四线桥上铺设无缝道岔群与钢轨伸缩调节器研究

李保友

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

1 引言

玉磨铁路是中老昆万铁路国内段，位于云南省南部，起点是玉溪站，终点是中老边境磨憨口岸。本线正线为160 km/h客货共线铁路，一次铺设跨区间无缝线路。正线以铺设有砟轨道为主，在地质情况良好且长度大于6 km的隧道内铺设弹性支承块式无砟轨道。南溪河站位于元江站与墨江站之间，为缓开越行站，车站设到发线4条（含正线2条，到发线2条），到发线有效长度按880 m设计。车站小里程5#～7#单渡线和9#道岔位于南溪河四线桥上。受地形和地物控制，南溪河四线桥桥跨布置采用2×32 m+44 m+80 m+44 m道岔连续梁+2×32m简支T梁+43 m+96 m+2×128 m+96 m+43 m刚构连续梁+2×32 m简支T梁，桥梁全长913.8 m，主墩墩高分别为90 m、125 m、107 m，桥梁总布置图见图1。

道岔里轨由于温度变化引起的伸缩不仅造成里轨与基本轨相互作用，而且通过扣件、桥面系引起道岔与桥梁的相互作用。道岔-桥梁相互作用是这两种作用相互耦合与相互叠加后的综合效果[1，2]。本桥道岔梁与大跨度主桥临近，结构复杂，同时桥上铺设无缝道岔群后，道岔群与道岔梁和大跨度连续梁之间的相互作用更加复杂，使得桥上无缝道岔群设计更为困难。道岔结构由多个部件组成，梁轨相互作用下，道岔结构各部件应满足强度及变形要求，从而确保道岔结构满足转换功能[3]。本文旨通过调整道岔群的布置位置、小阻力扣件铺设长度和钢轨伸缩调节器铺设方案，研究道岔群受力和变形特点，最终完成四线桥上无缝道岔设计，并提出桥上无缝道岔群设计指导意见，为我国桥上无缝道岔群设计提供参考，最终完成无缝道岔群与钢轨伸缩调节器铺设。

2 计算模型及计算参数

2.1 计算模型

将道岔和桥梁作为一个相互作用、相互影响的耦合系统，根据道岔-桥梁相互作用原理，建立“岔梁墩一体化”有限元模型，基于ANSYS二次开发技术进行道岔-桥梁相互作用非线性有限元分析[4]。把桥上无缝道岔结构看作一个由道岔、岔枕、梁体组成的3层结构体系，道岔和岔枕之间的扣件采用弹簧模拟，岔枕和梁体通过弹簧连接[5]。有砟桥上无缝道岔平面模型见图2，有砟桥上无缝道岔立面模型见图3，桥梁墩台与道岔布置简图见图4。道岔与桥梁相互作用力包括伸缩力T1、挠曲力T2、断轨力T3、制动/牵引力T4。

图2 有砟桥上无缝道岔平面模型

图3 有砟桥上无缝道岔立面模型

图4 桥梁墩台与道岔布置简图

2.2 计算参数

道岔采用12号GLC（08）01道岔，轨道采用60 kg/m U75V钢轨、弹条Ⅱ型扣件、新Ⅲ型混凝土桥枕、一级碎石道砟，小阻力扣件采用石龙桥小阻力扣件，最高轨温62.5℃，最低轨温-0.1℃，锁定轨温35℃±5℃，计算参数按照TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》取值。列车荷载采用中荷载，加载长度取400 m，轮轨黏着系数取0.164。桥梁墩台纵向水平单线刚度见表1。

表1 桥梁墩台纵向水平单线刚度kN/cm

3 检算项目及方法

有砟桥上无缝道岔检算项目包括：钢轨强度检算、道岔联结部件强度检算、尖轨尖端相对基本轨位移检算、可动心轨尖端相对翼轨位移检算、道岔转辙器与桥梁相对位移检算、辙叉与桥梁相对位移检算、钢轨断缝检、轨道结构稳定性检算。检算方法按照TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》执行。

4 无缝道岔群计算分析

4.1 方案一：全桥铺设常阻力扣件

全桥铺设常阻力扣件，主桥连续梁两端不设钢轨伸缩调节器，计算梁轨相对位移和钢轨应力，分析不满足规范的位置和原因，有针对性地优化无缝道岔群设计。根据道岔图知，5#道岔与9#道岔并行布置，本文以5#道岔所在的第二股道为例进行分析。

1）钢轨降温40.1℃，梁体降温15℃，方案一第二股道钢轨伸缩附加纵向力见图5。

图5 方案一第二股道钢轨伸缩附加纵向力图

温降作用下基本轨最大伸缩附加拉力为777 kN。钢轨强度计算结果汇总见表2。

表2 钢轨拉应力强度检算

由表2计算结果可知，连续梁端部钢轨强度不满足要求，须优化无缝线路设计。

2）温降作用下道岔尖轨、心轨位移见表3。

表3 尖轨、心轨位移

由表3可知，5#道岔、7#道岔、9#道岔尖轨、心轨的位移均不满足规范要求。主要原因是受到发线有效长度控制，道岔区位于道岔梁左侧，距离固定支座较远。根据梁轨相对位移关系，研究适当降低到发线有效长富余量，将道岔群中心向道岔梁固定支座方向移动，对比分析计算结果，道岔群需向道岔连续梁固定支座方向平移20 m，尖轨、心轨的位移才能满足规范要求。

4.2 方案二：部分地段铺设小阻力扣件

5#、7#、9#道岔向桥梁大里程端平移20 m，在0#～1#墩范围内铺设小阻力扣件，4#～9#墩范围内铺设小阻力扣件，11#～15#墩范围内铺设小阻力扣件，其余位置铺设常阻力扣件且无伸缩调节器。锁定轨温调整为32℃±3℃，钢轨降温35.1℃，梁体降温15℃。方案二第二股道钢轨制动附加纵向力见图6。方案二第二股道钢轨断轨时基本轨位移见图7。温降作用下基本轨最大伸缩附加拉力为610 k N。钢轨拉应力371.9 MPa大于容许应力363.0 MPa，不满足规范要求。

图6 方案二第二股道钢轨制动附加纵向力图

图7 方案三第二股道钢轨基本轨位移图

4.3 方案三：主桥梁两端设钢轨伸缩调节器

对比分析多种方案后，钢轨强度仍然不满足要求。因此，研究在主桥43 m+96 m+2×128 m+96 m+43 m连续钢构的两端设置钢轨伸缩调节器，4#～7#墩、13#～15#墩范围铺设小阻力扣件。锁定轨温调整为32℃±3℃，钢轨降温35.1℃，梁体降温15℃，方案三第二股道钢轨伸缩附加纵向力见图8。

图8 方案三第二股道钢轨伸缩附加纵向力图

温降作用下基本轨温度力与附加伸缩力之和最大值为398 kN。荷载右桥入，车头距左桥台0 m，启动长度400 m，最大制动附加拉力为364 kN。钢轨最大拉应力339.8 MPa小于容许应力363.0 MPa，富余量较大，可靠性好。钢轨强度、断缝值、轨道稳定性均满足规范要求。

5 结论

本文采用有限单元法建立了岔-梁-墩一体化模型，分析了伸缩力和制动力作用下钢轨强度、断缝值、道岔联结部件强度、尖轨与心轨位移、轨道稳定性、道岔转辙器与桥梁的相对位移及辙叉与桥梁的相对位移，对比分析得出如下结论：

1）道岔布置在道岔梁端部时，梁轨相对位移较大，尖轨尖端处基本轨相对梁体位移和心轨尖端相对翼轨位移难以满足规范要求。应将道岔布置在梁轨位移接近的地段，困难条件下，应优先将道岔群向道岔梁固定支座方向移动。

2）道岔区扣件阻力大，钢轨应力易超出容许应力。因此，在道岔梁前后应布置简支梁为宜。当道岔群所在桥梁与大跨度连续梁相邻时，应深入分析全桥梁轨相互作用，根据钢轨受力特点，合理设置钢轨伸缩调节器，严格控制道岔群和桥梁的位移。