軌道交通橋上無縫道岔群的受力分析

宮萬國

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥工程師）

隨著我國鐵路建設的發展，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，其中不乏車站設置于橋梁上的特殊情況，使車站咽喉區無縫道岔不可避免地設置于橋梁上［1－4］。為保證道岔的工作狀態，一般將無縫道岔整組布置于連續梁上。對于客運專線大號碼道岔咽喉區，由于道岔本身較長且布置多組道岔，由此引起多聯大跨度連續梁集中布置的情況。圖1是橋上車站咽喉區的典型布置情況。本文對普通橋上無縫線路及橋上無縫道岔群的受力進行了對比檢算，分析了鋼軌伸縮力分布特點及對橋跨布置形式的影響，對橋上無縫線路道岔設備軌條之間的相對位移和傳力件強度進行了檢算。

圖1 橋上車站咽喉區的道岔及多聯連續梁布置示意圖

1 計算模型

由于橋上無縫道岔本身涉及多股道鋼軌及各種限位結構共同作用，其計算模型較區間橋上無縫線路更為復雜，但兩者的計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，橋梁結構采用梁單元模擬，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 計算參數

橋上無縫道岔及區間橋上無縫線路檢算的物理參數如表1所示。

表1 計算參數

在有限元分析中，道岔限位器及間隔鐵的阻力根據實測阻力曲線取值。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：間隔鐵子母塊相對位移越大，阻力越大；當間隔鐵子母塊相對位移大于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容，其數值大小除了與溫度變化、軌道參數有關外，還受橋跨布置型式的影響。以下就普通區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算參數，對鋼軌伸縮力進行了對比計算分析。

3.1.1 普通區間橋上無縫線路

普通區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個橋梁梁縫的影響，伸縮力出現波動，并對應產生5個峰值，出現較大的伸縮附加力（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及相應的附加應力最大值，表中數據表明，鋼軌伸縮附加力變化范圍在154.7～350.3kN之間，極大值出現在④號梁縫處。

表2 梁縫處鋼軌伸縮附加力及附加應力最大值表

3.1.2 橋上無縫道岔

通過對圖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。與普通區間橋上無縫線路的計算結果類似，橋梁布置對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和相應的附加應力最大值；為了便于比較，同時列出了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的鋼軌伸縮附加力較普通區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力最大值表

普通區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的兩組道岔對向布置，道岔尖軌鋼軌附加力二次疊加，因此應在兩連續梁間插入簡支梁，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作用，疊加效果明顯。由此可知，在設計中道岔距梁縫應保持一定距離，以盡量減少連續梁溫度跨度與道岔限位裝置鋼軌附加力的疊加效應。

3.2 鋼軌伸縮位移

由于道岔本身限位裝置及線形要求，對基本軌相對橋梁和尖軌相對基本軌的位移均有相應限值。對圖1所示的多聯連續梁無縫道岔群，表4列出了道岔群設計所關心的鋼軌、橋梁伸縮相對位移值。

由表4數據可見，尖軌相對基本軌的最大位移為23.7mm，滿足CZ2602《時速250km客運專線鐵路60kg／m鋼軌18號道岔》中對道岔要求的限值30mm；心軌相對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位移滿足規范要求外，其傳力件的剪力也必須滿足強度要求。對于圖1所示的多聯連續梁上鋪設的無縫道岔群，根據上述有限元模型，可計算出各道岔傳力件的受力情況如表5所示。

表5數據表明，103＃、105＃道岔對向布置，直股、側股等部位傳力件的受力較大，其中最大值出現在105＃道岔的直股部位，達到155.7kN。現對其傳力件螺栓的抗剪強度進行檢算。

間隔鐵受力螺栓剪應力為：

式中：

τ——間隔鐵受力螺栓剪應力；

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 結語

在高架橋上布置無縫道岔群的情況越來越多。本文針對一種典型的多聯連續梁上鋪設的無縫道岔群，采用有限元軟件，對無縫道岔的溫度力、相對位移和限位裝置剪力進行了分析。計算結果表明：

1）無縫道岔布置于連續梁上時，其鋼軌伸縮附加力較普通區間橋上無縫線路增幅較大，尤其是咽喉區設在多聯連續梁上且兩組道岔對向布置的情況最為不利。

2）若由于運輸組織功能需求，道岔對向布置情況不可避免，此時應在兩連續梁間插入簡支梁，以減少橋梁溫度跨度，有效降低梁軌相互作用力。

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

4）當整組無縫道岔布置于連續梁上時，道岔尖軌、心軌的位移及限位裝置結構強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計技術研究［J］.鐵道工程學報，2009（6）：54.

［2］徐井芒，陳嶸.橋上無縫道岔縱向力計算研究［J］.鐵道建筑，2011（3）：93.

［3］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.

［4］譚曉春，羅雁云.軌道交通列車過岔振動特性研究［J］.城市軌道交通研究，2008（1）：28.