市域轨道交通连续梁桥上的无缝道岔布置*

文 妮

（武汉铁路职业技术学院，430205，武汉∥副教授）

市域轨道交通的设计时速一般为100～160 km/h，是一种介于高速铁路和地铁之间的一种轨道交通制式，因此其轨道设计不能完全参考高速铁路和地铁等相关规范。市域轨道交通相对地铁而言，速度较高，轮轨动力作用较大，因此其桥上道岔设计不宜采用地铁传统的“有缝+冻结接头”［1］。跨区间无缝线路是市域轨道交通的基本技术要求之一，而桥上道岔的无缝化是实现跨区间无缝线路的关键。目前，国内对于高速铁路桥上的无缝道岔已有系统性研究，研究成果纳入了相关规范［2］。但高速铁路桥上无缝道岔布设对桥梁和布置方式要求比较严格，其布置方式不适用于市域轨道交通。为了满足市域轨道交通桥上道岔无缝化要求，本文针对市域轨道交通高架桥上单渡线道岔无缝化开展桥梁和轨道合理布置形式研究，以供类似工程设计参考。

1 计算模型与方案

1.1 工程背景

某市域轨道交通4×30 m连续梁上布置9号道岔的单渡线，其桥上采用双块式无砟轨道，为双线道岔梁，线间距4.2 m，位于直线段。线路设计最高速度为120 km/h。

桥上道岔区轨下基础为桁架式长枕式整体道床，道岔采用60 kg/m钢轨9号道岔。道岔全长为28.3 m（前后长度分别为12.57 m和15.73 m），采用相离线型曲线尖轨、高锰钢整铸式辙叉及槽型护轨；其直向最大通过速度为120 km/h，侧向通过速度为35 km/h。

1.2 计算模型

在温度作用或列车制动作用下，桥梁与轨道将产生相对位移，在桥梁与轨道之间形成一个相互作用的力学平衡体系。由于桁架式长枕式整体道床的长枕浇筑在道床内，而道床通过预埋钢筋直接与桥面连接在一起，所以可以把高架桥上无缝道岔结构模拟成一个由梁体与轨道组成的两层结构体系，建立“轨道-桥梁-墩台”相互作用的一体化模型［3-8］（如图1所示）。

图1 无砟轨道桥上无缝道岔模型示意图

应用ANSYS软件建立模型进行计算分析。钢轨、轨枕和桥梁采用梁单元模拟；扣件纵向阻力采用弹簧单元模拟，作用于钢轨节点和岔枕节点上；限位器采用弹簧单元模拟，作用于钢轨节点上；固定墩采用弹簧单元模拟，作用于桥梁上。

1.3 计算参数

市域轨道交通的4×30 m连续梁固定支座设在中间墩上，连续梁桥墩刚度取500 kN/cm，相邻简支梁桥墩刚度取250 kN/cm。箱梁结构为等高、等宽度连续箱梁，梁高1.8 m，箱梁顶板全宽10.6 m。箱梁横截面为单箱单室斜腹板，顶板厚度0.28 m，腹板厚度0.35 m，底板厚度0.28 m。建模时，在连续梁左端考虑5孔30 m简支梁作为边界条件，右端的车站模拟为刚度无穷大的基础。混凝土梁的温度变化幅度取25℃。

9号单开道岔转辙器跟端设置限位器，间隙值为7 mm，限位器水平螺栓采用高强度螺栓及高强度螺母。道岔总长为60个枕跨，导曲线半径为200.717 m，岔枕间距取0.6 m。道岔直股和侧股均采用冻结接头。当地最高轨温61.9℃，最低轨温-19.6℃，设计锁定轨温取25.0℃，锁定轨温变动范围按±5℃考虑，最大轨温变化幅度取49.6℃。

1.4 计算方案

参考《铁路无缝线路设计规范》中对桥上道岔布置的规定，以及城市轨道交通高架桥上道岔布置情况，本文对市域轨道交通4×30 m连续梁上单渡线的布置情况进行计算分析，分析不同方案下桥上无缝道岔受力和变形情况，方案设定为：方案1——道岔1的始端距梁缝为2 m；方案2——道岔1的始端距梁缝为6 m；方案3——道岔1的始端距梁缝为10 m；方案4——道岔1的始端距梁缝为14 m；方案5——道岔1的始端距梁缝为18 m。各方案的道岔布置示意图如图2所示。

图2 桥上道岔不同布置方案示意图

2 对比计算分析

2.1 对钢轨温度力的影响

对5种方案进行了计算分析，对比连续梁桥上道岔不同布置方案对钢轨温度力的影响。图3～4分别给出了右线直基本轨、左线直基本轨的钢轨温度力。可以看出：道岔不同布置方案对右线直基本轨伸缩附加力几乎无影响，左线直基本轨伸缩附加力受固定墩的影响略有变化。该市域轨道交通正线钢轨采用了U75V轨，其屈服强度为472 MPa。表1给出了各方案钢轨强度值、钢轨温度应力、动弯应力、伸缩附加力和制动［9］，可见各应力叠加后的钢轨强度小于钢轨容许应力，所以钢轨强度不是限制市域轨道交通桥上道岔无缝化的关键因素。

图3 桥上道岔右线直基本轨伸缩附加力

图4 桥上道岔左线直基本轨伸缩附加力

表1 桥上道岔不同方案的钢轨强度表MPa

2.2 对转辙机处梁轨相对位移的影响

图5为连续梁上道岔不同布置方案时道岔转辙机处梁轨相对位移。可以看出：随着距梁缝距离的增大，道岔转辙机处梁轨相对位移逐渐减小，变化规律近似呈线性。

市域轨道交通高架桥桥墩刚度较小，梁轨相对位移较大。参考《铁路无缝线路设计规范》中的规定：为满足道岔转换设备正常转换和锁闭，在伸缩力和制动力作用下转辙机处梁轨相对位移量不大于5 mm。表2为桥上道岔的伸缩工况和制动工况下5种布置方式转辙机处梁轨相对位移值，向右为正，向左为负。可以看出：道岔1始端距离梁缝为2、6、10 m时，伸缩工况和制动工况作用下道岔1转辙机处梁轨相对位移大于5 mm；道岔1始端距离梁缝14 m和18 m时，伸缩工况和制动工况作用下道岔1转辙机处梁轨相对位移总和分别为4.975、4.185 mm，均小于5 mm。

图5 桥上道岔转辙机处梁轨相对位移

表2 桥上道岔不同方案的转辙机处梁轨相对位移mm

2.3 对道岔尖轨位移的影响

表3给出了连续梁上道岔不同布置方案时道岔尖轨相对于基本轨的位移值。可以看出：道岔尖轨相对于基本轨的位移随道岔1距梁缝距离的增大而减小。

表3 桥上道岔不同方案的尖轨相对于基本轨位移mm

2.4 桥墩纵向水平线刚度对道岔位移的影响

为进一步探讨市域轨道交通高架桥上道岔无缝化的布置，针对方案4，分析了连续梁桥墩纵向水平线刚度分别为 400、500、600、700、800、1 500、2 500 kN/cm时道岔1的位移情况（见表4）。可以看出：随着连续梁桥墩刚度的增大，道岔各部位相对基本轨的位移逐渐减小，但影响较小。

表4 不同桥墩刚度下道岔1各部位相对基本轨位移

3 结论

（1）随着单渡线道岔始端距梁缝距离的增大，右线钢轨伸缩附加力基本不变，左线钢轨伸缩附加力受固定墩影响略有变化。

（2）随着单渡线道岔始端距梁缝距离的增大，道岔各部位的位移值均减小，变化规律近似呈线性。

（3）根据道岔位移随道岔始端距梁缝距离的变化规律可知：当连续梁桥上单渡线道岔始端距梁缝大于14 m时，在伸缩力和制动力作用下转辙机处梁轨相对位移小于5 mm，道岔钢轨强度和道岔位移满足无缝道岔布置要求，可供类似工程设计参考。

（4）随着连续梁桥墩刚度的增大，道岔各部位相对基本轨的位移逐渐减小，但影响较小。