无砟轨道连续梁桥与道岔纵向相互作用规律的研究

2011-05-04徐桂弘

铁道建筑 2011年5期

徐桂弘，徐浩，王平，代丰

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

为适应列车高速行车需要、提高线路稳定性和耐久性、减少线路维修工作量［1］，高速轨道对路基和道床提出了很高的要求，为保证轨道的强稳定性和高平顺性，采用板式无砟轨道的结构形式已成为一种趋势［2］。在桥上铺设无缝道岔时其轨下基础主要有三种类型:“门”形筋混凝土道床、带限凸台的道床板、底座纵连式道岔板。本文主要研究前两种无砟轨道结构形式的岔桥纵向相互作用规律。

1 无砟轨道线桥墩一体化计算模型

无砟轨道线桥墩一体化计算模型平面图如图1所示。

图1 桥上无缝道岔模型平面图

桥上无砟轨道上铺设无缝道岔时，道岔铺设在钢筋混凝土道岔板上，若道岔板和桥梁之间铺设中间垫层，则允许二者之间有相对滑动，通过设置纵横向凸台传递作用力，此时道岔和桥梁之间的相互作用与有砟轨道是不相同的，可把桥上无缝道岔结构看作一个由道岔、轨道板、梁体组成的三层结构体系，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，如图2所示。若道岔板和桥梁之间采用“门形筋”联结，则不允许二者之间有相对滑动，此时可把桥上无缝道岔结构看作一个由道岔、梁体组成的两层结构体系，如图3所示。

利用ANSYS软件开放的体系结构，基于 ANSYS二次开发技术，编制了梁轨相互作用非线性有限元程序，自动完成有限元建模、荷载的施加和方程的求解。

图2 带纵向凸台无砟轨道桥上无缝道岔模型立面图

图3 带“门”形筋无砟轨道桥上无缝道岔模型立面图

图4 道岔—桥梁布置

2 无砟轨道桥上无缝道岔纵向相互作用

2.1 计算参数

以一组60 kg/m钢轨客运专线18号可动心轨道岔布置在(32+48+32)m连续梁上为例，梁岔布置情况如图4所示。无砟轨道考虑“门”形筋及限位凸台两种形式，凸台支座纵向刚度取为250 kN/mm，道岔区内设置三块道床板，长度分别为20 m，29 m，20 m，道床板温度变化为24℃。

该无缝道岔全长69 m，位于连续梁正中，道岔头尾距离连续梁两端均为21.5 m。连续梁固定支座位于道岔前端;道岔两边各布置3跨32 m简支梁。

线路纵向阻力按每枕12 kN计算，岔区每枕纵向阻力按枕长分布为4.6 kN/m，轨枕间距为0.6 m。扣件阻力取为Ⅱ型扣件常阻力值12.5 kN/组。道岔采用双限位器，其阻力取为分段线性阻力，当限位器子母块贴靠，两轨相对位移＜1 mm时，限位器阻力取为1.5×105kN/m;当两轨相对位移＞1 mm时，限位器阻力取为6×104kN/m，限位器子母块间隙取为7 mm。道岔长翼轨间隔铁阻力采用线性阻力，取为5×104kN/m。

无砟轨道桥梁日温差取为20℃。两边桥台的墩台纵向刚度为1×107kN/m，中间简支梁桥墩的刚度均为1×105kN/m，而连续梁桥墩的刚度为1×106kN/m。各梁跨均为双线整体箱梁，截面形心距上翼缘为1.626 6 m，距下翼缘为1.577 4 m，截面惯性矩为3.704 4 m4/线。

2.2 计算结果

两种类型(“门”形筋混凝土道床、带限位凸台的道床板)无砟轨道桥上无缝道岔基本轨温度附加力、基本轨伸缩位移，与有砟轨道桥上无缝道岔、普通无砟轨道桥上无缝线路、无砟轨道路基上无缝道岔的钢轨温度附加力、伸缩位移比较，如图5、图6所示。

从图5中可见，两种类型无砟轨道的最大温度附加力均大于有砟轨道无缝道岔;带有限位凸台的无砟轨道温度附加力小于“门”形筋无砟轨道，这主要是由于道床板与桥梁间通过凸台支座纵向弹簧相连，减缓了桥梁传递至道岔上的纵向力;普通桥上无缝线路最大温度附加力出现在连续梁右端，幅值要小于桥上无缝道岔;路基上无缝道岔最大温度附加力出现在尖轨跟端，幅值也要小于铺设于桥梁上的无缝道岔。

从图6中可见，两种类型无砟轨道的钢轨位移均大于有砟轨道桥上无缝道岔，普通桥上无缝线路在连续梁右端具有最大值，路基上无缝道岔伸缩位移远小于桥上无缝道岔。

图5 基本轨温度附加力

两种类型无砟轨道桥上无缝道岔与有砟轨道桥上无缝道岔、普通无砟轨道桥上无缝线路、无砟轨道路基上无缝道岔五种工况下的计算结果对比如表1所示。表1中的钢轨位移及墩台纵向力以向右为正。

从表1中可见，与有砟轨道桥上无缝道岔相比，“门”形筋及带限位凸台无砟轨道桥上无缝道岔因道床阻力大，尖轨及心轨相对道岔板的伸缩位移要小一些，但基本轨温度附加力及连续梁桥墩、岔前简支梁墩台受力有所增大;采用限位凸台无砟轨道结构，基本轨及桥梁墩台受力均小于“门”形钢筋无砟轨道。

3 限位凸台纵向刚度的影响

图6 基本轨伸缩位移

岔桥布置如图4所示，道岔板分为三块，转辙器、导曲线及辙叉部分各为一块道岔板，道岔板中间设置纵横向凸台，单个凸台支座刚度设为 150，200，250，300，350 kN/mm，其它计算参数同前。

不同凸台支座刚度情况下的计算结果如表2所示。表2中的钢轨位移、墩台及道岔板纵向力以向右为正。从表2中可见，随着凸台支座刚度的增大，基本轨温度附加力、连续梁桥墩、各道岔板及翼轨末端间隔铁受力均随之增大，尖轨尖端相对道岔板的相对位移、凸台支座胶垫压缩量则呈降低趋势，当单个凸台的支座刚度＞250 kN/mm时，凸台支座胶垫的压缩量，即道岔板在凸台支座处与桥梁的相对位移均＜1 mm。

4 道岔板分块的影响

岔桥布置如图4所示，道岔分块考虑以下四种方案:工况一:道岔板1块，每块道岔板中间设置5个横向凸台，每块板长约69 m;工况二:道岔板3块，每块道岔板中间设置3个横向凸台，每块板长约23 m;工况三:道岔板5块，每块道岔板中间设置2个横向凸台，每块板长约14 m;工况四:道岔板7块，每块道岔板中间设置1个横向凸台，每块板长约7 m。

表1 计算结果比较

表2 计算结果比较

单个凸台的支座刚度为250 kN/mm，结果如表3，表中钢轨位移、墩台及道岔板纵向力以向右为正。

表3 计算结果比较

从表3中可见，道岔板分块数越多，基本轨温度附加力、伸缩位移、单块板的受力均呈降低趋势，但尖轨及心轨尖端相对道岔板的伸缩位移则呈增加趋势;当采用7块道岔板时，需在每块板下设置2个横向凸台才可使支座胶垫压缩量控制在1mm以内，横向凸台的数量要多于其它分块形式;当采用1块道岔板时，虽然尖轨及心轨相对道岔板的伸缩位移最小，但基本轨温度附加力及单块道岔板受力较大，且施工难度较大;18号无砟道岔采用3块道岔板是较为合适的。