高速铁路大坡道上18号和42号有砟道岔受力分析★

张 荣 鹤

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300000)

道岔是铁路线路的交叉点和薄弱环节，因其结构与轮轨界面的关系复杂，是影响行车平稳性与安全性的关键基础设施[1]。跨区间无缝线路具有列车运行平稳、钢轨使用寿命长等优点。随着我国高速铁路建设的快速深入发展，无缝线路在设计、施工、养护维系和管理等方面均取得了长足发展[2]。无缝道岔作为跨区间无缝线路的关键技术之一[3]，在设计理论、关键结构、制造工艺、维护技术等方面取得了显著的进步[4]。但是由于环保、节约用地或者地形条件的限制，部分道岔不得不设置在坡度超过6‰的大坡道上[5]。然而，道岔设在大坡道上不利于行车的安全性和舒适性。目前，相关文献针对坡度对于无缝道岔影响的详细系统静力学分析较少。因此，本文建立大坡道上有砟道岔静力学模型，在考虑不同坡度的同时，分别针对18号有砟轨道无缝道岔和42号有砟轨道无缝道岔进行静力学计算分析。

1 静力学计算模型及检算方法

1.1 计算模型

利用有限元方法，建立了由道岔、道床、基础组成的一体化有砟道岔结构模型。计算模型中道床阻力与扣件阻力可按常量或非线性阻力考虑，计算原理参考文献[6]。基于有限元计算软件二次开发技术编制了专门用于计算无缝道岔的非线性有限元程序BTCWR，它采用Forturn语言来控制程序流程，可以结合有限元软件自动完成建模、荷载的施加、方程的求解、计算结果的提取等。建立了静力学分析模型如图1所示。

1.2 模型参数

模型采用国产18号、42号客专道岔，18号道岔全长69.0 m，前长a=31.729 m，后长b=37.271 m。42号道岔全长157.2 m，前长a=60.573 m，后长b=96.627 m。

道岔采用的钢轨为U71Mn(K)，钢轨屈服强度457 MPa，钢轨容许应力=457/1.3=351.5 MPa。每组扣件阻力：12.5 kN。单位枕长阻力：3.2 kN/m。

限位器阻力参数：多项式表达的非线性阻力。

f(Fx)=-51.664+4.0×105y-2.834×

108y2+1.142×1011y3-2.383×

1013y4+2.482×1015y5-1.102 1×1017y6kN·m。

间隔铁阻力参数：多项式表达的非线性阻力。

f(Fx)=40.488+5.8×104y-7.926×

106y2+3.975×108y3+1.105×

1011y4-7.702×1012y5kN·m。

2 静力学特性分析

为对有砟轨道不同坡度上无缝道岔进行受力研究，建立上述有限元模型进行静力学受力分析。计算考虑了不同温度条件、不同的道岔型号以及不同线路坡度等道岔范围内钢轨受力、位移等的影响。

2.1 伸缩工况

计算不同的轨温变化幅度下钢轨伸缩力变化如图2所示，提取钢轨伸缩附加力极值如图3所示。

从图2可知，在道岔范围内的钢轨伸缩力发生变化。当轨温变化幅度增大时，18号和42号道岔的钢轨伸缩力均增大。且由于18号道岔尖轨跟端限位器间隙为7 mm，42号为11 mm，因此在温变40 ℃,45 ℃时，18号道岔在限位器处由于字母块贴靠而出现传力，42号道岔由于字母块间隙较大，在温变较高的50 ℃时出现传力。由图3可知，在温变较小，限位器处未开始传力时，42号道岔的伸缩附加力小于18号道岔，开始传力时则大于18号道岔，说明道岔内部传力会引起钢轨附加力的增大，不利于钢轨受力。

2.2 制动工况

制动力是列车通过轮轨接触将力传至钢轨，然后通过扣件、轨枕、道砟等结构将其向下传递。制动荷载可通过荷载集度施加于轨面，荷载集度可表示为列车设计荷载与轮轨粘着系数的乘积，可表示为：

q=μ×Q。

其中，轮轨粘着系数μ取0.164(参照《铁路无缝线路设计规范》)。

为模拟车辆在长大坡度道岔上制动，制动荷载应考虑车辆ZK活载的坡道分力。在计算中通过将坡道上的制动荷载转化为等效轮轨粘着系数μ0实现。在图4中，设计荷载为Q，平行于轨道的分力F2即为坡道分力：

F2=Q×sinα。

因为α角一般很小，sinα值近似等于tanα，因此F2=Q×tanα，而线路坡度i=H/L=tanα，故F2=Q×i。因此，长大坡道上的荷载集度可表示为q=(0.164+i)×Q。

为探究坡度对列车通过道岔的影响，分别计算了18号、42号道岔铺设在平坡及5‰,10‰,15‰,20‰,25‰,30‰的坡道上时，列车分别在上坡、下坡方向通过时的制动工况，并提取了不同坡度下计算的列车上坡、下坡的钢轨制动力极值，结果如图5所示。

由计算结果可知，列车在大坡度道岔上制动时，在上坡方向制动力随坡度增大而减小，在下坡方向，制动力随坡度增大而增大。

坡度为30‰时，18号道岔在上坡方向因列车制动产生的钢轨力比平坡时减小了11.29%，在下坡方向增大了10.73%；42号道岔在上坡方向因列车制动产生的钢轨力比平坡时减小了11.30%，在下坡方向增大了10.72%。因此可知在下坡方向制动会引起钢轨力的增大，且18号、42号道岔的增大幅度均在10.7%左右，可能引起在长大坡道上的钢轨爬行，不利于有砟道岔区轨道几何形位的保持，不利于轨道结构安全。

2.3 钢轨强度检算

结合以上计算结果，进一步对钢轨强度进行检算。钢轨动弯应力根据线路条件计算为141.37 MPa。考虑取最不利温度工况，温变60 ℃，计算不同坡度下的钢轨应力值如表1所示。由结果可知，钢轨应力随坡度增大而增大，说明线路坡度会增大钢轨应力水平，不利于轨道结构安全，但总体上看，坡度引起的应力增大幅度较小，30‰相较于平坡工况增大了约1 MPa。此外，各坡度下42号道岔钢轨应力大于18号道岔，但钢轨强度均满足限值要求。

表1 钢轨强度检算 MPa

2.4 道岔尖轨、心轨相对位移、传力部件纵向力

表2为各温变幅度时道岔尖轨、心轨的相对位移。可知各温度工况下42号道岔的尖轨尖端相对于基本轨伸缩位移和心轨尖端相对于翼轨伸缩位移均大于18号道岔的计算结果，且42号道岔在温变60 ℃时尖轨尖端相对于基本轨伸缩位移超过限值40 mm，考虑42号道岔铺设允许最大温降为55 ℃，此时对应的尖轨相对位移为36.901 mm，能够满足规范限值要求。因此18号、42号道岔的尖轨、心轨相对位移均满足规范要求。

表2 道岔尖轨、心轨的相对位移 mm

由表3可知，各工况下18号、42号道岔的传力部件纵向力均小于限值。在温变幅度较低时，42号道岔尖轨跟端限位器(间隙11 mm)未贴靠，其纵向力为0，当温变幅度较高时，42号道岔尖轨跟端限位器纵向力增幅较大，明显大于18号道岔，说明当温度变化幅度较大时，42号道岔的限位器处的尖轨、基本轨传力更为明显。

表3 道岔传力部件纵向力 kN

2.5 道岔稳定性分析

由计算可知，18号、42号道岔在温变60 ℃时，钢轨伸缩压力分别为1 395.20 kN，1 420.20 kN，大于限值1 366 kN。而在考虑18号、42号道岔的设计最大允许温升分别为49 ℃，45 ℃，对应的钢轨伸缩压力小于限值1 366 kN，满足要求。

3 结语

本文对不同坡道有砟轨道上铺设18号和42号无缝道岔进行静力学分析，具体结论如下：1)经计算，钢轨强度、道岔尖轨、心轨相对位移、传力部件纵向力及岔区稳定性均满足限值要求。且相同铺设条件下42号道岔的各项指标均大于18号道岔。2)道岔通过限位器、间隔铁传力会引起钢轨力增大，不利于钢轨受力。在下坡方向制动会引起钢轨力、钢轨应力的增大，其中18号、42号道岔的钢轨力增大幅度均在10.7%左右，可能引起在长大坡道上的钢轨爬行，不利于轨道结构安全。