沉降对桥上无缝道岔力学特性影响分析

李俊哲，唐进锋，常征

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



沉降对桥上无缝道岔力学特性影响分析

李俊哲，唐进锋，常征

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要:桥梁沉降在高速铁路中十分常见，高速铁路沉降使轨道产生下沉，影响轨道的平顺性，进而改变轨道内部力学特性。由于地形等其他因素影响，目前很多高速铁路道岔铺设在桥梁上，桥上无缝道岔受力更为复杂，其对沉降尤其敏感。为研究沉降对桥上无缝道岔力学特性的影响，基于Ansys软件建立道岔-桥梁-墩台一体化模型，针对不同沉降类型，不同沉降量分析桥上无缝道岔的力学特性。研究结果表明：桥梁沉降影响桥上道岔的温度力和伸缩位移，沉降量的增加对温度力和伸缩位移的影响较小。不同沉降类型对道岔力学特性变化规律的影响基本相同。沉降直接影响轨道平顺性以及道岔受力变形特性，影响列车安全运行，养护部门应进行有效监控。

关键词：桥上无缝道岔；桥梁沉降；力学特性；有限元法

道岔是铁路轨道的重要组成部分之一，同时也是轨道的薄弱环节，在高速铁路建设过程中，由于受到线路、地形等条件限制，同时要满足轨道的平顺性和稳定性等，道岔不可避免的要布置在桥梁上。桥上无缝道岔已经成为高速铁路的关键技术之一，道岔内部、桥梁与道岔之间的相互作用十分复杂[1-3]。由于桥梁的工后沉降或者桥梁其他病害等[4]，使桥梁、轨道等产生沉降变形[5]。过大的沉降变形会影响轨道的平顺性[6]，进而影响行车安全。目前，针对桥上无缝道岔的研究比较多，但是多是从道岔本身温度荷载、伸缩位移等方便考虑[7-9]，缺乏沉降对桥上无缝道岔力学特性影响的研究。针对目前研究的不足，本文基于有限元分析软件，建立了道岔-桥梁-墩台计算模型，分析桥梁不同沉降形式、不同沉降量对道岔力学特性的影响规律。

1桥上无缝道岔模型

1.1道岔-桥梁相互作用原理

桥上铺设无缝道岔是一项较复杂的系统工程，涉及无缝线路，列车轨道系统，桥梁结构等多方面的综合研究。和桥上无缝线路相比，桥上无缝道岔力学特性更加复杂[10-12]。桥上无缝线路的纵向力是由桥梁变形引起的，而对于桥上无缝道岔，温度变化引起的桥梁伸缩，列车荷载作用下的挠曲力以及列车制动荷载使桥梁和道岔相互作用，桥梁与道岔之间的纵向相互作用使桥梁的固定支座承受纵向力，同时导致道岔内部部件受力重分布[13-15]，使得道岔内部受力十分复杂。最终道岔和桥梁之间形成一个纵向相互作用的力学平衡体系。

1.2结构模型

计算模型中钢轨采用三维梁单元模拟，桥梁同样采用梁单元模拟，扣件采用非线性弹簧模拟，尖轨根端设置限位器，心轨根端设置间隔铁。轨枕采用梁单元进行模拟。钢轨与轨枕之间通过非线性弹簧模拟的扣件连接，并约束和耦合钢轨和轨枕竖向和横向的位移。桥梁和轨枕之间用梁单元连接，限位器和间隔铁先用非线性弹簧进行模拟，然后再耦合限位器和间隔铁处钢轨节点的纵向位移。18号道岔从距离桥端40.8 m处开始布置。桥梁结构采用7×32 m连续梁桥，固定支座布置在第4个桥墩处。桥上道岔布置示意图如图1所示。

在道岔的沉降计算中，模型中将桥梁和道岔用梁单元进行连接，并且约束、耦合桥梁和轨枕节点的竖向和横向位移，使得桥梁和道岔节点的竖向、横向位移相同，道岔随着桥梁墩台的沉降产生和桥梁相同的竖向位移。图2为桥梁墩台发生不均匀沉降时，轨道的竖向变形情况。

图1　桥上道岔布置示意图Fig.1 Layout of switch on bridge

图2　轨道变形图Fig.2 Deformation of rail

1.3基本假定

1)桥梁温度变化为单纯的升温或降温，不考虑梁体温升温降的交替变化。

2)尖轨前端与心轨前端可以自由伸缩。

3)钢轨只产生纵向位移，岔枕可以产生纵向位移并且可以产生转角。

4)桥梁固定支座能完全阻止桥梁的伸缩变形，固定支座所承受的纵向力全部传递至墩台上。

5)不考虑辙叉角大小的影响，假设里轨与基本轨平行。

1.4计算参数

计算采用18号道岔，桥梁的温度变化为15 ℃，钢轨轨温变化为55 ℃。轨枕间距为0.6 m。在尖轨根端设置3组限位器，限位值都为7.0 mm。在心轨根端设置三组间隔铁。钢轨为CHN60轨，弹性模量为210 GPa，线膨胀系数为11.8×10-6/℃。桥梁弹性模量为36 GPa，线膨胀系数为1.0×10-5/℃。桥梁沉降分为均匀沉降和不均匀沉降。根据《高速铁路设计规范》，墩台均匀沉降限值为20 mm，相邻墩台沉降差为5 mm。结合桥梁沉降特性，确定本文桥梁沉降情况。沉降量曲线如图3所示。

(a)不均匀沉降；(b)均匀沉降图3　桥梁沉降幅值Fig.3 Quantity of bridge settlement

本文桥墩沉降量最大值为20 mm，图4表示桥梁墩台最大不均匀沉降量为20 mm时，桥梁沉降与道岔的相对位置。其他沉降工况如图4所示。

图4　桥梁沉降与道岔的相对位置图Fig.4 Relative position of bridge settlement and turnout

2桥梁沉降对桥上无缝道岔的影响

在建模计算过程中，沉降的发生只是影响轨道的竖向形位，轨道左右两股钢轨产生同样的沉降量。所以轨道的水平，轨距，轨向均符合规范要求。建模过程中，桥梁的沉降量取值在《高速铁路设计规范》的容许范围之内，所以轨道的高低同样满足规范要求。综上，沉降发生后，轨道满足规范规定的铺设精度标准，不影响正常通行，但是道岔内部部件受力特性产生了重分布，下文将分别针对道岔直基本轨、里轨和心轨力学特性的变化进行说明。

2.1直基本轨分析

通过比较桥梁沉降量为0 mm和不均匀沉降量为5 mm时的直基本轨力学特性，发现沉降前后直基本轨温度力和伸缩位移的变化规律基本不变。由于尖轨根端限位器的传力作用，基本轨温度力在尖轨根端限位器处产生突变，直基本轨最大伸缩位移在尖轨根端限位器处。图5为沉降前后基本轨的温度力和伸缩位移变化。

图5　沉降前后直基本轨温度力和伸缩位移比较Fig.5 Comparison of temperature stress and stretching displacement of straight stock rail between before and after settlement

从表1可以看出，桥梁发生沉降前，基本轨最大温度力为1 008.74 kN。桥梁发生沉降后，由于轨道不平顺的增加，桥上无缝道岔的直基本轨温度力增加，最大温度力为1 046.54 kN，增加了约38 kN，温度力明显增加。随着沉降幅值的增加，直基本轨温度力不断减小，但减小幅度比较小。

表1直基本轨温度力随不均匀沉降量的变化

Table 1 Variation of temperature stress of straight stock rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大直基本轨温度力/KN1008.741046.541039.721033.281027.53

从表2可以看出，桥梁发生沉降之前，最大直基本轨伸缩位移约为5.1 mm。桥梁发生沉降后，由于轨道不平顺使得温度力增大，进一步使得基本轨的最大伸缩位移有所增加，但是随着桥梁沉降幅值的增大，基本轨伸缩位移的变化情况不太明显，直基本轨的最大伸缩位移大约为5.5 mm。

表2直基本轨位移随不均匀沉降量的变化

Table 2 Variation of displacement of straight stock rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大直基本轨伸缩位移/mm5.095.585.565.555.54

通过分析表3和表4，可以发现桥梁沉降类型对基本轨力学特性的变化规律影响不大，直基本轨的最大温度力和伸缩位移数值相差不大。直基本轨的最大温度力随着沉降幅值的增大均略有减小，但减小幅值均比较小，直基本轨伸缩位移基本保持不变。

表3　直基本轨温度力随沉降类型的变化

表4　直基本轨位移随沉降类型的变化

2.2里轨分析

通过比较沉降前后里轨温度力和伸缩位移可以发现，沉降前后里轨温度力和伸缩位移的变化规律基本不变，沉降发生后，由于岔区的轨道不平顺增加，故里轨温度力有所增大，同时，里轨伸缩位移有所增加。通过观察里轨温度力的变化可以发现，里轨温度力在尖轨根端的限位器处产生突变。图6表示沉降前后里轨温度力和伸缩位移的变化。

(a)温度量；(b)伸缩位移图6　沉降前后里轨温度力和伸缩位移比较Fig.6 Comparison of temperature stress and stretching displacement of switch rail between before and after settlement

从表5可以看出，沉降发生前，里轨温度力约为774 kN。由于桥梁墩台的沉降，尖轨与基本轨、心轨和翼轨的配合尺寸发生变化，增加了转辙器和辙叉区不平顺。沉降发生后，轨道不平顺使道岔部件内力重分布，里轨温度力有所增大。发生不均匀沉降5 mm后，里轨温度力增大为928.4 kN，增加了约154 kN。同时，随着沉降量的增大，里轨温度力略有减小，但是减小幅值比较小。

表5里轨温度力随不均匀沉降量的变化

Table 5 Variation of temperature stress of switch rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大里轨温度力/N773.9928.4926.4925.8923.5

通过表6数据比较可以发现，沉降发生后里轨伸缩位移增大。当桥梁不发生沉降时，里轨伸缩位移大约为7.9 mm，桥梁墩台的沉降使得轨道不平顺增大，道岔内部构件之间受力变形发生改变。当不均匀沉降量为5 mm时，里轨伸缩位移约为10.0 mm，增大了2.1 mm。同时还可以发现，随着沉降量的增大，由于里轨温度力的变化量比较小，使得里轨伸缩位移基本保持不变。

表7和8表示不同沉降量，不同沉降类型下里轨温度力和伸缩位移的变化。从表中数值可以看出，均匀沉降和不均匀沉降对里轨温度力和伸缩位移的影响基本一致。和沉降前相比，桥梁沉降发生后，里轨温度力和伸缩位移均有所增大。但是，沉降幅值的增大对里轨温度力和伸缩位移的影响不大。

表6里轨位移随不均匀沉降量的变化

Table 6 Variation of displacement of switch rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大里轨伸缩位移/mm7.910.010.010.09.9

表7　里轨温度力随沉降类型的变化

表8　里轨位移随沉降类型的变化

2.3心轨分析

图7表示沉降前后心轨温度力和伸缩位移的变化。通过观察图7可以发现，沉降前后心轨温度力和伸缩位移的变化规律基本保持不变。桥梁沉降发生后心轨温度力和伸缩位移均有所增大，间隔铁前端心轨所受温度力比较小。由于间隔铁传递里轨的温度力，故心轨温度力在间隔铁处有突变发生，温度力突然增大。心轨前端伸缩位移增大，心轨伸缩位移在间隔铁后产生突变。

(a)温度力；(b)伸缩位移图7　沉降前后心轨温度力和伸缩位移比较Fig.7 Comparison of temperature stress and stretching displacement of point rail between before and after settlement

表9表示心轨温度力随不均匀沉降量的变化。通过观察表9中数据可以得出结论，沉降发生后，心轨温度力有所增大。桥梁沉降前，心轨最大温度力为936.4 kN，发生5 mm不均匀沉降之后，增大了轨道的不平顺。心轨温度力增大为1 030.3 kN，增大了约94 kN。但是，随着沉降幅值的增大，心轨温度力基本不变。

表9心轨温度力随不均匀沉降量的变化

Table 9 Variation of temperature stress of point rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大心轨温度力/kN936.41030.31030.31030.31030.3

分析表10中数据，桥梁沉降发生后，随着心轨温度力的增大，心轨伸缩位移有所增大。发生沉降前，心轨伸缩位移为3.0 mm，当桥墩发生5 mm不均匀沉降之后，心轨伸缩位移增大为3.3 mm，增大了0.3 mm。和心轨温度力变化规律相同，随着沉降幅值的增大，心轨最大伸缩位移基本不变。

表10心轨位移随不均匀沉降量的变化

Table 10 Variation of displacement of point rail with the uneven settlement

沉降量/mm05101520最大心轨伸缩位移/mm3.03.33.33.33.3

表11和12分别表示心轨温度力和伸缩位移随沉降幅值的增加和沉降类型的变化的变化规律，分析表11和12中的数据可以发现，桥梁沉降类型对心轨温度力和伸缩位移的变化影响不大，最大心轨温度力大约为1 030 kN，最大伸缩位移约为3.3 mm。心轨力学特性在不同桥梁沉降类型的影响下变化规律基本不变。

表11　心轨温度力随沉降类型的变化

表12　心轨位移随沉降类型的变化

3结论

1)沉降发生后，基本轨力学特性变化规律基本不变。岔区直基本轨温度力增大，但随着沉降幅值的增大，基本轨温度力有所减小。沉降发生后，基本轨伸缩位移增大，随着沉降量的增大，基本轨伸缩位移有所减小，但是减小幅度很小。

2)沉降发生后，里轨温度力增大，在限位器处，里轨温度力有突变发生。随着沉降量的增大，里轨温度力略有减小，但是减小幅值比较小。里轨伸缩位移基本不变。

3)沉降发生后，心轨温度力增大，在间隔铁处，心轨温度力有突变发生。随着沉降幅值的增大，心轨温度力基本不变，同样，心轨伸缩位移也基本不变。心轨位移在间隔铁后有突变。

4)桥梁不同沉降类型对基本轨、里轨、心轨力学特性的影响基本相同。桥梁沉降影响轨道平顺性及桥上道岔受力变形状态。铁路维护部门应进行监控。

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(编辑蒋学东)

Influence of bridge settlement on mechanical properties of welded turnout

LI Junzhe, TANG Jinfeng, CHANG Zheng

(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

Abstract:Settlement of bridge is very common in the high-speed railway. The settlement of high-speed railway causes the settlement of track, affects the irregularity of track, and results in the hidden danger for the train running. Due to the terrain and other factors, many high-speed railway turnouts are laid on the bridge now. The stress of the welded turnout on the bridge is more complex. Especially, the welded turnout on the bridge is sensitive to the settlement. In order to study the influence of bridge settlement on mechanical properties of welded turnout, the turnout -bridge- pier model was established in this paper based on the ANSYS finite element analysis software and the mechanical properties of the welded turnout on bridge were analyzed according to different settlements. The results show that bridge settlement affects both the temperature force and the expansion displacement. The increase of the settlement amplitude has a little effect on temperature stress and the expansion displacement. The influence of different bridge settlement types on the mechanical properties of the turnout is basically same. The settlement directly affects the track regularity and the forced deformation properties of the turnout, which would affect train safety operation. So it should be monitored by the maintenance department.

Key words：welded turnout on bridge；bridge settlement；mechanical properties；finite element method

中图分类号：U213.6

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)02-0250-07

通讯作者：唐进锋(1965-)，男，湖南常德人，副教授，从事高建与重载铁路轨道工程应用研究；E-mail: csutif@csu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目(E080704)

收稿日期：2015-06-15