連續梁橋上典型道岔群縱向受力與變形分析

劉 哲，王 平

(西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

由于我國幅員廣闊，受環保、節約用地要求或地形條件的限制，客運專線建設中一些車站必須設置在大橋或特大橋上，從而出現多組無縫道岔相互連接形成橋上無縫道岔群的情況。由于連續梁橋整體性較好，可為無縫道岔提供一個整體連續、各向穩定的鋪設平臺，且客運專線多為雙線鐵路，因而連續梁橋上雙線兩組道岔對稱布置和咽喉區外側的單渡線是主要的道岔群布置形式［1］。為了指導和完善連續梁橋上鋪設無縫道岔群時道岔和橋梁的設計方法，本文以這兩種常見道岔群工況為例，分析無縫道岔群在連續梁橋上的縱向受力與變形規律。

1 計算模型及工況參數

1.1 計算模型

道岔—橋梁相互作用原理定義如下:在梁體溫度變化、列車荷載、列車制動/加速以及道岔里軌隨溫度變化伸縮的作用下，梁和橋上道岔之間產生相對位移，橋上道岔產生鋼軌縱向附加力，對橋面系作用大小相等、方向相反的反作用力，此力通過梁、支座傳遞至墩臺，在橋上道岔與橋梁之間形成一個相互作用的力學平衡體系?？梢?，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，只有建立道岔—橋梁—墩臺一體化模型［1-7］，才能弄清道岔及橋梁的受力與變形規律。計算模型如圖1所示。

模型中將鋼軌按扣件支承點劃分為桿單元，岔枕按鋼軌支承點劃分為梁單元，梁體按枕孔劃分為梁單元，墩臺、扣件、道床、限位器、間隔鐵均采用線性或非線性彈簧單元模擬。鋼軌通過扣件單元與岔枕相連，岔枕通過道床單元與橋梁相連，轍跟通過限位器單元與基本軌相連，心軌跟端通過間隔鐵單元與翼軌相連，橋梁固定支座處用墩臺單元與基礎相連，橋梁外的鋼軌與基礎相連，僅考慮結構的縱向相互作用。模型中道岔可為單組或道岔群，橋梁可為簡支梁、連續梁或其它梁型。

1.2 計算參數

計算中道岔為60 kg/m鋼軌客運專線18號可動心軌道岔，有砟軌道線路縱向阻力按12 kN/枕計算，岔區每枕縱向阻力按枕長分布為4.6 kN/m，軌枕間距為0.6 m。Ⅱ型扣件常阻力值取12.5 kN/組。道岔采用雙限位器，其阻力取為分段線性阻力，當限位器子母塊貼靠，兩軌相對位移小于1 mm時，限位器阻力取為150 MN/m;當兩軌相對位移大于1 mm時，限位器阻力取為60 MN/m，限位器子母塊間隙取為7 mm。道岔長翼軌間隔鐵阻力采用線性阻力，取為50 MN/m。兩邊橋臺的墩臺縱向剛度為100 MN/cm，簡支梁橋墩的剛度均為1 MN/cm，連續梁橋墩的剛度為10 MN/cm。各梁跨均為箱梁，截面形心距上翼緣為1.626 6 m，距下翼緣為1.577 4 m，截面慣性矩為3.704 4 m4/線。

計算中道岔溫度變化為50℃，橋梁溫度變化為15℃。

1.3 計算工況

圖1 道岔—橋梁—墩臺一體化計算模型

1)工況一:單組道岔

計算中以單組橋上無縫道岔作為對比工況，道岔與橋梁布置如圖2所示，梁跨為(32+48+32)m連續梁，兩邊各布置3跨32 m簡支梁，各梁跨均為雙線整體箱梁，無縫道岔位于連續梁正中，連續梁固定支座位于道岔前端。

圖2 單組道岔

2)工況二:雙線兩組道岔對稱布置

道岔與橋梁布置如圖3所示，梁跨和支座布置與工況一相同，簡支梁為雙線整體箱梁，岔前、岔后兩正線位于同一片箱梁上，岔后兩站線位于道岔梁或簡支T梁上，與正線上的簡支梁箱梁不為整體橋面;連續梁為四線整體箱梁;橋墩與橋面結構相似，簡支梁橋墩兩正線下為一整體，站線橋墩與正線橋墩分離，連續梁橋墩四條正線下均為一整體，兩組道岔均位于連續梁正中。

圖3 雙線兩組道岔對稱布置

3)工況三:單渡線道岔

道岔與橋梁布置如圖4所示，梁跨為3×32 m+6×32 m+3×32 m，各梁跨均為雙線整體箱梁，連續梁固定支座位于正中，單渡線道岔反對稱布置于連續梁正中。

圖4 單渡線道岔

2 計算結果與分析

2.1 雙線兩組道岔對稱布置

直基本軌伸縮附加力分布及與單組道岔的比較如圖5所示，圖中X為距左橋臺的距離，向右為正;P為道岔直基本軌的伸縮附加力，以壓力為正。從圖中可見，兩組道岔對稱布置與單組道岔基本軌溫度附加力分布相同，最大伸縮附加力出現在連續梁左端梁縫處，比單組道岔略大。其他計算結果與單組道岔的比較如表1所示，表中鋼軌位移及墩臺縱向力以向右為正。從表1中可見，兩組道岔對稱布置與單組道岔鋼軌伸縮位移及傳力部件受力相當，而各墩臺受力增大一倍。

圖5 雙線對稱布置的兩組道岔溫度附加力

2.2 單渡線道岔

圖6 單渡線道岔溫度附加力

左右側道岔直基本軌溫度附加力分布及與單組道岔的比較如圖6所示。圖中X為距左橋臺的距離，向右為正;P為道岔直基本軌的伸縮附加力，以壓力為正。從圖中可見，左右側道岔基本軌溫度附加力呈反對稱分布，在岔前連續梁端部最大值約為277.7 kN，在岔后連續梁端部最大值約為252.2 kN。雖然單渡線道岔連續梁最大溫度跨度為128 m，但由于采用對稱布置，左右道岔作用于橋梁上的縱向力相互抵消，連續梁端部最大溫度附加力僅比單組道岔72 m溫度跨度情況下的最大溫度附加力261.9 kN略大。

表1 計算結果

3 結論

1)兩組道岔對稱布置時與單組道岔基本軌溫度附加力分布相同，鋼軌伸縮位移及傳力部件受力也相當，各墩臺受力增大一倍，說明在兩道岔對稱布置時，可按單組道岔進行計算，墩臺承受兩組單開道岔的傳力。

2)由于單渡線道岔采用對稱布置，左右道岔各項計算結果是對稱的，基本軌溫度力及基本軌伸縮位移較單組道岔略大，但傳力部件受力、尖軌及心軌伸縮位移要小于單組道岔，說明單渡線這種岔橋布置對道岔受力是較為有利的。

3)單渡線道岔前后簡支梁墩臺受力不到單組道岔的2倍，連續梁固定墩幾乎不受力，說明單渡線這種岔橋布置對橋梁受力是十分有利的。

［1］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，2007:254-257.

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