无缝道岔箱梁桥面板翘曲变形分析研究

陈继太，杨鹏健

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

0 前言

在此之前，从选线方案研究开始，要求道岔位于路基段。为了避免道岔上桥，需要增加线路长度，从而导致投资的增加。即使在无法避免道岔上桥时，也只能采用对结构要求低的有缝线路道岔结构。

随着铁路技术的发展及对行车平顺性要求的提高，长大干线铁路开始采用无缝线路。在复杂地形条件下，为节省投资，出现了站前咽喉区无缝线路道岔位于桥上的情况。

太原至中卫(银川)铁路是《中长期铁路网规划》中，西北至华北新通道的重要组成部分，线路全长751 km，新建车站37个。由于线路方案整体走向、地形等因素控制，3个车站内4座高架桥，须铺设桥上无缝道岔，铁路首次出现了无缝道岔箱梁。

1 研究内容

为满足站内桥上铺设无缝道岔的要求，使无缝道岔及轨下梁部结构设计安全合理，有必要对桥梁结构变形进行深入研究。

桥梁的上部结构直接承受列车荷载，为保证列车运行安全和旅客乘坐舒适，除加强结构的整体性，提高上部结构的刚度，以提高结构整体的动力特性，使其满足频率限值的要求外，对道岔区桥面板进行翘曲变形等局部分析，也是十分必要的。其中：

根据《200公里客货共线暂规》第5.3.1条规定：“在中-活载作用下，一个轨距宽度内3.0m梁长的扭曲变形应满足：t≤3.0 mm(见图1)。多线桥梁按产生扭曲的最不利工况加载。”

图1 桥面允许扭转变形示意图

本文结合工程实际，分别分析不同桥面板厚度的翘曲变形，选择满足使用要求的厚度，为今后类似项目提供设计参考。

2 工点简介

选取太中线3站4桥道岔梁中，岔线分布最具代表性的绥德站二十里铺无定河特大桥(32.7+3×40+32.7)m连续梁进行分析计算。

绥德站中卫端跨越无定河而设二十里铺无定河特大桥。太中银车场中卫端八字渡线及神延上下行线与太中银线间渡线共10组60kg/m的12号道岔，位于二十里铺无定河特大桥上。绥德站布置如图2所示。

图2 绥德站示意图

二十里铺无定河道岔梁采用(32.7+3×40+32.7)m连续梁，单箱三室等截面箱梁，桥宽22.66 m，局部翼缘板加宽1 m。两腹板间桥面板最大计算跨径5.3 m，端横隔梁厚2 m，中跨跨中横隔梁厚0.2m。梁上布置两组道岔，横向设置四个支座，支座均位于各腹板中心位置。道岔布置如图3所示。

图3 道岔梁正线与渡线布置示意图

3 桥面翘曲变形检算

3.1 设计理论

依据《200公里客货共线暂规》第5.3.1条规定，根据1点到3点组成平面距离的几何关系(见图4)，经简化得到公式如下：

一线两根钢轨竖向相对变形：

拟定桥面板厚度分别为25 cm、30 cm、35 cm，建立模型，检算道岔梁3.0 m梁长的翘曲变形是否满足规范的限值要求。并根据结果，选择满足规范要求的桥面板厚度。

图4 结构扭转变形计算图示

3.2 设计荷载

采用“中-活载”。利用各种岔线偏载对中跨桥面板桥面板翘曲变形进行检算。

3.3 荷载组合

为了方便加载，将“中-活载”换算为节点荷载和2.5 m宽的均布面荷载。

首先，考虑以下3种主要荷载组合：

组合1：Ⅰ-Ⅲ线间渡线偏载；

组合2：Ⅰ-Ⅱ线间渡线偏载；

组合3：Ⅲ线与Ⅰ-Ⅱ线间渡线偏载。

经过MIDAS建模分析，荷载组合1桥面板翘曲变形最为不利。故检算时，仅对荷载组合1，根据“中-活载”的集中荷载和均布荷载分布位置情况，每种顶板厚度考虑六种工况：

(1)集中荷载布置在小里程梁端；

(2)集中荷载布置在大里程梁端；

(3)集中荷载布置在跨中，均布荷载沿小里程方向；

(4)集中荷载布置在跨中，均布荷载沿大里程方向；

(5)集中荷载布置在3/4跨中，均布荷载沿小里程方向；

(6)集中荷载布置在3/4跨中，均布荷载沿大里程方向。

3.4 桥面板翘曲模型建立

采用MIDAS软件进行建模计算。为计算方便，将连续梁中跨简化为40 m的简支梁，检算其在道岔线荷载作用下桥面板的翘曲变形。采用三角形、四边形板单元对单箱三室箱梁进行离散。因建模的小体积都较为规则，故采用程序自由划分，并沿道岔荷载作用处，对单元进行了加密。计算模型如图5、图6所示。

图5 MIDAS板单元模型

图6 MIDAS箱梁截面板单元模型

计算中沿道岔线路路径加载，依次取标准轨距(取1.5 m)两侧节点的竖向位移，然后以3 m间距确定4个节点，利用这4个节点位移计算这一范围内的结构翘曲变形(见图7)。

图7 MIDAS桥面板翘曲变形图示

3.5 计算结果及分析

每个不同桥面板厚度的6种工况，用MIDAS计算得到道岔线路所经的全部桥面板的竖向位移△1、△2、△3、△4，推算得到每3 m范围内桥面板的相对变形t。详细数据见表1～表3所列。

对于三种不同厚度的桥面板结构，翘曲变形检算所得最大相对位移见表4所列。

由表1～表3、表4的汇总结果可见，三种顶板厚度桥面节点的竖向位移主要是由箱梁的整体位移引起，相对位移较小。各工况的3 m范围内，最大相对位移不足1 mm,远小于规范要求的最大值3 mm。

4 结语

经检算，太中线3站4桥道岔梁，在岔线的斜向活载作用下，桥面板厚度不受翘曲变形控制，而是应力、配筋构造等控制。

太中银铁路已于2011年全线通车，运营表明，桥上铺设无缝道岔的箱梁工作情况良好。同时，该研究成果在京沪高铁、京石客专、津保铁路等有砟、无砟线路桥上铺设无缝道岔工点的设计过程中得到重复验证。

表1 25 cm顶板厚桥面板位移及相对变形(节选)一览表

表2 30 cm顶板厚桥面板位移及相对变形(节选)一览表

表3 35 cm顶板厚桥面板位移及相对变形(节选)一览表

表4 三种厚度桥面板最大相对位移汇总表

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