高速铁路大跨桥上无缝道岔理论研究与工程应用

高志国

（中国铁路设计集团有限公司 线路站场枢纽设计研究院, 天津 300308）

1 概述

跨区间无缝线路技术的应用为我国高速铁路飞速发展、领跑世界提供了技术支撑。而无缝道岔尤其是梁轨相互作用关系复杂的桥上无缝道岔技术, 是跨区间无缝线路得以广泛应用的关键基础技术之一。在列车高速运行条件下, 无缝道岔与桥梁之间的静力、动力相互作用机理较为复杂, 大跨桥上铺设的无缝道岔对高速行车的适应性是制约高速铁路建设与发展的基础性难题之一[1］。TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[2］规定, 道岔梁宜采用整体稳定性好、刚度大的上部结构形式。此外, 主跨大于48 m的连续梁铺设无缝道岔需进行专项检算。

针对大跨度连续梁铺设无缝道岔, 不同学者均开展过研究与工程应用。李秋义等[3-4］通过建立岔-桥-墩有限元模型, 研究不同桥跨布置的连续梁单渡线岔区轨道受力变形特性。高亮等[5-6］从温度荷载、竖向列车荷载、钢轨变形等角度分析主跨48 m连续梁无缝道岔的空间力学特性。孙加林[7］基于有限元方法对主跨56 m连续梁上无缝道岔温度场岔-梁相互作用进行了研究。蔡小培等[8］以京雄城际铁路黄固特大桥为例, 研究了主跨64 m连续梁铺设无缝道岔的静动力特性。殷明旻等[9］针对厦深客专韩江特大桥最大跨度88 m连续梁桥无缝道岔, 分析了岔-桥-墩相互作用与动力学特性。既有研究与工程实践中, 通常将无缝道岔布设于小跨度桥上, 且桥跨布置相对简单, 列车通过速度较低, 对于主跨100 m以上的大跨度连续梁铺设无缝道岔的应用和研究相对较少。

以沈白高铁（60+100+60）m大跨度连续梁为研究对象, 建立岔-桥-墩一体化耦合力学模型, 研究岔桥纵向耦合相互作用及列车过岔走行特性, 并提出工程应用建议, 为咽喉区大跨度桥梁铺设无缝道岔提供设计参考, 为其他类似工程应用提供借鉴。

2 工程概况

沈白高铁是设计速度350 km/h的高速铁路, 在某车站咽喉区（60+100+60）m大跨度连续梁铺设了1组5 m线间距单渡线道岔。道岔梁小里程方向为（76+144+76）m刚构桥接4-32 m简支梁, 大里程方向有（132+132）m T构桥, 二者与道岔梁之间各有2孔简支梁, 跨度分别为24、32 m, 桥跨条件复杂。道岔均为18号单开道岔, 岔区采用轨枕埋入式无砟轨道, 非岔区铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道, 岔桥相对位置关系示意见图1。岔枕间距为600 mm, 尖轨采用弹性可弯结构, 尖端为藏尖式。

图1 岔桥相对位置关系示意图

当地最高、最低轨温分别为56.0、-35.5℃, 取锁定轨温为15.0℃, 钢轨最大升温幅度为44.0℃, 最大降温幅度为54.0℃；无砟轨道混凝土梁计算梁温差取30.0℃。根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[2］, 本研究采用的计算荷载为ZK活载。

3 模型及计算参数

3.1 静力学模型

基于梁轨相互作用原理, 建立岔-桥-墩一体化有限元计算模型, 进行岔-桥-墩相互作用分析。模型中, 钢轨采用Euler-Bernoulli梁单元模拟, 扣件采用弹簧单元模拟, 横向和垂向约束考虑为线性弹簧, 纵向弹簧参考TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》采用双折线非线性弹簧模拟。无砟轨道、桥梁采用铁木辛柯梁单元模拟, 并充分考虑材料、截面特性。岔-桥-墩一体化计算模型见图2[10］。

图2 岔-桥-墩一体化计算模型

3.2 动力学模型

（1）车辆模型。模型忽略车辆结构及部件变形, 将其简化为多刚体系统, 包括轮对、转向架和车体等。其中, 一系悬挂、二系悬挂采用弹簧-阻尼单元进行模拟, 转向架、车体考虑横移、侧滚、点头、摇头和沉浮共5个自由度, 轮对不考虑点头运动, 共4个自由度。因此, 车辆模型共31个自由度。车辆模型拓扑图见图3。

图3 车辆模型拓扑图

（2）道岔模型。可动变截面钢轨及多组限位、转换锁闭结构部件, 导致道岔模型较为复杂。模型需尽可能模拟无缝道岔各部件的力学特性与传力机制, 以保证计算结果的精确性。

道岔转辙器及辙叉部位的尖轨、心轨由变截面钢轨构成, 钢轨轨顶面及截面尺寸沿纵向变化, 钢轨踏面与轮对的相互作用关系也不尽相同。模型中, 通过在关键截面间插值, 计算得到任意断面。通过向前后一定范围插值足够数量的计算断面, 模拟列车运行时, 轮轨接触作用在单根钢轨与双根钢轨间的转换过程。

考虑无缝道岔的必要组成部分, 建立桥上无缝道岔动力分析模型（见图4）。

图4 道岔结构整体模型示意图

利用哈密尔顿原理, 建立无缝道岔在列车高速运行条件下的总动能、总势能及虚功方程, 完成无缝道岔振动方程的建立。参考文献[11］的方法, 可推导出道岔质量矩阵[Mt］、刚度矩阵[Kt］、阻尼矩阵[Ct］, 进而得到振动方程：

式中：{üt}、{u̇t}、{ut}分别为子系统的加速度、速度和位移阵列, 其各行变量对应位移变分行所描述的道岔结构自由度；｛Pt｝为道岔系统荷载阵列, 根据车-岔耦合振动关系确定, 并合并至整体系统荷载阵列中。

（3）桥梁模型。利用有限元方法建立桥梁结构运动方程, 将桥梁简化为梁体单元。

4 理论研究

4.1 岔桥纵向耦合研究

4.1.1 受力特性分析

无缝道岔的基本轨一般处于无缝线路固定区。当环境温度降低时, 轨温下降, 基本轨受拉, 此时道岔尖轨及心轨的收缩也会传递附加温度拉力至基本轨, 从而导致基本轨承受的拉应力比普通地段无缝线路更大。桥梁由于温度升降引起的附加力也是如此, 因此必须对基本轨的钢轨强度进行检算。影响大跨度连续梁桥上无缝道岔力学特性的主要为是否铺设小阻力扣件, 本桥温度跨度不足200 m, 因此先试算常阻力扣件情况下的钢轨强度。

以桥梁降温30℃、钢轨降温54℃作为温度荷载施加于模型, 根据计算结果可知, 钢轨最大伸缩压力出现在距离左桥台704 m处（即大跨道岔梁右侧梁缝位置）, 最大伸缩拉力为2 213.19 kN。从左至右制动工况下, 相同位置出现最大附加压力121.51 kN, 在距离左桥台424.90 m处出现最大附加拉力122.52 kN。钢轨强度检算结果见表1, 可见不设置小阻力扣件, 钢轨纵向拉应力最大可达417.66 MPa, 远大于钢轨容许应力351 MPa。因此必须设置小阻力扣件。

表1 不设置小阻力扣件钢轨强度检算结果 MPa

在道岔梁岔区范围外侧、连续梁边跨及相邻简支梁设置小阻力扣件, 进一步进行计算分析。当桥梁及钢轨降温时钢轨受力见图5, 钢轨最大伸缩拉力出现在距离左桥台704 m处（即大跨道岔梁右侧梁缝位置）, 最大伸缩拉力为1 526.50 kN。在相同位置进行列车制动力计算, 结果见图6, 当列车由右向左行驶制动时, 在道岔梁左侧梁缝处钢轨最大拉力为69.65 kN；当列车由左向右行驶制动时, 钢轨最大拉力为109.49 kN。钢轨强度检算结果见表2, 钢轨拉应力最大值为327.31 MPa, 能够满足安全性要求, 但安全余量较小, 在应用中可通过调整并严格控制锁定轨温进一步保证受力安全。

图5 降温工况钢轨受力

图6 制动工况钢轨受力

表2 设置小阻力扣件钢轨强度检算结果 MPa

道岔结构复杂, 设置有间隔铁、限位器等传力部件, 其结构安全性也是道岔检算的重要因素, 主要指标为尖轨跟端限位器及翼轨跟端间隔铁螺栓受力满足其规定的抗剪强度要求。在结构温度变化作用下, 各股道尖轨跟端限位器及翼轨跟端间隔铁螺栓受力见表3, 可见螺栓受力最大值为101.88 kN, 远小于其抗剪强度237.60 kN。

表3 尖轨跟端限位器及翼轨跟端间隔铁螺栓受力 kN

4.1.2 结构位移分析

尖轨及心轨伸缩位移也是影响无缝道岔服役状态的重要指标, 该指标过大易引起转辙机转换卡阻、尖轨侧拱等无缝道岔病害。为保证无缝道岔结构及转辙机满足安全服役要求, 必须对道岔结构位移进行分析检算。

钢轨相关位移计算结果见表4, 可见, 在温度、列车荷载等作用下, 1#、3#道岔尖轨尖端相对于基本轨位移、心轨尖端相对于翼轨位移、转辙器处最大梁轨相对位移均小于限值要求, 能够满足道岔安全使用要求。

表4 钢轨相关位移计算结果 mm

此外, 当钢轨材质存在缺陷或现场轨缝焊接强度较低时, 低温季节钢轨可能出现断轨, 为保证断轨发生时的行车安全, 必须检算断轨断缝。钢轨伸缩力最大位置出现断轨时, 在钢轨降温条件下, 钢轨断缝值可达74.28 mm, 小于规范90 mm限值要求。

综上所述, 桥上无缝道岔钢轨受力及位移特性均小于规范限值要求, 满足安全服役要求。

4.2 列车过岔动力学分析

高速铁路桥上无缝道岔系统的车-岔-桥耦合振动十分复杂, 我国专家学者曾对此开展大量研究[12］。为评价大跨度连续梁桥上无缝道岔的合理方案, 探讨高速列车-无缝道岔-桥梁的动态特性, 基于建立的高速列车-无缝道岔-桥梁动力学耦合模型, 分析列车以350 km/h速度直向过岔和80 km/h速度侧向过岔时系统动力学响应, 并根据脱轨系数、轮重减载率等指标评价列车过岔安全性, 以尖轨尖端竖向位移、尖轨开口量、心轨尖端竖向位移、心轨尖端开口量评价无缝道岔动态安全性[13-14］。

当列车分别直向、侧向通过道岔时, 轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率以及尖轨尖端竖向位移、尖轨开口量、心轨尖端竖向位移、心轨尖端开口量等计算结果见表5。

表5 列车侧向过岔计算结果

由表5可见, 当列车直向通过道岔时, 轮轨垂向力最大值为157.82 kN, 转辙器部分轮轴横向力最大值为32.41 kN, 均在安全限值内。脱轨系数最大值为0.41, 小于安全限值0.80, 轮重减载率最大值0.69, 小于安全限值0.80。由于尖轨及心轨没有扣件约束, 处于半自由状态, 在列车过岔的振动作用下, 当列车直向通过桥上道岔时, 尖轨、心轨尖端竖向位移最大值分别为0.19、0.23 mm；尖轨及心轨尖端开口量最大值分别为0.43、0.02 mm, 均小于安全限值, 说明能够保证道岔安全服役。同理, 列车侧向通过道岔时, 上述指标均能满足安全性要求。

综上所述, 当列车直向、侧向通过无缝道岔时, 各动力学指标均能满足安全性要求, 铺设无缝道岔具有可行性。

5 工程应用

考虑我国工程中缺少对大跨度连续梁铺设无缝道岔的工程经验, 运营阶段应加强巡检、监测, 同时对道岔各项敏感指标变化进行跟踪, 保证无缝道岔的安全健康服役状态。根据大跨度连续梁铺设无缝道岔的理论研究结果, 在沈白高铁开展了工程应用研究。

5.1 设计优化

为保证钢轨强度能够满足规范要求, 并具有更多的安全余量, 在道岔梁非岔区地段及道岔梁两侧各1孔简支梁范围布置小阻力扣件, 以降低梁轨相互作用, 减小钢轨受力。

考虑到沈白高铁位于东北严寒地区, 为保证道岔转辙机构能够顺利转换, 需在道岔设置融雪装置, 在无砟轨道结构设计时为融雪装置预留安装空间和安装条件。

由于混凝土在极端低温、极端高温循环作用下极易产生粉化、剥落等病害, 在无砟道床、底座两侧均设置至少6%的排水坡, 在大跨度桥梁设置至少3%的排水坡, 降低积水的冻融循环对轨道结构耐久性的影响。同时在伸缩缝、施工缝、结构缝等位置采用硅酮密封胶密封, 避免雨水渗入结构, 叠加冻融循环影响结构健康服役。

5.2 施工控制

无缝线路施工时, 注意长轨条布置应符合《铁路无缝线路设计规范》[2］等的相关规定, 焊接接头应避开梁缝5 m以上。此外, 根据研究计算结果, 应严格控制锁定轨温, 有条件时可适当降低单元轨节锁定轨温, 以降低极端条件下的钢轨受力。

无砟道床施工时, 应严格按图纸设计控制结构尺寸, 混凝土施工时应充分振捣保证混凝土质量, 避免出现浮浆、掉块等病害, 混凝土养护应严格执行相关规程。

无缝道岔装铺时, 应严格控制作业温度, 保证铺设后无缝道岔轨温变化幅度合理。此外, 应严格、精确定位限位器子母块间的相对位置, 避免由于轨温升降导致限位器受力过大。岔区锁定轨温与相邻道岔、相邻单元轨节的温差应严格控制, 并加强岔后线路的爬行锁定。为降低桥梁伸缩对道岔的影响, 应控制连续梁合龙温度, 且应选择合适的温度条件铺设无缝道岔。

5.3 运维监测

我国高速铁路对于大跨度连续梁铺设无缝道岔尚缺少工程经验, 应配套桥上无缝道岔健康监测系统, 能够实时监测道岔状态, 通过数据积累指导工程设计, 为无缝道岔应用提供技术积累。

断缝计算结果74.28 mm虽然小于相关规范中困难条件限值90 mm, 但已超出一般条件限值70 mm, 建议对该区域长轨条加强巡检及观测, 及时排查钢轨伤损、扣件状态不良等问题。维修过程中应检查限位器、间隔铁联结螺栓扭矩, 加强道岔卡阻、扣件状态等问题排查, 并做好相关应急处置预案。

6 结论

依托沈白高铁对某咽喉区大跨度连续梁铺设无缝道岔进行理论研究和工程应用研究, 得出如下结论, 可为高速铁路咽喉区大跨度连续梁无缝道岔设计及工程应用提供技术支撑。

（1）小阻力扣件的应用有助于降低梁端位置钢轨受力。采用小阻力扣件方案, 钢轨最大应力为327.31 MPa, 心轨、尖轨相对基本轨纵向位移最大值分别为17.73、4.55 mm, 间隔铁、限位器螺栓受力及钢轨断缝等也能够满足安全性要求。

（2）列车直向、侧向过岔时, 脱轨系数、轮重减载率均小于0.80的安全限值, 心轨、尖轨竖向位移等指标均能满足规范要求, 说明列车过岔时的车辆、道岔安全性能够满足。

（3）针对大跨度桥梁铺设无缝道岔, 应综合考虑严寒地区冻融循环、排水、施工控制等因素, 从设计、施工、运维等多方面、多角度系统研究。