客運專線橋上無縫道岔計算模型和計算方法研究

李秋義

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線站處，武漢 430063)

1 概述

隨著鐵路客運專線的建設與發展,將會有越來越多的道岔設置在橋上。建立科學合理的計算模型與計算方法是研究橋上無縫道岔受力與變形的重要手段,也是指導無縫道岔設計、施工及養護維修的理論基礎。橋上無縫道岔的計算模型和計算方法研究已經引起國內外高度關注。德國和法國分別建立了軌道-橋梁有限元計算模型,國內也有相關研究成果相繼發表[1～5]。

本文在充分分析道岔-橋梁相互作用原理及力學傳遞機理的基礎上,建立了橋上有砟軌道和無砟軌道“岔-梁-墩一體化”計算模型,提出了道岔與橋梁相互作用非線性有限元計算方法,并開發相應的計算程序。通過與德國計算結果的比較，驗證本計算模型的可行性和合理性。

2 道岔-橋梁相互作用原理

對于橋上無縫道岔,道岔和橋梁之間是一個相互作用、相互影響的耦合系統。在橋上軌道(包括道岔)與橋梁之間形成一個相互作用的力學平衡體系。道岔-橋梁相互作用原理是橋上無縫道岔縱向力和位移計算的理論基礎。道岔與橋梁相互作用力包括伸縮力、撓曲力、斷軌力、制動力。道岔與橋梁之間的相互作用如圖1所示。

圖1 道岔與橋梁相互作用

3 計算模型和計算方法

3.1 基本假定

(1)道岔尖軌與可動心軌前端可自由伸縮。尖軌或可動心軌尖端位移為其跟端位移與自由段伸縮位移之和。

(2)不考慮轍叉角大小的影響,假設導軌與長軌條平行。

(3)鋼軌按支承節點劃分有限桿單元,扣件縱向阻力模擬為縱向彈簧,道床阻力以單位岔枕長度的阻力計,道床阻力沿岔枕長度方向均勻分布。

(4)考慮轍跟限位器間隔鐵阻力對鋼軌伸縮位移的影響,間隔鐵阻力以彈簧單元模擬。

(5)假設橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮,活動支座抵抗伸縮的阻力忽略不計,計算時考慮橋梁墩臺頂縱向剛度。

3.2 岔-梁-墩一體化計算模型

在橋上無縫道岔結構體系中,道岔和橋梁是不可分割的兩大組成部分,鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺是一個相互作用、相互影響的耦合系統,必須應用系統工程的思想來研究道岔和橋梁的作用規律。

(1)有砟軌道

將道岔結構和橋梁結構作為一個總的大系統,建立“岔-梁-墩”一體化計算模型,如圖2～圖3所示。

圖2 橋上無縫道岔模型平面

圖3 橋上有砟無縫道岔模型立面

岔-梁-墩一體化模型全面反映了鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺之間的相互作用關系。一體化模型系統中各種阻力按非線性阻力考慮,同時也可考慮常阻力和線性阻力；道岔可為單組或道岔群,橋梁可為簡支梁、連續梁或其他梁型。為消除邊界影響,橋臺兩端考慮一定長度的一般路基地段軌道。

(2)無砟軌道

橋上無砟軌道上鋪設無縫道岔時,道岔鋪設在鋼筋混凝土道岔板上,道岔板和橋梁之間鋪設中間墊層,允許二者之間有相對滑動,通過設置縱橫向凸臺傳遞作用力,道岔和橋梁之間的相互作用與有砟軌道明顯不同。

利用有限元方法建立了“岔-梁-墩”相互作用的一體化模型,把橋上無縫道岔結構看作一個由道岔、軌道板、梁體組成的三層結構體系,道岔和軌道板之間的扣件采用彈簧模擬,軌道板和梁體通過彈簧連接。力學分析模型如圖4所示。

圖4 橋上無砟無縫道岔模型立面

3.3 求解方法

本文利用ANSYS軟件開放的體系結構,基于ANSYS二次開發技術編制了梁軌相互作用非線性有限元程序DCWTB,它采用APDL語言(命令流技術)來控制程序流程,自動完成有限元建模、荷載的施加、方程的求解,極大地提高了計算精度和工作效率。圖5、圖6為ANSYS自動建立的橋上無縫道岔有限元模型。

圖5 橋上有砟無縫道岔有限元模型

圖6 橋上無砟無縫道岔有限元模型立面

3.4 計算模型和計算方法的驗證

(1)計算參數

高架橋的總長度為360 m,為雙線橋,混凝土箱梁布置形式3-30 m簡支梁+6×30 m連續梁+3-30 m簡支梁。連續梁上布置1組18號單渡線(線間距5.0 m),道岔側向過岔速度v=100 km/h。道岔與橋梁布置見圖7。

圖7 道岔與橋梁布置(單位：m)

橋梁溫度變化ΔT=-30 ℃

制動力20 kN/mL×20 kN/m<6 000 kN

牽引力33.3 kN/mL×33.3 kN/m<1 000 kN

橋墩縱向水平線剛度：

工況一 所有橋墩都視為剛性,即不考慮橋墩的水平變形。

工況二 采用橋墩實際剛度：簡支梁橋橋墩K=100 MN/m；連續梁固定墩K=5 000 MN/m。

(2)伸縮力計算結果

德國橋上無縫道岔計算模型見圖8。德國采用有限元計算模型的鋼軌應力(橋梁溫度變化ΔT=30 ℃)計算結果見圖9。本文根據道岔-橋梁相互作用有限元計算模型和計算方法的計算結果見圖10。

圖8 德國橋上無縫道岔計算模型

圖9 德國計算結果

圖10 本文計算結果

(3)牽引力+制動力+撓曲力計算結果

德國根據牽引力+制動力+撓曲力的荷載組合,計算荷載作用在x=30 m→330 m時的鋼軌應力見圖11。

圖11 德國加速力+制動力+撓曲力計算結果

本文采用與德方相同的荷載組合、計算參數進行計算,鋼軌應力計算結果見圖12。

圖12 德國牽引力+制動力+撓曲力計算結果

(4)結果比較

本文與德國鋼軌應力計算結果最大值的比較見表1。

表1 結果比較 MPa

從以上分布圖和計算結果的比較可見,本文和德國分別計算的橋上無縫道岔鋼軌應力分布規律非常一致,兩種方法的計算結果吻合較好,驗證了本文橋上無縫道岔計算模型和計算方法可行性和合理性。

4 結語

綜上所述,本文建立的橋上無縫道岔計算模型和計算計算方法具有以下特點。

(1)計算原理成熟。對于道岔-橋梁耦合系統,試圖采用任何一種理論解法幾乎都是非常困難的,本文選擇采用了目前結構工程領域最為常用、較為成熟有限元法,在研究技術路線大方向把握上是正確性的。德國、法國橋上無縫道岔計算無一例外都采用有限元法。

(2)計算模型完備。岔-梁-墩一體化計算模型系統全面地考慮了道岔與橋梁之間的相互耦合作用,真實地反映了橋上無縫道岔的實際工況和力學傳遞機理。道床縱向阻力、扣件阻力、扣件阻矩、間隔鐵阻力、限位器阻力采用非線性函數符合實際,提高了計算結果的準確性。

(3)計算參數可信。所有計算參數均以現場試驗與試驗室的試驗數據為基礎,采用數理統計方法進行統計分析來確定,保證了無縫道岔計算參數的準確、可信,避免了設計參數取值的主觀隨意性很大。

(4)計算手段先進、高效。充分利用ANSYS軟件在非線性方程求解方面強大功能,ANSYS二次開發技術的引入極大地提高計算效率和準確性。

[1]王 平，楊榮山，劉學毅.無縫道岔鋪設于長大連續梁橋上時的受力與變形分析[J].交通運輸工程與信息學報，2004,2(3)：16-21.

[2]劉衍峰，高 亮，馮雅薇.橋上無縫道岔受力與變形的有限元分析[J].北京交通大學學報，2006,30(1)：67-70.

[3]曾志平，陳秀方，趙國藩.連續梁橋上無縫道岔伸縮力與位移計算[J].交通運輸工程學報，2006，6(1)：35-38.

[4]曾志平，陳秀方，趙國藩.簡支梁橋上無縫道岔溫度力與位移影響因素分析[J].中國鐵道科學,2007，6(1)：54-58.

[5]孫大新，高 亮，劉衍峰.橋上無砟軌道無縫道岔力學特性分析[J].北京交通大學學報，2007,31(1)：90-92.