連續梁橋上不同連接形式的無砟道岔群受力與變形分析

郝遠行，李培剛，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，四川 成都 610031)

道岔在使用過程中，通常會與其他道岔一起形成道岔群，若將道岔群放在連續梁橋上，則鋼軌受力與變形將會相互影響［1］。道岔群的連接形式多種多樣，且不同的連接形式對道岔群的受力與變形影響各不相同，其變化規律將更為復雜。本文通過建立岔—橋—墩一體化有限元模型，分析了在不同連接形式下的無砟道岔群在連續梁橋上的受力與變形特點，并提出了針對性的建議。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

橋上無砟軌道岔—橋—墩空間一體化模型如圖1所示。其中，鋼軌、道岔板、支承層和橋梁用空間梁單元模擬［2-4］。岔枕和扣件作為一個整體，道岔板和支承層之間的縱橫向凸臺以及支承層和橋梁之間的滑動摩擦層都用非線性彈簧單元來模擬。該非線性彈簧單元采用理想的彈塑性本構關系，極限滑動阻力對應點位移為0.5 mm［5-6］。考慮到邊界條件對計算結構的影響，兩端路基上無砟軌道長度取為100 m，兩端固結。將上述橋上(橋跨布置如圖2)無砟軌道空間模型采用有限元法計算，并用計算機語言編制成通用程序，以滿足不同情況下的快速計算。

1.2 計算參數

以2組采用60 kg/m鋼軌及不同連接形式的18號可動心軌無砟道岔布置在6×32 m連續梁橋為例，橋跨布置如圖2所示。為消除邊界影響，在連續梁兩端分別各布置3跨32 m簡支梁。每組道岔全長69 m，均布置在連續梁上，轍跟類型為限位器。由于軌下基礎為無砟，所以岔枕與混凝土道床視為剛性聯結，計算中岔區道床縱向阻力類型為常阻力型，其值取極大值1 000 kN/m。系統溫度變化按升溫考慮，道岔溫度變化幅度取 50℃，橋梁取 20℃，道岔板取 35℃［2］。

圖1 橋上無砟道岔空間模型縱斷面

2 計算結果比較與分析

2.1 計算工況

考慮采用如圖3所示的5種道岔連接形式作為計算工況。

圖2 橋跨布置

圖3 道岔群連接形式

2.2 基本軌附加溫度力比較

各種形式的道岔連接方式對最大基本軌附加溫度力的影響比較如表1所示。基本軌附加力如圖4和圖5所示。圖中坐標原點為左橋臺位置，橫坐標x表示鋼軌單元距左橋臺距離。基本軌附加力為正表示力為壓力，為負表示力為拉力。

圖4 不同連接形式下道岔基本軌附加力P

表1 不同形式的道岔連接方式對基本軌附加溫度力的影響比較 kN

圖5 單渡道岔基本軌附加力

由圖4可以看出，對接的兩種道岔連接形式的基本軌附加力圖相似，最大附加力均出現在距離左橋臺191 m處，而順接的兩種道岔連接方式的基本軌附加力不同，異向形式的最大附加力出現在距離左橋臺287 m處，同向的則出現在200 m處。

從表1可以看出，在各種連接形式中，順接方式比對接方式的道岔基本軌所受附加力要大，同種連接方式中，同向的要比異向的更大，而單渡形式的道岔基本軌所受附加力是所有形式當中最小的。因此，在道岔基本軌維護中，應對同向或者對接形式的道岔加以足夠的重視。

2.3 鋼軌伸縮位移比較

各種形式的道岔連接方式對鋼軌伸縮位移的影響比較如表2所示。

從表2中可以看出，單渡道岔形式的直尖軌尖端相對于岔枕位移為最大，最大值出現在2號道岔。順接方式道岔的直尖軌尖端相對于岔枕位移比對接方式的更大。在同種連接方式中，異向和同向的尖軌相對位移相差很小。

對于心軌尖端相對于岔枕的位移，單渡形式的道岔為所有形式中最小。順接方式比對接方式的相對位移更大，而在對接方式中，異向和同向的相對位移相差很小。在順接方式中，異向形式道岔的心軌尖端最大相對位移比同向形式的更大。

總的來說，在各種連接形式中，直尖軌尖端和心軌尖端相對于岔枕位移相差均不大，在合理的橋跨布置中均能滿足設計要求。

2.4 限位器及間隔鐵受力比較

各種形式的道岔連接方式中限位器及間隔鐵作用力比較如表3所示。

從表3可以看出，單渡形式道岔的限位器不受力。順接方式只有一組道岔的限位器受力，且比對接方式的受力更小，在這種連接方式中，異向的最大受力比同向的更大。對接方式兩組道岔的限位器均受力，且同向的最大受力比異向的更大。

表2 不同形式的道岔連接方式對鋼軌伸縮位移的影響比較 mm

表3 不同形式的道岔連接方式對限位器及間隔鐵作用力比較 kN

單渡形式道岔的間隔鐵最大受力為所有形式中最小。順接方式比對接方式的最大受力更大。在同種連接方式中，異向的間隔鐵最大受力比同向的更大。

在對接方式中，限位器受力比較不利，可適當增加限位器的數量，以保證限位器滿足受力要求。順接方式的間隔鐵受力較大，但和對接方式的道岔相差不大。單渡形式的道岔傳力部件受力最小，可盡量減少傳力部件的使用，以達到使用的經濟最優化。

3 結論及建議

1)以對接方式連接的道岔基本軌所受最大附加力比順接方式更大，單渡形式的道岔基本軌所受最大附加力最小，同種連接方式中，同向的比異向的受力更大。因此，在道岔基本軌維護中，應對同向或對接形式的道岔加以足夠的重視。

2)在各種連接形式中，直尖軌尖端和心軌尖端相對于岔枕位移相差不大，在合理的橋跨布置中均能滿足設計要求。

3)在對接方式中，限位器受力比較不利，可適當增加限位器的數量或加強限位器結構，以保證限位器滿足受力要求。順接方式的間隔鐵受力較大，但和對接方式的間隔鐵受力相差不大。單渡形式的道岔傳力部件受力最小，可盡量減少傳力部件的使用，以達到使用的經濟最優化。

［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．

［2］ 李成輝．軌道［M］．成都:西南交通大學出版社，2005．

［3］ 楊榮山，劉學毅，王平．簡支梁橋上無縫道岔縱向力影響因素分析［J］．西南交通大學學報，2008(5):666-672．

［4］ 王平．無縫道岔群對鋼軌位移和縱向力的影響研究［J］．鐵道學報，2002，24(2):74-78．

［5］ 西南交通大學．跨區間無縫線路無縫道岔設計方法的優化研究報告［R］．成都:西南交通大學，2003．

［6］ 劉哲，王平．連續梁橋上典型道岔群縱向受力與變形分析［J］．鐵道建筑，2011(7):124-127．