滑動層對橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道無縫道岔群的受力影響

宋 楊，王 平，張國棟，陳小平

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

橋上鋪設CRTSⅡ型無砟軌道無縫道岔是橋上無縫線路、無縫道岔、橋上CRTSⅡ型無砟軌道技術的綜合運用。橋上鋪設CRTSⅡ型無砟軌道無縫道岔時，底座板與橋梁縱向相互作用關系較為復雜，主要通過兩種途徑:一是底座板與橋梁間的滑動層摩擦作用;二是橋梁墩臺固定支座處的剪力齒槽。其中滑動層的設置是橋上CRTSⅡ型板式無縫道岔的方案的關鍵技術之一，具有降低摩擦、減小橋梁伸縮對無砟軌道影響的作用，但在線路運營中，滑動層可能因磨損、橋面或底座板不平整等原因失效，并且無法修復，摩擦系數(shù)變化很大，從而引起整個系統(tǒng)結構受力和位移的重新分布。因此，充分掌握這種復雜關系，分析無縫道岔、無砟軌道、橋梁及其墩臺的受力特點，對于進行相應的結構設計，具有十分重要的意義。

本文擬運用空間有限梁單元理論，建立橋上CRTSⅡ型無砟軌道無縫道岔的岔—板—橋—墩一體化模型，分析滑動層對鋼軌、道岔、軌道板、底座板、固結機構與墩臺等結構部件溫度附加力的影響。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 計算模型

與橋上CRTSⅡ型無砟軌道相比，橋上CRTSⅡ型無砟軌道無縫道岔由于道岔結構的添加更為復雜，相鄰股道間的縱向力不僅通過橋梁相互作用，還可能通過道岔板或底座板橫向連接，道岔板與底座板間除了填充砂漿外，還通過錨筋相互作用，并且道岔本身存在伸縮區(qū)(尖軌和心軌的可動部分)，即使橋梁不伸縮，鋼軌的溫度變化幅度也會引起道岔與下部基礎間的相互作用。根據(jù)橋上CRTSⅡ型無砟軌道無縫道岔縱向傳力特點，建立圖1所示岔—板—橋—墩一體化縱向力計算模型。模型對道岔結構作如下假定:道岔尖軌與可動心軌前端可以自由伸縮，不考慮轍叉角大小的影響;考慮間隔鐵阻力對鋼軌伸縮位移的影響，間隔鐵阻力與鋼軌間的位移呈非線性關系;考慮轍叉跟限位器在基本軌與導軌間所傳遞的作用力，設道岔鋪設時限位器字母塊居中，間隔為7～10 mm，當子母塊貼靠時，限位器阻力與兩鋼軌間的相對位移呈非線性關系。

1.2 計算參數(shù)

軌道板標準區(qū)段寬2.55 m，高0.2 m，軌道板岔區(qū)寬5 m，高0.2 m，混凝土強度等級為C50;底座板標準區(qū)段寬2.95 m，高0.19 m，底座板岔區(qū)寬5 m，高0.19 m，混凝土標號為C40;鋼軌為60 kg/m鋼軌，彈性模量為2.06×105MPa;扣件阻力為雙線性，當水平位移為0.5 mm時，由扣件產生的縱向摩擦阻力最大值取為30 kN/m;固結機構的剛度取為1 000 MPa/mm;端刺縱向剛度取為100 MPa/mm;滑動層的摩擦阻力是非線性的，極限摩擦阻力對應的位移一般為0.5 mm。

圖1 岔—板—橋—墩空間一體化計算模型

對于橋上CRTSⅡ型無砟軌道無縫道岔進行溫度力計算時，不僅要考慮橋梁溫度變化幅度，還應同時考慮鋼軌、道岔板和底座板的溫度變化幅度，以反映整個系統(tǒng)在溫度荷載作用下的最不利狀態(tài)，為系統(tǒng)的結構設計提供基礎荷載。根據(jù)當?shù)貧鉁兀鬃褰禍?4℃，軌道降溫24℃，橋梁降溫30℃，鋼軌降溫48℃。

圖2 橋梁與無縫道岔的布置形式

某高架橋上鋪設6組18號無縫道岔，橋梁與無縫道岔的布置形式如圖2所示。橋梁在溫度荷載作用下產生伸縮位移，使得軌道產生縱向附加作用力，力的大小與橋梁伸縮位移、橋梁與軌道間的摩擦阻力有關。利用岔—板—橋—墩一體化模型，分析橋梁產生溫度變化時軌道、橋梁相互作用，以及底座板與橋梁間不同摩擦系數(shù)對伸縮力的影響。本文分析滑動層摩擦系數(shù)為0，0.3，0.7，1.0情況下的結構物各部分的受力特點。

2 計算結果

2.1 滑動層摩擦系數(shù)對鋼軌的影響

滑動層摩擦系數(shù)分別取為 0，0.3，0.7和 1.0，最大鋼軌應力和相對位移見表1，摩擦系數(shù)為0和1.0時，鋼軌應力、相對位移曲線如圖3所示，摩擦系數(shù)為0.3和0.7時鋼軌應力、相對位移曲線與圖3相似，但數(shù)值略有不同。

表1 滑動層摩擦系數(shù)對鋼軌應力和相對位移的影響

圖3 鋼軌應力和相對位移

圖3表明，當摩擦系數(shù)為0時，除在道岔處有明顯起伏外，鋼軌應力、相對位移曲線較為平順，滑動層摩擦系數(shù)從0增加到1.0，曲線隨橋梁布局變化的規(guī)律更明顯并且變化幅度更大，在道岔區(qū)的變化幅值也更明顯，表明隨著摩擦系數(shù)的增大，橋梁伸縮對上部軌道結構的影響越大;另外鋼軌相對位移在道岔首尾端處發(fā)生突變，這是因為普通軌道板與道岔板是不連續(xù)的，在降溫工況時帶動鋼軌向兩端收縮。從表1可看出，鋼軌最大應力和相對位移也隨著滑動層摩擦系數(shù)的增大而略有增大，這是由于鋼軌受到了不斷增大的橋梁伸縮附加力。

2.2 滑動層摩擦系數(shù)對軌道板、底座板的影響

滑動層摩擦系數(shù)分別取為 0，0.3，0.7和 1.0，軌道板、底座板最大縱向力見表2，摩擦系數(shù)為0和1.0時，軌道板、底座板縱向力分布曲線如圖4所示，摩擦系數(shù)為0.3和0.7時，軌道板、底座板縱向力分布曲線與圖4相似，但數(shù)值稍有差異。

表2 滑動層摩擦系數(shù)對軌道板、底座板的影響

圖4 軌道板、底座板縱向附加力

從圖4可以看出，軌道板、底座板縱向力分布規(guī)律與鋼軌應力相似，縱向力總體分布規(guī)律為典型的溫降附加力分布規(guī)律，即在梁跨的活動端出現(xiàn)極大拉力，梁跨的固定端出現(xiàn)極小拉力，并且在連續(xù)梁范圍內出現(xiàn)最大和最小拉應力;由于軌道板、底座板與橋面聯(lián)接密切，隨著滑動層摩擦系數(shù)的增大，縱向力變化的幅度增加。從表2可以看出，軌道板、底座板最大縱向力變化不大，但是圖4顯示，摩擦系數(shù)較大時，各橋梁跨度極大值與最大值相似，可見滑動層摩擦系數(shù)增大對軌道板、底座板受力不利。

2.3 滑動層摩擦系數(shù)對固結機構、墩臺頂?shù)挠绊?/h3>

滑動層摩擦系數(shù)分別取為 0，0.3，0.7和 1.0，軌道板、底座板縱向力分布曲線如圖5所示，摩擦系數(shù)為0.3和0.7時，軌道板、底座板縱向力分布曲線與圖4相似，但數(shù)值稍有差異。

從圖5可以看出，隨著底座板與橋梁摩擦系數(shù)增大，作用在底座板上的摩擦附加力就越大，因此作用在簡支梁墩臺固定支座附近的固結機構所傳遞的縱向力也就越大，由于連續(xù)梁結構較為復雜，并且其上普通軌道板與道岔板不連續(xù)，固結機構受力變化規(guī)律不明顯。墩臺頂?shù)目v向水平力變化不大，這是由于增大摩擦系數(shù)，道床板通過摩擦傳給橋梁的縱向力雖然增大了，但固結機構所傳遞的作用在底座板上的摩擦附加力與之近似一對平衡力系，由梁面摩擦力和固結機構傳遞的縱向力總和仍然相當。

2.4 滑動層摩擦系數(shù)對道岔位移和受力的影響

取線路正線上四組道岔，道岔編號按從下到上、從左到右排列，直尖軌尖端相對曲基本軌、長心軌尖端相對翼軌的位移見表3，1號道岔各工況下傳力部件所受縱向力如圖6所示。

表3 直尖軌尖端、長心軌尖端相對下部基礎位移 mm

圖6 1號道岔傳力部件縱向力

表3表明，兩種位移隨摩擦系數(shù)增大，都依次減小，由于模型假設道岔尖軌與可動心軌前端可以自由伸縮，道岔尖軌跟端、心軌跟端位移也同樣減小。從圖6可以看出，1號道岔轉轍器直股、側股限位器縱向力變化明顯，摩擦系數(shù)為1.0時，限位器受力微小，說明子母塊剛好開始貼靠，隨著摩擦系數(shù)減小，子母塊貼靠更加緊密，限位器受力迅速增大;由于心軌跟端位移變化不大，1號道岔長翼軌直股、側股間隔鐵縱向力僅有微小變動，因此滑動層摩擦系數(shù)增大對道岔轉換設備、結構傳力部件受力是有利的。

3 結論

通過空間有限梁單元理論，建立橋上縱連板式無砟軌道無縫道岔的岔—板—橋—墩一體化模型，分析滑動層摩擦系數(shù)不斷增加并分別取為0，0.3，0.7和1.0時，對鋼軌、道岔、軌道板、底座板、固結機構與墩臺等結構部件溫度附加力的影響，得到如下結論:

1)鋼軌應力、相對位移隨橋梁布局的變化幅值增大，鋼軌最大應力和相對位移也隨著滑動層摩擦系數(shù)的增加而略有增大;

2)軌道板、底座板最大縱向力雖然增幅不大，但當摩擦系數(shù)較大時，各橋梁跨度內軌道板、底座板極大值與最大值相近，對軌道板、底座板受力不利;

3)簡支梁墩臺固定支座附近的固結機構所傳遞的縱向力顯著增加，但是連續(xù)梁上固結機構受力變化規(guī)律不明顯，墩臺頂?shù)目v向水平力變化不大;

4)道岔傳力部件所受縱向力均有較大或微小降低，直尖軌尖端相對曲基本軌、長心軌尖端相對翼軌的位移也都依次減小，滑動層摩擦系數(shù)的增加對道岔轉換設備、結構傳力部件受力是有利的。

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