砟轨道发展的又一重大技术课题，是桥上无缝线路、无缝道岔、桥上纵连板式无砟轨道技术的综合运用。自新建铁路在桥上铺设底座纵连板式无砟轨道无缝道岔以来，这种轨道结构形式在我国铁路建设中得到较多的应用。设计认为，这种轨道结构的主要承重构件为底座混凝土板，而国内外目前对底座板变化对无缝道岔影响的研究还很少，且底座板一旦施工完毕，维修极其困难，所以有必要对桥上底座纵连板式无砟轨道无缝道岔在底座板发生变化时，无缝道岔的受力特点及规律作深入地分析和研究。本文以某一连续梁为例，利用有限元软件对其进行计算研究，旨在获得接近实际的计算结果，对结构的设计和施工给出有价值的建议。

1 计算模型

对全桥底座纵连板式无砟轨道无缝道岔进行受力和变形分析时，应将道岔、道岔板、底座板、桥梁和墩台看作一个有机整体，建立岔—板—桥—墩一体化模型。在模型中，还应考虑扣件纵向阻力、道岔板和底座板间纵向阻力、底座板与桥梁间滑动层摩擦阻力、底座板的伸缩刚度、桥墩墩台顶纵向水平刚度等关键参数的影响。对全桥底座纵连板式无砟轨道无缝道岔的岔—板—桥—墩一体化模型作假定如下:

1)道岔尖轨与可动心轨前端可以自由伸缩，不考虑辙叉角大小的影响。

2)钢轨为纵向连续长梁，能够承受拉、压作用，其拉、压刚度相等，且为常量，钢轨按支承节点划分有限杆单元，只发生纵向位移。

3)钢轨和道岔板间产生纵向相对位移，二者通过扣件相互作用，扣件阻力与钢轨、道床板的相对位移为非线性关系，作用于钢轨节点与道床板节点上，方向为阻止钢轨相对道岔板位移。

4)考虑间隔铁阻力对钢轨伸缩位移的影响，间隔铁阻力与钢轨间的位移呈非线性关系。

5)考虑辙叉跟限位器在基本轨与导轨间所传递的作用力，设道岔铺设时限位器字母块居中，间隔为7～10 mm。当子母块贴靠时，限位器阻力与两钢轨间的相对位移呈非线性关系。

6)假设桥梁固定支座能完全阻止梁的伸缩，活动支座抵抗伸缩的阻力可忽略不计，不考虑支座本身的纵向变形，固定支座承受的纵向力全部传至墩台上，阻止桥梁纵向变形的刚度就是墩台顶纵向水平刚度。

7)桥梁墩台顶纵向水平刚度为线性，包含支座顶面在纵向水平力作用下的墩身弯曲、基础倾斜、基础平移及橡胶支座的剪切变形等引起的支座顶面位移。

8)底座板与桥梁间产生纵向相对位移，二者通过滑动层与剪力齿槽进行纵向相互作用，滑动层的摩擦阻力与二者间的相对位移为非线性关系，剪力齿槽纵向作用力与二者间的相对位移为线性关系。

9)假定沥青砂浆对道岔板和底座板提供非线性阻力作用，道岔板和底座板间的非线性阻力随着二者的相对位移呈非线性变化，非线性阻力的最大值依据相关试验数据确定。

10)底座板与端刺和摩擦板产生纵向相互作用，端刺纵向刚度为线性的，摩擦板与底座板的摩擦阻力为非线性的。

11)相邻股道钢轨、道岔板和底座板的纵向受力相互影响，一股道组合板上的纵向力通过道岔板或底座板的横向连接和梁体传递，作用于另一股道上。

依据上述计算模型假定，全桥底座纵连板式无砟轨道无缝道岔的岔—板—桥—墩一体化模型如图1。

2 计算参数

以单组18号无缝道岔铺设在96 m连续梁桥上，连续梁桥两边分别布置三跨32 m简支梁。桥梁、轨道板和底座板降温30℃。钢轨采用60 kg/m，钢轨截面积77.45 cm2，各股钢轨的弹性模量2.1×1011Pa，钢轨线膨胀系数1.18×10－5/℃，考虑降温50℃。桥台的纵向刚度取为1×107kN/m，中间桥墩的刚度均为1×105kN/m。滑动层的摩擦系数取为0.2。道岔结构中，转辙器部分考虑设置两组限位器结构，限位器阻力采用分段线性阻力，当限位器子母块贴靠、两轨相对位移<1 mm时，限位器阻力取值1.5×105kN/m;当两轨相对位移 >1 mm 时，取值 6×104kN/m［3-4］。翼轨末端设置4组间隔铁，其采用线性阻力，取值5×104kN/m。扣件参照弹条Ⅱ型扣件，滑移阻力取为16.1 kN[5]。计算分析的距离坐标统一以左桥台为坐标原点。连续梁桥桥上纵连板式无缝道岔布置如图2。

3 计算结果

3.1 底座板混凝土收缩徐变的影响

混凝土浇筑完成以后，随着时间增长，混凝土将产生收缩徐变。收缩徐变对混凝土构件产生的应变相当于构件降温产生的应变，因此，可以通过对底座板降温，考虑混凝土收缩徐变的影响。

由底座板收缩徐变引起的总变形量的影响与底座板降温30℃工况相同[2]。故可将底座板较基本工况分别降温6℃、12℃、18℃和24℃，即发生总徐变量的0.2、0.4、0.6、0.8徐变情况作为工况一 ～工况四。其它参数不变。

当底座板徐变逐渐增大时，对道岔区钢轨的温度力、伸缩位移、底座板的受力影响如表1。其中，基本轨温度力、基本轨位移随底座板徐变变化的影响分别如图3和图4，底座板的温度力随底座板徐变变化的影响如图5。

图1 岔—板—桥—墩一体化模型

图2 连续梁桥梁跨布置示意

表1 不同底座板收缩徐变情况下计算结果

图3 收缩徐变情况下基本轨温度力对比

图4 收缩徐变情况下基本轨伸缩位移对比

图5 收缩徐变情况下底座板温度力对比

由表2和图3可知，当底座板收缩徐变逐渐增大时，钢轨的温度力峰值逐渐变大，基本轨最大附加温度力增加幅度约为0.575～0.615 kN/℃，最大伸缩力峰值出现在设置限位器的位置上，最小伸缩附加力峰值出现在辙叉前的基本轨处。这是因为随着底座板收缩徐变的增大，底座板变形的增大，伸缩刚度的折减，进而由底座板通过轨道板传递给钢轨的作用逐渐增大。由表1和图4可以看出，随着底座板收缩徐变的增大，道岔的尖轨和心轨的位移都有所减小，基本轨位移有所增大，但是幅度都很小。由表1和图5可知，底座板温度力随着底座板徐变的增大也逐渐增大，底座板温度力增长幅度在20.36～20.40 kN/℃之间变化。这对底座板是极为不利的。

3.2 底座板施工温差的影响

受施工能力限制，对长大桥梁，连续底座板的施工难以在相同温度下进行，将导致铺设完成后的连续底座板沿线路纵向存在温差。这种温差将引起轨道和桥梁的纵向相互作用。通过对底座板温度分段，并且对各段设置不同的温度变化幅度，以分析施工温差引发的桥梁轨道相互作用。

将底座板平分为两段施工，并将右半段底座板施工温度比左半段分别低5℃、10℃、15℃和20℃，其它参数不变，作为工况一～工况四。

当底座板左右两段施工温差由5℃增至20℃时，对道岔区钢轨的温度力、伸缩位移、底座板的受力的影响如表2。其中，基本轨温度力和基本轨位移随底座板施工温差的影响分别如图6和图7。底座板温度力随底座板施工温差影响如图8。

表2 不同底座板施工温差情况下计算结果

图6 施工温差情况下基本轨温度力对比

图7 施工温差情况下基本轨伸缩位移对比

图8 施工温差情况下底座板温度力对比

由表2和图6可知，随着底座板施工温差的增大，基本轨的最大附加力也随之增大，附加温度力的增长幅度约为1.53～1.54 kN/℃。这是因为随着施工温差的增大，一方面导致底座板有温差引起的裂缝增大，底座板收缩刚度的减低，从而导致上部钢轨温度力的增大;另一方面底座板本身温度力的增大给上部钢轨部分传递的力也就越大。由表2和图7可以看出，随着底座板施工温差的增大，道岔的基本轨、尖轨的位移有所增大，心轨位移有所减小，但幅度都很小。由表2和图8可以看出，随着底座板施工温差的增大，底座板最大温度力随之增大。可见，控制底座板施工温差，对降低无缝道岔的受力和变形是十分必要的。

3.3 底座板断板的影响

施工完后，随着气温降低和混凝土干燥收缩，混凝土将产生裂缝。列车制动、气温进一步降低以及干燥收缩加剧，使裂缝最终发展成贯通裂缝。裂缝处底座板纵向力全部依靠钢筋传递，若纵向力作用下钢筋应力超过其屈服强度，底座板将可能断裂，此时，底座板收缩，在桥梁墩台产生纵向附加力。

由基本工况计算得知，在104.3 m处，底座板纵向力最大，取底座板在此处断板(工况一)。

当底座板断板时，对道岔区钢轨的温度力、伸缩位移、底座板的受力影响如表3。其中，基本轨温度力和基本轨相对下部基础位移随底座板断板的影响分别如图9和图10。底座板温度力随底座板断板影响如图11。

表3 底座板断板情况下计算结果

图9 断板后基本轨温度力对比

图10 断板后基本轨伸缩位移对比

图11 断板后底座板温度力对比

由表3和图9可知，底座板断板后，基本轨的最大温度力急剧增大，最大附加温度力较底座板断板前增长了57.26%，这可能会直接导致基本轨断轨，威胁行车安全。由表3和图10可以看出，底座板断板后，道岔的尖轨和心轨相对桥梁的位移有所减小，但是，基本轨最大伸缩位移有较大的增长，极有可能导致基本轨钢轨爬轨等病害的发生。由表3和图11可以看到，断板后，断板前底座板最大温度力处温度力降为零，其它部位处温度力较底座板断板前变小，这是因为底座板断板后释放了一部分应力。

4 结论与建议

1)底座板发生收缩徐变后，岔区基本轨附加温度力和伸缩位移有所增大，其中，基本轨最大附加温度力增加幅度约为0.575～0.615 kN/℃，尖轨跟端传力部件和翼轨末端间隔铁的受力和变形影响很小。底座板的温度力则急剧增大，底座板温度力增长幅度约为20.36～20.40 kN/℃，这对底座板是极为不利的。因此，在设计和施工中都应当控制底座板混凝土的收缩徐变，如设计中考虑采用早强水泥、水泥细度小的水泥，施工中控制混凝土的水灰比、充分振捣、控制好养护条件等。

2)底座板施工温差的增大，会导致基本轨的附加温度力和伸缩位移增大，其中，附加温度力的增长幅度约为1.53～1.54 kN/℃。尖轨跟端传力部件和翼轨末端间隔铁的受力有所减小，但幅度很小。底座板最大温度力增加，增长幅度约为3.16～3.18 kN/℃。因此，在施工中应尽量避免大的施工温差的出现。

3)底座板断板后，基本轨的最大温度力急剧增大，最大附加温度力较底座板断板前增长了57.26%，基本轨位移增加了30.83%，尖轨跟端传力部件的受力有较大的增加，翼轨末端间隔铁的受力和变形有所减小。可见，这种突变对无缝道岔是非常不利的，因此，在设计中应考虑底座板断板后对轨道的影响。

[1] 王平，刘学毅.无缝道岔计算理论与设计方法［M］.成都:西南交通大学出版社，2007:240-244.

[2] 曾志平，陈秀方，赵国藩.简支梁桥上无缝道岔温度力与位移影响因素分析［J］.中国铁道科学，2006(1):53-54.

[3] 郭志勇.客运专线桥上无缝道岔的设计［J］.铁道建筑，2007(7):100-102.

[4] 铁道部第三设计院.道岔设计手册［M］.北京:人民铁道出版社，1975:504-517.

[5] 匡烨.混凝土收缩和徐变影响因素分析［J］.山西建筑，2008(1):21-22.