軌道交通橋上無縫道岔群的受力分析

宮萬國(guó)

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥工程師）

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，受土地資源、地形地貌等因素影響，橋梁工程的比例越來越大，其中不乏車站設(shè)置于橋梁上的特殊情況，使車站咽喉區(qū)無縫道岔不可避免地設(shè)置于橋梁上［1－4］。為保證道岔的工作狀態(tài)，一般將無縫道岔整組布置于連續(xù)梁上。對(duì)于客運(yùn)專線大號(hào)碼道岔咽喉區(qū)，由于道岔本身較長(zhǎng)且布置多組道岔，由此引起多聯(lián)大跨度連續(xù)梁集中布置的情況。圖1是橋上車站咽喉區(qū)的典型布置情況。本文對(duì)普通橋上無縫線路及橋上無縫道岔群的受力進(jìn)行了對(duì)比檢算，分析了鋼軌伸縮力分布特點(diǎn)及對(duì)橋跨布置形式的影響，對(duì)橋上無縫線路道岔設(shè)備軌條之間的相對(duì)位移和傳力件強(qiáng)度進(jìn)行了檢算。

圖1 橋上車站咽喉區(qū)的道岔及多聯(lián)連續(xù)梁布置示意圖

1 計(jì)算模型

由于橋上無縫道岔本身涉及多股道鋼軌及各種限位結(jié)構(gòu)共同作用，其計(jì)算模型較區(qū)間橋上無縫線路更為復(fù)雜，但兩者的計(jì)算理論均可采用梁軌相互作用原理。本文采用通用有限元軟件，分別建立普通區(qū)間橋上無縫線路和橋上無縫道岔有限元分析模型。無縫道岔群的布置形式如圖1所示。模型中鋼軌采用實(shí)體單元模擬，扣件縱向阻力采用彈簧單元模擬，道岔轍叉限位裝置反力采用彈簧單元模擬，橋梁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，固定墩采用彈簧單元模擬。圖2—圖5是主要部件的有限元模型示意圖。

圖3 扣件阻力單元的有限元模型

圖4 限位器單元的有限元模型

圖5 間隔鐵單元的有限元模型

2 計(jì)算參數(shù)

橋上無縫道岔及區(qū)間橋上無縫線路檢算的物理參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

在有限元分析中，道岔限位器及間隔鐵的阻力根據(jù)實(shí)測(cè)阻力曲線取值。道岔限位器和間隔鐵的阻力曲線分別如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知：間隔鐵子母塊相對(duì)位移越大，阻力越大；當(dāng)間隔鐵子母塊相對(duì)位移大于7mm后，限位器開始起限位作用。

圖6 道岔限位器阻力曲線

圖7 道岔間隔鐵阻力曲線

3 計(jì)算分析

3.1 鋼軌伸縮力

無縫線路鋼軌伸縮力的大小是無縫線路檢算的重要內(nèi)容，其數(shù)值大小除了與溫度變化、軌道參數(shù)有關(guān)外，還受橋跨布置型式的影響。以下就普通區(qū)間橋上無縫線路和橋上無縫道岔兩種不同的線路條件，采用上述有限元模型和計(jì)算參數(shù)，對(duì)鋼軌伸縮力進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析。

3.1.1 普通區(qū)間橋上無縫線路

普通區(qū)間橋上無縫線路鋼軌伸縮力分布如圖8所示。由圖8可見，鋼軌伸縮力均值約為1 110 kN，受到①～⑤共5個(gè)橋梁梁縫的影響，伸縮力出現(xiàn)波動(dòng)，并對(duì)應(yīng)產(chǎn)生5個(gè)峰值，出現(xiàn)較大的伸縮附加力（即伸縮力的峰值－平均伸縮力）。

圖8 普通區(qū)間橋上無縫線路單股鋼軌伸縮力分布圖

表2列出了各梁縫處的鋼軌伸縮附加力P1及相應(yīng)的附加應(yīng)力最大值，表中數(shù)據(jù)表明，鋼軌伸縮附加力變化范圍在154.7～350.3kN之間，極大值出現(xiàn)在④號(hào)梁縫處。

表2 梁縫處鋼軌伸縮附加力及附加應(yīng)力最大值表

3.1.2 橋上無縫道岔

通過對(duì)圖1所示的橋上無縫道岔群的有限分析，道岔基本軌、輔助軌等多股鋼軌的伸縮力分布如圖9所示。與普通區(qū)間橋上無縫線路的計(jì)算結(jié)果類似，橋梁布置對(duì)橋上無縫道岔鋼軌伸縮力的影響較大。表3列出了橋上無縫道岔在梁縫處的附加伸縮力P2和相應(yīng)的附加應(yīng)力最大值；為了便于比較，同時(shí)列出了P1與P2的比值。

分別比較圖8、圖9和表2、表3可見，橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值仍位于梁縫處。由于道岔尖軌限位器作用，梁縫附近布置道岔時(shí)的鋼軌伸縮附加力較普通區(qū)間橋上無縫線路均有所增加。

圖9 橋上無縫道岔群各股鋼軌伸縮力分布圖

表3 梁縫處鋼軌伸縮附加力及附加應(yīng)力最大值表

普通區(qū)間橋上無縫線路鋼軌伸縮附加力最大值（350.3kN）在橋梁溫度跨度最大處（218.5m），而橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力最大值（458kN）在103＃、105＃道岔之間的梁縫處（此處橋梁溫度跨度為186.5m）。這主要是由于該處梁縫兩側(cè)的兩組道岔對(duì)向布置，道岔尖軌鋼軌附加力二次疊加，因此應(yīng)在兩連續(xù)梁間插入簡(jiǎn)支梁，以減少橋梁溫度跨度，有效降低梁軌相互作用力。橋上無縫道岔鋼軌伸縮附加力增幅最大處在⑤號(hào)梁縫（見表3），主要由于119＃道岔岔前距梁縫距離較小，橋梁伸縮及尖軌限位同時(shí)作用，疊加效果明顯。由此可知，在設(shè)計(jì)中道岔距梁縫應(yīng)保持一定距離，以盡量減少連續(xù)梁溫度跨度與道岔限位裝置鋼軌附加力的疊加效應(yīng)。

3.2 鋼軌伸縮位移

由于道岔本身限位裝置及線形要求，對(duì)基本軌相對(duì)橋梁和尖軌相對(duì)基本軌的位移均有相應(yīng)限值。對(duì)圖1所示的多聯(lián)連續(xù)梁無縫道岔群，表4列出了道岔群設(shè)計(jì)所關(guān)心的鋼軌、橋梁伸縮相對(duì)位移值。

由表4數(shù)據(jù)可見，尖軌相對(duì)基本軌的最大位移為23.7mm，滿足CZ2602《時(shí)速250km客運(yùn)專線鐵路60kg／m鋼軌18號(hào)道岔》中對(duì)道岔要求的限值30mm；心軌相對(duì)基本軌的最大位移為6.2mm，滿足一般道岔要求的限值8mm。

表4 橋梁鋼軌伸縮相對(duì)位移表

3.3 道岔限位裝置的剪力分析

道岔除了保證各軌條相對(duì)位移滿足規(guī)范要求外，其傳力件的剪力也必須滿足強(qiáng)度要求。對(duì)于圖1所示的多聯(lián)連續(xù)梁上鋪設(shè)的無縫道岔群，根據(jù)上述有限元模型，可計(jì)算出各道岔傳力件的受力情況如表5所示。

表5數(shù)據(jù)表明，103＃、105＃道岔對(duì)向布置，直股、側(cè)股等部位傳力件的受力較大，其中最大值出現(xiàn)在105＃道岔的直股部位，達(dá)到155.7kN。現(xiàn)對(duì)其傳力件螺栓的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行檢算。

間隔鐵受力螺栓剪應(yīng)力為：

式中：

τ——間隔鐵受力螺栓剪應(yīng)力；

T——間隔鐵受力螺栓剪力；

T1——摩阻力，取40kN／塊；

d——螺栓直徑，取24mm。

假定螺栓平均受力，轍跟處小間隔鐵由2根螺栓組成，則由上式有：τ＝127.9MPa≤［τ］＝264MPa。所以，間隔鐵螺栓的抗剪能力滿足要求。

表5 道岔傳力件受力表kN

4 結(jié)語

在高架橋上布置無縫道岔群的情況越來越多。本文針對(duì)一種典型的多聯(lián)連續(xù)梁上鋪設(shè)的無縫道岔群，采用有限元軟件，對(duì)無縫道岔的溫度力、相對(duì)位移和限位裝置剪力進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明：

1）無縫道岔布置于連續(xù)梁上時(shí)，其鋼軌伸縮附加力較普通區(qū)間橋上無縫線路增幅較大，尤其是咽喉區(qū)設(shè)在多聯(lián)連續(xù)梁上且兩組道岔對(duì)向布置的情況最為不利。

2）若由于運(yùn)輸組織功能需求，道岔對(duì)向布置情況不可避免，此時(shí)應(yīng)在兩連續(xù)梁間插入簡(jiǎn)支梁，以減少橋梁溫度跨度，有效降低梁軌相互作用力。

3）道岔距梁縫應(yīng)保持一定距離，以盡量減少連續(xù)梁溫度跨度與道岔限位裝置鋼軌附加力的疊加效應(yīng)。

4）當(dāng)整組無縫道岔布置于連續(xù)梁上時(shí)，道岔尖軌、心軌的位移及限位裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在一般情況下均可滿足其限值要求。

［1］黃正華.合寧鐵路無縫道岔群設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009（6）：54.

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