橋上無砟軌道無縫道岔撓曲力模型試驗研究

劉泳鋼，張麗平，楊榮山

(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)

無縫道岔是實現跨區間無縫線路的關鍵技術之一。隨著我國鐵路客運專線的大力建設，無縫道岔開始鋪設于橋上無砟軌道上。無縫道岔是比無縫線路的受力和變形更加復雜的軌道部件［1］。簡支梁橋上無縫道岔受力條件非常復雜，梁在列車荷載作用下產生撓曲變形，簡支梁上翼緣收縮，下翼緣伸長，梁的各截面產生轉角，引起上下翼緣縱向位移。由于梁的一端為固定支座，下翼緣的伸長將受到固定支座的約束，當梁撓曲時，梁各截面的位移，實際上是梁的平移和旋轉的組合。當上翼緣發生位移時，它通過橋面結構與軌道的聯結，使扣件阻力作用于鋼軌，從而帶動鋼軌位移。此時鋼軌在縱向分布阻力作用下將產生縱向力，即撓曲力［2］。由于列車荷載并不是直接作用在梁上，其傳力方式是道岔—軌道板—梁—墩［3］。由此可知，在列車荷載作用下，道岔和軌道板的關系、軌道板和梁的關系以及墩臺位移等都需要進行深入研究，以便弄清橋梁與無縫道岔的相互作用關系，為建立橋上無縫道岔計算理論提供依據，繼而指導橋上無縫道岔設計。

1 試驗方案

1.1 試驗概況

通過對一組鋪設在3×32 m無砟簡支梁橋上的客運專線18號道岔進行荷載加載模型試驗，研究撓曲力在荷載加載過程中的變化規律以及產生的撓曲力對橋上無縫道岔、軌道板、梁體等結構的影響。依據相似三定律進行模擬試驗，該橋上無縫道岔模型比例為1∶3。鋼軌采用8 kg/m輕軌，扣件為重新設計的扣板式扣件，限位器和間隔鐵采用Q235鋼軋制而成。岔下無砟軌道基礎采用縱連板式無砟軌道，用鋼板單孔箱型梁模擬混凝土梁，以實體鋼軌模擬荷載作用，將其均勻放置在道岔模型結構上。試驗模型見圖1，分別對簡支梁橋的1號墩固定和4號墩固定的兩種工況進行了撓曲力測試，圖中從右至左依次為1號墩～4號墩。

圖1 試驗模型實圖

1.2 試驗原理

在撓曲力計算時，不考慮軌面制動力和橋梁的溫度變化，橋梁在豎向荷載作用下的撓曲位移、道岔鋼軌在溫度力作用下的伸縮位移和設有伸縮調節器后的軌條伸縮位移為主動荷載［3］。撓曲力的計算基本假設:①梁的縱向位移按兩跨梁上作用的荷載計算。②前一荷載位置下的撓曲力對后一位置下的撓曲力的影響忽略不計［4］。③計算撓曲力時，不考慮伸縮力的影響［5］。④假設固定支座能完全阻止梁的位移，不計活動支座摩擦阻力的影響。用非線性有限單元法建立橋上道岔區道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型［6-8］，該模型中，道岔、軌道板、橋梁和墩臺是一個相互作用、相互影響的耦合系統。圖2(工況1)為簡支梁橋1號墩固定計算模型，圖3(工況2)為簡支梁4號墩固定的計算模型。

圖2 工況1道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型

圖3 工況2道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型

1.3 測點布置及測試內容

在本次模型試驗中，鋼軌應變是通過光纖光柵應變片來測得的，應變片布置見圖4。位移通過百分表來測得，測點包括:①尖軌位移;②心軌位移;③尖軌附近限位器處基本軌、尖軌位移;④心軌附近限位器處基本軌、尖軌位移;⑤梁端位移(對于連續梁要測整個梁兩端位移，對于簡支梁要測每片梁兩端位移);⑥墩位移;⑦梁、板相對位移;⑧固結機構、梁相對位移。

從梁體的右邊開始用吊車向梁體吊裝軌排荷載，吊裝的順序是從右到左，且一層一層地吊裝。同時吊裝過程中必須保證四層軌排擺放端正，不能出現偏心放置的情況。每吊裝一塊軌排，待軌排穩定地放置于鋼支架上時，試驗人員方可讀取測點的讀數，同時記錄下讀數的時刻，這樣可以使儀器采集的數據與位移測點的記錄數據同步，以方便數據的處理。撓曲力加載過程見圖5。

圖4 光纖光柵應變片布置

圖5 撓曲力加載過程

2 試驗結果分析

2.1 撓曲力測試

基本軌撓曲力理論值的計算采用岔—板—梁—墩一體化計算模型。由無縫道岔的結構可知，在垂向荷載作用下，道岔的尖軌、心軌和里軌的撓曲力均較小，基本軌在固定區，有相對較為明顯的撓曲力。因此，基本軌的撓曲力最具有代表性，以道岔區基本軌作為研究對象，分析道岔區撓曲力的分布機理。

根據圖3所示的應變測點布置圖，進行3次測試，測出各個測點的力。圖中“+”表示鋼軌受拉，“-”表示鋼軌受壓，坐標原點為橋梁左邊第一墩。由圖6和圖7可以看出，由于施加在該模型結構上的軌排荷載較小，縱連板式無砟軌道結構試驗測得的數據較小，只有在施加荷載的梁體部位測點有相對較為明顯的位移數據，沒有施加荷載的梁體部位測點的數據基本為0，即使有，可能都是因為人為原因造成軌道板的振動而導致百分表產生很小的位移數據?？v連板式無砟軌道的基本軌撓曲力最大為5 kN，最小撓曲力出現在2號梁體部分的基本軌區域，簡支梁左邊墩固定時基本軌產生的撓曲力與簡支梁右邊墩固定時基本軌產生的撓曲力基本相等。

2.2 位移測試

圖6 簡支梁縱連板1號墩固定基本軌撓曲力實測值與理論值對比

圖7 簡支梁縱連板4號墩固定基本軌撓曲力實測值與理論值對比

道岔、無砟軌道道床板及橋梁理論位移的計算仍采用岔—板—梁—墩一體化計算模型。根據各測點3次測出的位移值的平均值和理論計算得出表1的結果(工況1)，可以看出:縱連板簡支梁1號墩固定試驗中2號梁體處左邊梁端的位移較大，位移達到0.313 mm;而右邊梁端的位移較小，為0.004 mm，主要是因為2號梁體的梁面比較寬，受同樣大小荷載作用時，其端部的位移值就比較小。其次橋上無縫道岔結構部分的變形也非常小，只有岔心以及尖軌部分有一定的位移量，其中尖軌尖端與軌道板的相對位移僅為0.009 mm，1號梁與3號梁處的位移測點基本沒有位移。

表1 縱連板簡支梁1號墩固定的位移實測值與理論值對比

3 結論及建議

通過對該模型試驗測試，得出簡支梁橋縱連板在模擬撓曲力荷載作用下對橋上無縫道岔、軌道板、梁體結構的相互作用關系及其力和位移的變化規律。

1)簡支梁固定支座布置位置對撓曲力有很大的影響。工況1中實測最大值為4 300 N，工況2中實測最大值為440 N;工況1中理論最大值為5 000 N，工況2中理論最大值為270 N。

2)當無縫道岔鋪設在縱連板簡支梁上時，道岔范圍內并未出現最大撓曲力峰值，鋼軌的最大撓曲力出現在道岔前端簡支梁和路基的交界處，在橋梁和路基交界處將出現鋼軌撓曲力的拐點。

3)橋梁剛度增大，撓曲力減?。?］。橋上無縫道岔梁的抗彎剛度比普通梁的抗彎剛度大，道岔梁在豎向荷載下的撓曲縱向位移較小，與文獻［3］解釋一致。

4)在橋上無縫道岔無砟軌道撓曲力的技術結果比較中，雖然理論計算值與測試值存在一定差異，但差值不大，在允許范圍以內，且整體變化規律基本吻合。驗證了非線性有限單元法建立橋上道岔—軌道板—梁—墩一體化計算模型的正確性。

［1］范俊杰，谷愛軍，陳岳源.無縫道岔的理論與試驗研究［J］.鐵道學報，2000，22(2):55-59.

［2］盧祖文，楊應環.鐵路無縫線路［M］.第四版.北京:中國鐵道出版社，2005:224-225.

［3］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設計方法［M］.第一版.成都:西南交通大學出版社，2007:240-245.

［4］任娟娟.橋上無縫道岔區縱連式無砟軌道受力特性與結構優化研究［D］.成都:西南交通大學博士學位論文，2009.

［5］盧耀榮，馮淑卿.橋上無縫線路撓曲力的計算［J］.鐵道學報，1987(9):56-67.

［6］王平，楊榮山，劉學毅.無縫道岔鋪設于長大連續梁橋上時的受力與變形分析［J］.交通運輸工程與信息學報，2004，2(3):16-21.

［7］徐慶元.用有限元法分析無縫道岔的受力與變形［J］.中國鐵道科學，2003，24(6):36-40.

［8］何華武.時速250 km級18號道岔設計理論與試驗研究［J］.鐵道學報，2007，29(1):66-71.

［9］劉棣華.高墩橋的橋梁和軌道相互作用的撓曲力［J］.中國鐵道科學，1995，16(3):72-79.