高架車站無砟軌道岔區道床板限位方案的研究

魏周春

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

1 工程概況

渭南北站位于高架橋上，兩臺四線布置，正線雙線鋪設雙塊式無砟軌道，站線鋪設有砟軌道，咽喉區和渡線共計8組，寶橋—科吉富18號可動心軌單開道岔和渡線道岔均布置在連續梁上。岔區采用長枕埋入式無砟軌道。

1.1 岔區道床板設計

道床板為單元式結構，每組單開道岔分為4塊道床板(圖1)，每組單渡線分為6塊道床板，道床板長度19～28 m。每塊道床板中部設置三個橫向限位凸臺，凸臺長度與道床板寬度一致;橫向限位凸臺兩側各設置一個通長的縱向限位凸臺。通過縱橫向限位凸臺限制道床板與底座的縱橫向位移。

圖1 單開道岔道床板布置示意

為保證道床板在溫度作用下能夠自由伸縮，在道床板與底座水平接觸面鋪設“兩布一膜”滑動層。

1.2 底座設計

底座為分塊式結構，底座長度、寬度與道床板一致。在橋面混凝土保護層內預埋門型鋼筋與底座連接。

在底座上與道床板限位凸臺對應設置凹槽，并在凹槽四周粘貼彈性橡膠墊板。

1.3 限位凸臺設計

縱橫向限位凸臺布置及結構尺寸見圖2。

圖2 限位凸臺剖面示意(單位:mm)

圖2中底座凹槽高度100 mm，寬度分別為500 mm及800 mm。凹槽側面設置厚度不等的橡膠墊板。

1.4 現場施工情況

現場施工中部分道岔縱橫向限位凸臺側面橡膠墊板與底座接觸面之間增加了一層厚度5～10 mm的泡沫板，使縱橫向凸臺失去限位功能。

2 方案研究

2.1 銷釘限位方案

采用兩種銷釘限位，一種為縱橫向均可限位的抗剪銷釘;另一種為一向可滑動，另一向限位的長圓孔抗剪銷釘。在每塊道床板中部區域采用縱橫向均可限位的銷釘;道床板端部區域采用縱向可滑動、橫向限位的長圓孔抗剪銷釘(圖3)。滑動銷釘縱向滑動距離不小于±4 mm。銷釘直徑40 mm，長380 mm，植入底座深度為190 mm。

圖3 道床板銷釘布置示意

固定銷釘安裝時，道床板和底座鉆孔直徑48 mm，鉆入底座深度190 mm;滑動銷釘施工時在道床板上鉆孔直徑122 mm，直到鉆穿道床板，再在孔底部中心位置向下鉆孔，孔直徑48 mm深190 mm，取出鉆芯后用壓縮空氣清孔。固定銷釘周圍注入植筋膠，滑動銷釘下部采用植筋膠固定，上部滑槽周圍采用混合灌漿料，灌漿料具有高強、無收縮的特性。

單開道岔A、B、C、D型四塊道床板中部各設固定銷釘16個，兩側設滑動銷釘12個。

2.2 銷釘配合側向擋臺限位方案

每塊道床板中部區域采用縱橫向均可限位的銷釘，兩端不設銷釘，采用鋼筋混凝土側向擋臺限位。側向擋臺與道床板接觸面，設置彈性橡膠支座(見圖4)。側向擋臺內的鋼筋分別與橋面混凝土保護層、混凝土底座及防撞墻內的鋼筋連接，通過側向和豎向的連接，保證側向擋臺的穩定。

圖4 道床板擋臺限位方案示意

2.3 兩種方案優缺點比較

全部采用銷釘限位方案施工方便，不改變原岔區無砟軌道的基本尺寸，缺點是銷釘為隱蔽工程，在長期運營過程中如出現不可見外力破壞或意外出現失效現象，銷釘可修復性較差。

側向擋臺配合銷釘限位方案受力明確，擋臺橫向承載力大，使用過程中發現問題可及時修補。缺點是在底座、橋梁保護層及防撞墻內植筋，對其結構有一定影響，施工周期長，整治后外觀較差。

綜合考慮建設工期等因素，采用全銷釘限位方案進行整治。

3 縱向限位方案受力分析

3.1 計算理論

橋上無砟道岔縱向力計算時存在以下幾種關鍵的縱向相互作用關系。

3.1.1 鋼軌與道床板相互作用關系

道岔鋼軌與道床板之間通過扣件阻力產生相互作用，道岔鋼軌內的縱向力除固定區的溫度力影響外，還受道岔與道床板之間的縱向相互作用影響。

3.1.2 道床板與底座相互作用關系

道床板與底座主要存在兩種聯結方式:一種是道床板與底座間“兩布一膜”的摩擦阻力;另外一種是在底座上按一定方式布置銷釘或擋臺，實現與道床板的剛性聯結。

為方便計算，道床板與底座間“兩布一膜”的摩擦阻力可采用雙線性阻力來模擬。

3.1.3 底座與橋梁縱向相互作用關系

底座與橋梁間縱向相互作用通過兩個途徑:一個是底座與橋梁間的滑動層摩擦作用;另一個途徑是底座和橋梁之間的門型鋼筋聯結，這兩個途徑在底座和橋梁間實現了剛性聯結。

3.2 計算模型

根據岔、橋相互作用建立“岔—板—梁—墩”一體化計算模型(圖5)分析橋上無砟道岔縱向受力和變形。該模型中考慮每根鋼軌在軌溫變化、軌面作用制(啟)動力、橋梁產生縱向位移時所承受的縱向力，并按岔枕支點劃分單元節點。將鋼軌和岔枕相連，岔枕和橋梁相連，并考慮道岔中每一個限位器、間隔鐵在鋼軌間所傳遞的縱向力。

橋梁按岔枕支點劃分單元，在溫度力、列車荷載作用下將產生縱向位移，同時將橋面所承受的縱向力通過固定支座傳遞給墩臺。模型中不考慮固定支座的變形及活動支座的摩阻力。

3.3 計算工況

重點分析道床板與底座之間的傳力聯結是否可靠，因而最不利工況的設置主要考慮道床板與底座之間的溫度變化差異以及軌面制動力。溫度變化計算有以下三種工況:

1)溫度1工況為日照形成的溫度梯度引起的附加力。岔區道床板和底座的溫度梯度取20℃。

圖5 橋上無砟道岔縱向力計算模型

2)溫度2工況為降雨等因素造成無砟軌道表面溫度降低引起的附加力。岔區道床板和底座的溫度梯度按10℃取值。

3)溫度3工況為橋梁伸縮引起的附加力。橋梁的溫度變化幅度按20℃取值。

4)制動1工況為按一線制動另一線啟動加載，制動力16 kN/m，加載長度300 m;啟動力26.64 kN/m，加載長度30 m。制動荷載作用在道岔所在連續梁固定支座的兩邊。

3.4 主要檢算標準

1)鋼軌強度應滿足:σd+σt+σf≤［σ］，其中，σd為鋼軌彎應力，σt為鋼軌基本溫度應力，σf為鋼軌附加應力，［σ］為鋼軌容許應力，取351.5 MPa。

2)科吉富道岔尖軌尖端相對伸縮位移不超過40 mm，心軌尖端相對伸縮位移不超過20 mm。

3)單根錨固銷釘疲勞強度56 kN，極限強度150 kN。假設橫向一排的銷釘平均受力。

3.5 銷釘限位方案縱向力分析

3.5.1 鋼軌應力與梁軌相對位移

各種工況下的最大附加縱向力和梁軌相對位移匯總如表1所示。

經計算，軌頭最大壓應力134.1 MPa，軌底最大拉應力114.8 MPa，與上表溫度力、附加力相加，鋼軌最大拉應力332.8 MPa，最大壓應力289.2 MPa，小于鋼軌容許應力;尖軌尖端最大位移27.36 mm，小于限值40 mm;心軌尖端最大位移7.83 mm，小于限值20 mm。

從上述可知，銷釘限位方案道岔鋼軌的強度和變形能夠滿足使用要求。

表1 鋼軌最大縱向力和梁軌相對位移

3.5.2 道床板與底座間的相對位移及銷釘受力

圖6 道床板與底座的相對位移

表2 各工況下銷釘最大受力統計

溫度1工況單開道岔道床板與底座之間的相對位移如圖6所示。各種工況下銷釘的最大受力情況見表2。道床板與底座的最大相對位移:溫度1工況為1.81 mm，溫度2工況為0.79 mm，溫度3工況為1.87 mm，制動1工況為0.88 mm。

從表2可看出:在制動和溫度作用下，所有銷釘的受力都＜150 kN，限位方案銷釘強度能滿足使用要求，可以有效限制道床板相對于底座的水平位移。

4 橫向限位方案受力分析

4.1 計算工況、計算參數

軌道結構在運營過程中需承受3種橫向荷載:一是列車上的風荷載，根據京津城際的研究結果，風荷載可按6.50 kN/m考慮;二是列車蛇形運動產生的搖擺力，根據道岔動力學研究結果，單個車輪作用在鋼軌上的橫向力極值為50 kN，一個車輛8個車輪，按車輛長26 m進行分配，則車輪動態搖擺力可按15.39 kN/m考慮;三是未被平衡的離心力，18號道岔導曲線半徑為1 100 m，不設超高，側向最高通過速度為80 km/h，則離心加速度最大為0.45 m/s2，車輛重量為6.4 t/m，則橫向離心力可按2.88 kN/m考慮。

對橫向限位銷釘進行檢算時，考慮風荷載、搖擺力和離心力三者的組合作用。根據德國DIN101專業報告，組合時風荷載和離心力可按1.67的動態系數考慮，蛇形運動搖擺力不考慮動態系數，對三者組合后的值按1.5倍的安全系數考慮。

4.2 橫向力檢算

單開道岔橫向銷釘最不利受力位置出現在第二塊板(B板)上，在該塊板上離尖軌方向板端5.93mm處布設的2根橫向銷釘，一側距縱向銷釘5 920 mm，另一側距前一組橫向銷釘2 400 mm，以中心為界，這2根銷釘的受力范圍為4 160 mm，范圍最長，所以橫向受力最為不利。因此對單開道岔檢算時就以B板上的這2根銷釘為對象。表3為單開道岔最不利滑動銷釘位置承受的橫向力。

根據表3可知:考慮風荷載、搖擺力和離心力三者的組合作用，最終計算結果可得46.58 kN/m，這樣單根銷釘就能承受3.22 m長度范圍內的橫向力，2根銷釘就能承受6.44 m長度范圍內的橫向力。表3中單開道岔最不利位置的2根銷釘承受橫向力長度范圍為4.16 m，＜6.44 m。另一方面，單開道岔單根橫向限位銷釘承受的最大橫向力為97.06 kN，小于其極限承載能力150.00 kN，這就表明滑動銷釘能滿足道床板橫向限位和受力要求。

表3 橫向力計算結果

5 結論

1)各種工況下銷釘限位方案鋼軌部件強度都可以滿足使用要求，尖軌、心軌的伸縮位移小于轉換機械容許值。

2)各種工況下銷釘限位方案能夠有效限制道床板與底座的縱向相對位移，并保證銷釘的強度滿足使用要求。

3)在風力、列車蛇形搖擺力和離心力的動態組合作用下，橫向限位銷釘能滿足使用要求。

2009年11月至2010年1月聯調聯試期間進行動態測試，心軌一動處鋼軌動位移在0.48～1.05 mm之間，岔前鋼軌動位移在0.09～0.62 mm之間;直向過岔時道床板加速度在1.53g～5.39g之間，側向過岔加速度在0.33g～1.77g之間。道床板各項指標正常，運營狀態良好。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10020—2009 J971—2009高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:人民鐵道出版社，2009.

［2］王平，劉學毅.無縫道岔理論與設計方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2007.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵建設函［2003］205號 新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定［S］.北京:人民鐵道出版社，2003.