道床縱向阻力變化對無縫道岔受力與變形的影響

王 斌，陳 嶸，王 平

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

無縫道岔是跨區間無縫線路中的關鍵設備。在線路進行養護維修時，大機作業擾動道床，使道砟間的相互咬合和道砟與軌枕的接觸狀況均發生變化，從而導致道床縱向阻力下降。道床縱向阻力的下降，可能影響無縫道岔的正常使用，影響列車安全運行［1］。因此，有必要對道床縱向阻力變化時無縫道岔受力與位移進行分析。本文利用有限元軟件建立無縫道岔模型，根據秦沈客運專線混凝土岔枕道床縱向阻力和濟南鐵路局大機維修和清篩后道床縱向阻力實測數據，對道床縱向阻力變化時無縫道岔受力與變形的特點進行計算分析。

1 計算模型

將一組無縫單開道岔前后一定范圍內的軌道結構看作一個由鋼軌、岔枕通過扣件、間隔鐵和限位器聯接起來的平面框架，道床阻力對框架結構進行約束。以扣結點、間隔鐵和限位器的位置為節點，把鋼軌離散化，鋼軌弧段簡化為直桿單元。按岔枕實際的尺寸、截面幾何特性等將岔枕視作豎直平面內可彎的梁單元。扣件、間隔鐵和限位器為非線性彈簧單元。假定無縫道岔在溫度力作用下無橫向力和橫向位移，因此對岔枕施加垂直于線路方向的約束［2］。為了盡可能減小邊界條件的影響，模型長度選取108 m，道岔兩側區間線路邊界均在無縫線路的固定區。

2 計算參數

以60 kg/m鋼軌12號可動心軌提速改進型無縫道岔為例進行計算分析。該道岔的結構特點為:混凝土岔枕，彈條Ⅲ型扣件，尖軌跟端設一組限位器，限位器子母塊間隙7 mm，長心軌跟端與長翼軌間由4個間隔鐵聯結，短心軌為斜接頭，跟端與翼軌間由3個間隔鐵聯結，直側股鋼軌均為焊接，單組道岔，道岔前后線路無爬行，鋪設時道岔與區間線路鎖定軌溫一致。鋼軌截面積77.45 cm2，彈性模量2.1×105MPa，線膨脹系數 11.8 ×10-6/℃［3］。

濟南鐵路局實測清篩作業前后線路道床縱向阻力值的變化見圖1，其縱坐標表示每根枕的阻力值。秦沈客運專線混凝土岔枕縱向道床阻力與位移關系見圖2。

圖1 道床縱向阻力變化圖

圖2 岔枕縱向道床阻力圖［5］

3 道床縱向阻力變化的影響

3.1 直側股不同的道床縱向阻力

線路在清篩作業后，道床縱向阻力降低。由于道岔直股行車較多，側股行車較少，因此直股道床縱向阻力恢復較快，達到甚至超過清篩前的道床縱向阻力，而側股道床阻力恢復較慢，小于清篩前的道床縱向阻力。

計算如下三種工況:工況一，清篩前，直側股道床縱向阻力相同，道床縱向阻力取圖1中清篩前阻力值;工況二，清篩后運行一段時間，直股道床縱向阻力恢復至清篩前阻力值，而側股道床縱向阻力小于清篩前阻力，取圖1中運行一周時的阻力值計算;工況三，清篩后運行一段時間，直股道床縱向阻力提高至大于清篩前，取圖1中一個月后的阻力值，側股道床縱向阻力仍取運行一周時的阻力值。升溫50℃無縫道岔受力和變形如表1所示。

表1 直側股道床縱向阻力變化的影響

從表1結果可以看出，直側股道床縱向阻力相同時，直曲尖軌相對位移為0.1 mm，兩個限位器作用力也基本相等，所以鋼軌位移和傳力部件作用力基本上是對稱的，間隔鐵作用力不同是因為長短心軌處間隔鐵數目不同所致。隨著直側股道床縱向阻力差距增大，整組道岔直側股鋼軌受力、位移及傳力部件作用力的非對稱性增大，直曲尖軌相對位移增大至0.5 mm，兩限位器作用力相差較大。由于道岔全焊，在升溫過程中兩尖軌的最大相對位移為0.5 mm，遠遠小于導致尖軌失穩的兩尖軌相對位移容許值5 mm［5］。這樣，即使無縫道岔采用的是聯動內鎖閉結構，也不會因此導致曲尖軌側拱。但這種直側股不同的道床縱向阻力對直基本軌一側限位器受力不利，工況三中直基本軌一側限位器比曲基本軌處限位器作用力大45.7%，這是因為曲導軌下道床縱向阻力小，升溫時，更多的力通過限位器傳遞給直基本軌。

在清篩作業后，應采取措施如加強搗固，使側股道床阻力與直股恢復情況相近，以減小對岔區的不利影響。

3.2 搗固機搗固后不同道床縱向阻力

道床在搗固機搗固后可能存在以下三種不密實的情況:①軌枕下道砟槽，在鎬頭的接觸處附近，道床頂面有近似“月牙”形的凸起，整個軌枕靠8個“月牙”支撐，枕底道床的其它部位則根本沒有觸動;②軌枕下道砟槽，由兩邊兩條密實帶夾著軌枕中間一條空虛帶，整個軌枕靠兩條高低并不一致的密實帶支撐;③軌枕下道砟槽，在兩個相對的鎬頭接觸面之間及其附近道砟比較密實，在這個范圍之外原道床基本沒動或動得很少［6］。以上三種情況下，均會導致區間及岔區道床縱向阻力降低。

計算以下工況:工況一，搗固前;工況二，搗固后，岔區及區間線路道床縱向阻力折減到搗固前的80%;工況三，道床縱向阻力折減到搗固前的60%;工況四，道床縱向阻力折減到搗固前的40%。升溫50℃無縫道岔的受力和位移如表2所示。

表2 升溫50℃無縫道岔計算工況

由表2可見，由于搗固不密實引起的道床縱向阻力的降低，會導致直基本軌附加溫度力和位移、曲尖軌位移、長心軌尖端位移明顯增大。而且，道床搗固后密實程度越低、道床支撐軌枕面積越小，道床的縱向阻力越小，無縫道岔鋼軌的附加溫度力和鋼軌位移就越大。限位器和間隔鐵的作用力有所減小。由圖3、圖4可以看出，隨著道床縱向阻力的減小，直基本軌附加溫度力近似于線性增大，位移的增大幅度則隨著阻力的減小而增大。

圖3 升溫50℃無縫道岔直基本軌附加溫度力

圖4 升溫50℃無縫道岔直基本軌伸縮位移

在養護維修中需要對道床搗固辦法進一步研究，加強搗固質量的檢查，避免出現搗固后出現的“月牙”支撐、空虛帶等降低道床縱向阻力的情況。尤其在岔區，岔枕長短不同，鋼軌較多，道床的搗固工作應更加細致。

3.3 區間線路與岔區不同道床縱向阻力

計算以下工況:工況一，由于岔區與區間線路所采用的軌枕類型不同，岔區道床縱向阻力采用較小的阻力值，按圖2中秦沈客運專線岔區阻力值取，區間線路采用圖1中清篩前阻力值;工況二，岔區及區間線路都采取圖1中清篩前阻力值;工況三，岔區采用清篩前阻力值，區間線路采用清篩前阻力值的60%。升溫50℃無縫道岔受力和變形如表3所示。

表3 岔區及區間線路道床縱向阻力不同時的影響 m

由表3可見，岔區道床縱向阻力減小，基本軌附加溫度力、心軌及尖軌伸縮位移有較大幅度增長，區間線路道床縱向阻力減小，道岔受力和變形的變化不大。因此，道岔區縱向阻力的減小對無縫道岔受力及變形影響較大，而區間線路道床縱向阻力減小對其影響較小。

在進行大機維修和清篩作業后，應提高岔區道床縱向阻力，防止岔區阻力減小引起道岔受力和位移的增大，影響道岔正常工作。

4 結論

1)線路在清篩作業后，直側股道床縱向阻力的不同會導致全焊無縫道岔直側股受力和位移的不對稱。當直股道床縱向阻力比清篩前大，而側股道床縱向阻力未恢復時，直基本軌一側限位器比曲基本軌處限位器作用力大45.7%，對直基本軌處限位器不利。因此，清篩作業后應加強對側股道床的搗固，使阻力盡快恢復。

2)搗固機搗固不密實引起的區間及岔區道床縱向阻力降低，會引起道岔鋼軌位移和受力增加很大，直基本軌附加溫度力近似于線性增大，位移的增大幅度則隨著阻力的減小而增大。需要加強對搗固質量的檢查和對搗固辦法的研究，尤其在岔區，岔枕長短不同，鋼軌較多，道床的搗固工作應更加細致。

3)岔區道床縱向阻力的降低會使道岔鋼軌附加溫度力和位移有顯著增加，區間線路道床縱向阻力減小對其影響不大。在線路維修養護中，要提高岔區道床縱向阻力，以保證道岔正常使用。

［1］李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學出版社，2005:34-38.

［2］王平，劉學毅.無縫道岔受力與變形的影響因素分析［J］.中國鐵道科學，2003，24(2):58-66.

［3］王樹國，林吉生.大號碼無縫道岔溫度力與變形的有限元計算［J］.中國鐵道科學，2005，26(3):68-70.

［4］陳小平，王平，呂關仁.大型養路機械清篩和維修作業對道床阻力的影響［J］.鐵道標準設計，2004(4):90-92.

［5］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.道床質量狀態參數及無縫道岔測試報告［R］.北京:鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，2003:15-29.

［6］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設計方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2007:136-137.

［7］沈福元.道床質量對小型液壓搗固機搗固質量的影響及改進意見［J］.鐵道工程學報，1985(4):187-190.