桥上道岔岔区轨枕埋入式无砟道床布置研究

2017-05-18杨明辉

四川建筑 2017年2期

关键词：转辙机床板无缝

杨明辉

(中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

桥上道岔岔区轨枕埋入式无砟道床布置研究

杨明辉

(中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

文章建立了“无缝道岔-无砟道床板-桥梁-桥墩”一体化模型，用非线性有限元程序，分析了岔区无砟道床板分块数量、道床横向凹槽位置、道岔连续梁固定支座位置对道岔、无砟道床和桥墩的影响。结果表明：桥上42号道岔岔区轨枕埋入式无砟道床板分为5块，转辙器及辙叉区域的道床板横向凹槽布置在尾部，其余横向凹槽布置在板中，连续梁固定支座位于道岔岔心前端，是较为合理的布置方案。

桥上无缝道岔； 42号道岔；轨枕埋入式；无砟道床

为提高高速铁路正线与另一正线之间的联络线道岔侧向通过速度，多采用大号码道岔，如38号、42号、62号道岔等，侧向通过速度分别可达140 km/h、160 km/h、220 km/h。目前， 42号道岔应用需求相对较多，而其岔区轨枕埋入式无砟道床长达160余米，当铺设于桥梁上时，普遍采用道床板分块、桥梁(底座)上设纵横向凹槽限位道床板并在道床板与桥梁(底座)间设隔离层可相对滑动的结构，桥梁、道床板以及道岔钢轨在温度变化作用下相互耦合、相互影响，受力复杂，有必要研究温度荷载下岔区无砟道床布置对岔-板-桥纵向相互作用的影响规律，以指导桥上42号道岔岔区无砟

道床的设计。

1 计算模型

根据岔区轨枕埋入式无砟道床结构设计和梁轨相互作用原理，把桥上无缝无砟道岔结构看作一个由道岔、道床板、梁体组成的三层结构体系，岔区前后的桥上双块式无砟轨道看作一个由钢轨、梁体组成的两层结构体系，建立“无缝道岔-无砟道床板-桥梁-桥墩”相互作用的一体化模型[1-5](图1)。道岔和道床板之间的扣件采用弹簧模拟，岔区道床板和梁体、梁和固定墩通过弹簧连接，双块式无砟轨道和梁体锚固连接。

图1 带限位凹槽的桥上无缝道岔计算模型立面

然后利用ANSYS 软件开放的体系结构，基于ANSYS二次开发技术，编制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。

2 计算参数

以某高速铁路一组60 kg/m 钢轨42号可动心轨无缝无砟道岔布置在(7×32.7) m 连续梁上为例，该无缝道岔全长157.2 m，位于连续梁中部，道岔头尾距离道岔梁两端分别为47 m和24 m，道岔梁固定支座位于道岔理论岔心前10 m。道岔与桥梁、墩台位置关系布置如图2所示。

图2 桥梁、墩台与道岔布置

道岔区铺设轨枕埋入式无砟道床，长度为168.6 m，道床板和底座采用分块结构，道床与底座间铺设“两布一膜”滑动层，底座上设一定数量的纵、横向凹槽以对道床板限位，凹槽四周铺设弹性缓冲橡胶垫，底座通过预埋钢筋与桥梁连接为一体。其余地段铺设CRTS I型双块式无砟轨道，铺设WJ-8型常阻力扣件。

42号道岔结构参数按图号“客专线(07)006”道岔取值；道岔扣件阻力、道岔限位器和间隔铁阻力等参数取值参见《无缝道岔计算理论与设计方法》[6]；依据弹性缓冲橡胶垫技术条件[7]计算，横向凹槽用橡胶垫刚度取700 kN/mm；参照《铁路无缝线路设计规范》[8]，无砟轨道桥梁日温差取30℃，由于无砟道床板位于桥面上，且由于箱梁的“温室效应”，道岔无砟道床板的升降温幅度较桥梁大，因此无砟道床温差取35℃，为使本研究的适应性更广，钢轨升温或降温幅度取45℃；各梁跨均为整体箱梁，道岔梁的固定墩刚度为2×105kN/m。

3 无砟道床分块数量的影响

考虑道岔敏感设备的需要，道床板长度宜按照道岔结构转辙器区、导曲线区、辙叉区三大部分进行道床板长度划分，保证所有信号转辙机设备都在同一块道床板上；由于转辙机的设备安装要求，道岔区道床板需要设计多处转辙机连接杆沟槽，削弱了道床截面强度，为减弱道床应力集中，保证道床强度，横向凹槽位置尽量避开转辙机连接杆沟槽区域。因此，岔区无砟道床分块考虑以下四种方案：

方案一：3 块道床板，转辙器区域道床板在尾部设横向凹槽，其余道床板在板中设横向凹槽，每块板分别长约49.4 m、56.9 m、62.3 m(从岔首至岔尾，下同)；

方案二：4 块道床板，转辙器区域道床板在尾部设横向凹槽，导曲线区域道床板在板中设置横向凹槽，其余道床板在首部设置横向凹槽，每块板分别长约49.4 m、56.9 m、36.5 m、25.8 m；

方案三：5 块道床板，转辙器及辙叉区域的道床板在尾部设横向凹槽，其余道床板在板中设横向凹槽，每块板分别长约49.4 m、28.2 m、28.9 m、36.5 m、25.8 m；

方案四：6块道床板，转辙器区域的道床板在尾部设横向凹槽，其余道床板在板中设横向凹槽，每块板分别长约36.2 m、26.2 m、26.2 m、24.2 m、28.0 m、27.7 m；

四种方案计算结果对比如表1所示。

表1 计算结果对比

注：表中“-”表示方向向左，反之向右，下同。

从表1中可见，道床板分块数量对基本轨轨条最大伸缩附加压力、轨条最大伸缩位移、限位器和间隔铁受力影响较小，原因是道岔布置距离连续梁梁缝较远；道床板分块数量越多，直尖轨尖端相对基本轨位移、心轨尖端相对翼轨位移、心轨或尖轨牵引点处基本轨与桥梁最大相对位移均呈降低趋势，说明对信号转辙机的运转更有利，但连续梁固定支座桥墩纵向力则呈增加趋势；道床板分块数量对横向凹槽受力影响最大，可从1 912 kN降到最小的632 kN，这对凹槽受力非常有利，还可减少设置横向凹槽的数量。综合各因素分析，42号道岔采用5块无砟道床板是较为合理的。

4 无砟道床横向凹槽位置的影响

岔区无砟道床板分为5块，横向凹槽位置研究以下四种方案：

方案三：转辙器及辙叉区域的道床板横向凹槽设在尾部，其余道床板横向凹槽设在板中；

方案五：转辙器及辙叉区域的道床板横向凹槽设在首部，其余道床板横向凹槽设在板中；

方案六：道床板横向凹槽均设在板中；

方案七：转辙器区域的道床板横向凹槽设在尾部，其余道床板横向凹槽设在首部，即所有道床板横向凹槽均设在邻近道岔梁固定支座一端。

四种方案计算结果对比如表2所示。

表2 计算结果对比

从表2中可见，道床板横向凹槽位置对基本轨轨条最大伸缩附加压力、轨条最大伸缩位移、限位器和间隔铁受力影响较小，原因是道岔布置距离连续梁梁缝较远；方案五，横向凹槽受力最小，但固定支座桥墩纵向力、直尖轨尖端相对基本轨位移稍大，另外，横向凹槽设置在岔首，位于薄弱的转辙机连接杆沟槽区域，道床存在应力集中，削弱了道床截面强度；方案七，横向凹槽受力最大，说明横向凹槽按邻近连续梁固定支座布置，对凹槽受力不利，需要增加横向凹槽设置数量；方案六和方案三对比，各检算项目的结果基本一致，方案六的尖轨、心轨牵引点处基本轨与桥梁最大相对位移更小，有利于信号转辙机的运转，但是转辙器及辙叉区域的道床板横向凹槽设在板中，位于薄弱的转辙机连接杆沟槽区域，道床存在应力集中，削弱了道床截面强度。综合各因素分析，42号道岔5 块无砟道床板按方案三设置横向凹槽是较为合理的。

5 连续梁固定支座位置的影响

岔区无砟道床板按方案三分块和设置横向凹槽，在使连续梁相同温度跨度情况下，固定支座位置考虑以下2种方案：

方案八：固定支座位置位于5#墩(图2)；

方案九：固定支座位置位于6#墩，邻近简支梁支座相应调整。

两种方案计算结果对比如表3所示。

从表3中可见，固定支座位置对各检算项目影响较大，在6#墩时，间隔铁受力、连续梁固定墩纵向力降低幅度较大，但基本轨轨条最大伸缩附加压力、轨条最大伸缩位移、心轨尖端相对翼轨位移等检算项目增幅较大，对钢轨受力和心轨转辙机运转不利，这正是桥上无缝道岔设计主要的控制因素。因此，综合各因素分析，在相同温度跨度时，固定支座位置位于5#墩更为合适，即连续梁固定支座位于道岔的理论岔心前端是较为合理的。