京沪高速铁路桥上42号板式道岔曲股轨道分界位置研究

谷永磊

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

京沪高速铁路某特大桥为双线桥，其上行和下行线分别设置一组42号大号码道岔，道岔曲股各引出一条联络线，其中上行线道岔与桥梁的位置关系如图1所示。该高速铁路特大桥全桥铺设CRTSⅡ型板式轨道，岔区铺设板式无砟轨道，联络线铺设有砟轨道。岔区板式无砟轨道是CRTSⅡ型板式轨道的特殊结构形式，其直股轨道具有桥上CRTSⅡ型板式轨道纵向连续布置结构，曲股轨道与联络线连接是采用的有砟轨道结构，因此，确定道岔曲股上两种轨道结构的分界位置，以及评判分界位置对桥上42号道岔及道岔梁的影响，是检验系统方案可行性和进行岔区板式轨道设计的基础。

图1 道岔与桥梁布置

合理确定曲股上两种轨道结构的分界位置，确保道岔钢轨间的相对位移满足设计及桥梁墩台的安全要求，通过建立“岔—板—板—梁—墩”一体化模型，对设计提出的5种方案进行数值分析，进行受力变形特征研究，并提出了推荐方案。

1 计算模型

对桥上板式道岔进行受力和变形分析时，将道岔、道岔板、底座、梁体和墩台视为一个系统，建立“岔—板—板—梁—墩”一体化模型［1］。在计算模型中考虑了扣件纵向阻力、道岔板和底座间的纵向阻力、底座与桥梁间滑动层摩擦阻力、底座的混凝土刚度折减、桥梁墩台顶纵向水平线刚度等参数的影响［2-3］。计算模型假定如下:①道岔尖轨与可动心轨前端可以自由伸缩。②扣件纵向阻力与钢轨、道床板的相对位移呈非线性关系。③考虑限位器阻力对钢轨伸缩位移的影响，限位器阻力与钢轨间的位移呈非线性关系。④考虑辙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。⑤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。⑥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。

根据以上计算假定，建立的“岔—板—板—梁—墩”一体化模型如图2～图4所示。

图2 “岔—板—板—梁—墩”一体化计算模型

图3 道岔岔后模型俯视图

2 计算参数与设计方案［4-7］

1)道岔参数。60 kg/m钢轨42号道岔，全长157.2 m，前长60.573 m，后长96.626 m。

2)桥梁墩台参数。桥墩纵向水平线刚度见表1。

表1 墩台线刚度

3)扣件参数

①道岔扣件阻力f(x)=0.091 2+11.278x+3.067x2+0.248x3，其中，x为钢轨和岔枕的相对位移，mm;f(x)为扣件的纵向阻力，kN/mm。

②区间桥上扣件阻力如图5所示。

图5 桥上扣件阻力

4)设计方案

曲股板式轨道与有砟轨道的分界位置共设计以下5种方案。

方案1:联络线上换铺Ⅱ型板式轨道，如图6所示。

方案2:轨道分界位置在道岔尾部的第一片简支梁右端，如图7所示。

方案3:轨道分界位置在道岔尾部的第二片简支梁左端，如图8所示。

方案4:轨道分界位置在道岔尾部的第二片简支梁右端，如图9所示。

方案5:轨道分界位置在道岔尾部的第三片简支梁左端，如图10所示。

图6 联络线上换铺Ⅱ型板式轨道

图7 轨道分界位置在道岔尾部的第一片简支梁右端

图8 侧股联络线延伸至第二片简支梁左端

图9 轨道分界位置在道岔尾部的第二片简支梁右端

图10 轨道分界位置在道岔尾部的第三片简支梁左端

3 计算结果分析

3.1 温度作用分析

1)参数取值［8-9］

钢轨降温取－48℃，轨道等效降温取－54℃，桥梁降温取－30℃;底座刚度折减系数取0.1，底座和桥梁的摩擦系数取1。

2)计算结果

利用所建立的一体化模型，在温度作用下，道岔和桥梁的受力与变形计算结果如表2和表3所示。

表2 温度作用分析计算结果

表3 不同方案桥墩纵向力计算结果 kN

可以看出，各方案道岔尖轨尖端绝对位移、尖轨尖端与道岔板相对位移、心轨尖端绝对位移、心轨尖端与道岔板相对位移、辙跟限位器受力和辙叉间隔铁受力等均满足设计要求。各方案计算结果相差不大，最大相差约11%，其中方案2的道岔位移、受力相对最小，道岔梁的固定墩纵向水平力也最好。

3.2 制动力分析

1)制动荷载和加速荷载

考虑在车站附近高架桥上一线列车加速、一线列车制动的不利工况，荷载如图11所示，底座和桥梁间的摩擦系数取0。

2)计算结果

图11 制动荷载和牵引荷载

在一线列车加速、一线列车制动的不利工况下，道岔和桥梁的受力与变形计算结果如表4和表5所示。

表4 制动荷载作用计算结果

表5 不同工况桥墩纵向力计算结果 kN

可以看出，在制动力作用下，各方案对道岔的影响不大，桥墩纵向力最大值为867 kN。

4 结语

1)本文所建立“岔—板—板—梁—墩”一体化模型，综合考虑了道岔结构、轨道系统和桥梁结构的相互作用，可以对在温度、制动等作用下“道岔结构—轨道系统—桥梁结构”的变形与受力进行数值模拟，具有较好的通用性。

2)针对所提出的5种桥上42号板式道岔曲股轨道过渡设计方案进行了分析，其道岔位移和受力均满足道岔设计要求，桥墩安全亦无虞。

3)经综合分析，方案2即轨道分界位置在道岔尾部的第一片简支梁右端的方案，其道岔变形、受力及桥梁墩台受力等均相对较小，推荐其为最佳方案。

［1］翟婉明．车辆—轨道耦合动力学［M］．3版．北京:科学出版社，2007．

［2］王平，陈嵘，陈小平．高速铁路道岔设计关键技术［J］．西南交通大学学报，2010(1):28-33．

［3］高亮，曲村，陶凯，等．客运专线42号无砟轨道无缝道岔设计方法研究［J］．铁道学报，2011，33(1):76-82．

［4］王平．高速铁路道岔设计理论与实践［M］．1版．成都:西南交通大学出版社，2011．

［5］李秋义．客运专线桥上无缝道岔计算模型和计算方法研究［J］．铁道标准设计，2010(2):64-66．

［6］李秋义，孙立．桥上无缝道岔设计理论与应用研究［C］//铁道部工程设计鉴定中心，中国铁道学会．铁路客运专线建设技术交流会论文集．武汉:长江出版社，2005．

［7］王树国，顾培雄．客运专线无缝道岔受力与变形的影响因素研究［C］//铁道部工程设计鉴定中心，中国铁道学会．铁路客运专线建设技术交流会论文集．武汉:长江出版社，2005．

［8］郜永杰．无碴轨道纵向力学行为分析［C］//铁道部工程设计鉴定中心，中国铁道学会．铁路客运专线建设技术交流会论文集．武汉:长江出版社，2005．

［9］中铁第四勘察设计院集团有限公司．客运专线桥上无缝道岔及桥梁结构设计研究报告［R］．武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2008．