橋墩縱向水平剛度對(duì)橋上無(wú)縫道岔的影響

荊 果，王 平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

橋上無(wú)縫道岔是跨區(qū)間無(wú)縫線路的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。分析各種因素對(duì)道岔和橋梁的受力與變形的影響，總結(jié)出連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔受力與變形規(guī)律，是關(guān)系到客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)安全的重要問(wèn)題。其中，橋墩剛度是影響橋上道岔和橋梁受力、變形的重要因素之一，因此有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文以250 km/h、350 km/h客運(yùn)專線鐵路60 kg/m鋼軌18號(hào)單開(kāi)道岔為例(兩道岔尺寸相同)，通過(guò)建立“岔—橋—墩”縱向相互作用一體化計(jì)算模型，分析橋墩縱向水平剛度對(duì)有砟軌道連續(xù)梁上無(wú)縫道岔與橋梁的受力和變形規(guī)律的影響。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

連續(xù)梁橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔是國(guó)內(nèi)外高速鐵路采用的主要結(jié)構(gòu)形式。這是因?yàn)檫B續(xù)梁橋整體性好，在橫向上若也采用整體結(jié)構(gòu)，則可為無(wú)縫道岔提供一個(gè)整體連續(xù)、各向穩(wěn)定的鋪設(shè)平臺(tái);通過(guò)優(yōu)化布置岔橋相對(duì)位置，可將橋梁伸縮對(duì)無(wú)縫道岔的影響降低至最低程度，確保道岔的穩(wěn)定性和良好的幾何狀態(tài)。

本文以連續(xù)梁上鋪設(shè)無(wú)縫單開(kāi)道岔為例，建立“岔—橋—墩”縱向相互作用一體化模型如圖1所示，模型對(duì)道岔結(jié)構(gòu)作如下假定:

1)道岔尖軌與可動(dòng)心軌前端可自由伸縮。尖軌或可動(dòng)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(shè)導(dǎo)軌與長(zhǎng)軌條平行。

3)鋼軌按支承節(jié)點(diǎn)劃分有限桿單元，只發(fā)生縱向位移;岔枕按鋼軌支承點(diǎn)劃分有限長(zhǎng)梁?jiǎn)卧?，可發(fā)生縱向位移和轉(zhuǎn)角。

4)扣件阻力與鋼軌、岔枕或道岔板的相對(duì)位移為非線性關(guān)系，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)和岔枕節(jié)點(diǎn)上，方向?yàn)樽柚逛撥壪鄬?duì)岔枕位移。

5)不考慮鋼軌與岔枕或道岔板間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)。

6)軌道道床阻力以單位岔枕長(zhǎng)度的阻力計(jì)，與岔枕的位移呈非線性關(guān)系。為簡(jiǎn)化計(jì)算，也可將道床阻力視為常量。道床阻力沿岔枕長(zhǎng)度方向均勻分布。

圖1 岔—橋—墩一體化計(jì)算模型

7)假設(shè)橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，活動(dòng)支座抵抗伸縮的阻力可略而不計(jì)，暫不考慮支座本身的縱向變形，固定支座承受的縱向力全部傳遞至墩臺(tái)上。梁在支座外的懸出部分，計(jì)算伸縮量時(shí)不考慮。

8)在計(jì)算伸縮力時(shí)，梁的溫度變化僅為單純的升溫或降溫，不考慮梁溫升降的交替變化，一般取一天之內(nèi)的最大梁溫差計(jì)算梁的伸縮量。

9)橋上無(wú)縫道岔的伸縮力、撓曲力、斷軌力均以最大軌溫變化幅度作為計(jì)算條件;對(duì)撓曲力、伸縮力、斷軌力、制動(dòng)力分別計(jì)算，不考慮疊加影響。

10)橋梁墩臺(tái)頂縱向剛度假定為線性，包含在支座頂面縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎(chǔ)傾斜、基礎(chǔ)平移及橡膠支座剪切變形等引起的支座頂面位移。橋梁墩臺(tái)及基礎(chǔ)的豎向剛度即為橋梁支座豎向剛度。

1.2 計(jì)算參數(shù)

以一組60 kg/m鋼軌客運(yùn)專線18號(hào)可動(dòng)心軌道岔布置在(32+48+32)m連續(xù)梁上為例，橋梁與道岔布置情況如圖2所示。該無(wú)縫道岔全長(zhǎng)69 m，位于連續(xù)梁正中，道岔頭尾距離連續(xù)梁兩端均為21.5 m。連續(xù)梁固定支座位于道岔前端;道岔兩邊各布置3跨32 m簡(jiǎn)支梁。

圖2 橋梁與道岔布置示意

有砟軌道線路縱向阻力按12 kN/枕計(jì)算，岔區(qū)每枕縱向阻力按枕長(zhǎng)分布為4.6 kN/m，軌枕間距為0.6 m?？奂枇θ棰蛐涂奂Ｗ枇χ?2.5 kN/組。道岔采用雙限位器，其阻力取為分段線性阻力，當(dāng)限位器子母塊貼靠，兩軌相對(duì)位移 ＜1 mm時(shí)，限位器阻力取為1.5×105kN/m;當(dāng)兩軌相對(duì)位移 ＞1 mm時(shí)，限位器阻力取為6×104kN/m，限位器子母塊間隙取為7 mm。道岔長(zhǎng)翼軌間隔鐵阻力采用線性阻力，取為5×104kN/m。橋梁溫度變化幅度15℃。各梁跨均為雙線整體箱梁，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。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算工況

以圖2中三跨連續(xù)梁為例，道岔布置于連續(xù)梁正中，考慮如表1所示的四種橋墩縱向水平剛度對(duì)連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔受力與變形的影響，其它計(jì)算參數(shù)同前。

表1 橋墩縱向水平剛度計(jì)算工況

2.2 基本軌的伸縮附加力

圖3 基本軌伸縮附加力曲線

不同橋墩剛度的連續(xù)橋上無(wú)縫道岔基本軌伸縮附加力比較如圖3所示。圖中，鋼軌縱向力以壓力為正。由圖3可見(jiàn)，隨著連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度的增大，基本軌的伸縮附加力會(huì)逐漸減小。這主要是由于道岔里軌傳遞至連續(xù)梁橋墩上的縱向力與里軌伸縮方向相同，均向左，當(dāng)連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度增大時(shí)，橋梁向左的整體位移有所降低，與道岔里軌同向伸縮的范圍縮短，反向伸縮的范圍增加，減緩了道岔里軌傳遞至基本軌上的縱向力，相當(dāng)于將連續(xù)梁固定支座向左移動(dòng)了。道岔前后簡(jiǎn)支梁橋墩剛度變化對(duì)基本軌伸縮附加力影響不顯著，岔前基本軌伸縮附加力隨簡(jiǎn)支梁橋墩剛度的降低僅略有減小。從降低無(wú)縫道岔基本軌伸縮附加力的角度考慮，宜增大連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度。

2.3 基本軌的伸縮位移

不同橋墩剛度的連續(xù)橋上無(wú)縫道岔基本軌伸縮位移比較如圖4所示。圖中，鋼軌位移以向右為正。由圖4可見(jiàn)，隨著連續(xù)梁、簡(jiǎn)支梁橋墩縱向水平剛度的增大，無(wú)縫道岔轉(zhuǎn)轍器部分基本軌向左的伸縮位移逐漸減小，轍叉部分基本軌向右的伸縮位移逐漸增大。這主要是由于連續(xù)梁橋墩剛度增大后，連續(xù)梁橋面隨橋墩向左的平移量有所減小，帶動(dòng)基本軌向左伸縮的位移也相應(yīng)減小所致。從保持無(wú)縫道岔縱向穩(wěn)定性角度考慮，也宜增大連續(xù)梁、道岔前后簡(jiǎn)支梁橋墩的縱向水平剛度。

圖4 基本軌伸縮位移曲線

2.4 計(jì)算結(jié)果

不同縱向水平剛度的連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔及墩臺(tái)受力與變形的計(jì)算結(jié)果比較如表2所示，表中鋼軌位移及墩臺(tái)縱向力以向右為正。

表2 計(jì)算結(jié)果比較

從表2中可見(jiàn)，隨著連續(xù)梁橋橋墩剛度的增大，基本軌伸縮附加力、伸縮位移、岔前梁端鋼軌斷縫、岔前梁端一根鋼軌折斷時(shí)另一根鋼軌的附加縱向力、連續(xù)梁前后簡(jiǎn)支梁橋墩縱向力均減小，而連續(xù)梁橋墩的縱向力、尖軌跟端限位器與翼軌末端間隔鐵所受縱向力增大，尖軌尖端相對(duì)于岔枕的伸縮位移變化不大，心軌尖端相對(duì)于岔枕的伸縮位移增大。連續(xù)梁固定墩的縱向剛度越大，其墩臺(tái)力也越大。由于連續(xù)梁的固定墩承擔(dān)了較多的道岔傳給橋梁的力，所以與其相鄰的簡(jiǎn)支梁的墩臺(tái)力有所減小。連續(xù)梁固定墩縱向剛度對(duì)簡(jiǎn)支梁的影響一般在與其相鄰的兩跨范圍內(nèi)。簡(jiǎn)支梁橋墩剛度的增大，對(duì)連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔的受力與變形略有影響，簡(jiǎn)支梁橋墩受力有所增大，連續(xù)梁橋墩受力略有降低。

3 結(jié)論及建議

由以上的計(jì)算結(jié)果及分析可以得出如下幾條結(jié)論:

1)從降低無(wú)縫道岔基本軌伸縮附加力的角度考慮，宜增大連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度。連續(xù)梁橋墩剛度增大，對(duì)減緩基本軌伸縮附加力十分有利，因道岔傳力部件所受縱向力均較小，即使隨著連續(xù)梁橋墩剛度的增大而增大，也遠(yuǎn)在其容許強(qiáng)度范圍內(nèi)，影響不大。

2)從保持無(wú)縫道岔縱向穩(wěn)定性角度考慮，也宜增大連續(xù)梁、道岔前后簡(jiǎn)支梁橋墩的縱向水平剛度。

3)連續(xù)梁橋墩剛度的增大，對(duì)橋墩受力不利，連續(xù)梁橋墩剛度從1 000kN/cm/線增大一倍，橋墩縱向力增加約19.5%，縱向力增幅遠(yuǎn)低于其剛度的增幅，也應(yīng)低于其承載力的增幅，從這點(diǎn)看，增大連續(xù)梁橋墩縱向剛度是可行的。

綜合來(lái)看，增大連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度對(duì)鋪設(shè)于其上的無(wú)縫道岔的受力與變形是有利的，雖然會(huì)導(dǎo)致該橋墩所承受的縱向力的增大，但只要能滿足橋梁設(shè)計(jì)要求，應(yīng)盡可能采用較大的橋墩縱向剛度。

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