無(wú)縫道岔箱梁橋面板翹曲變形分析研究

陳繼太，楊鵬健

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

0 前言

在此之前，從選線方案研究開(kāi)始，要求道岔位于路基段。為了避免道岔上橋，需要增加線路長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致投資的增加。即使在無(wú)法避免道岔上橋時(shí)，也只能采用對(duì)結(jié)構(gòu)要求低的有縫線路道岔結(jié)構(gòu)。

隨著鐵路技術(shù)的發(fā)展及對(duì)行車(chē)平順性要求的提高，長(zhǎng)大干線鐵路開(kāi)始采用無(wú)縫線路。在復(fù)雜地形條件下，為節(jié)省投資，出現(xiàn)了站前咽喉區(qū)無(wú)縫線路道岔位于橋上的情況。

太原至中衛(wèi)(銀川)鐵路是《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中，西北至華北新通道的重要組成部分，線路全長(zhǎng)751 km，新建車(chē)站37個(gè)。由于線路方案整體走向、地形等因素控制，3個(gè)車(chē)站內(nèi)4座高架橋，須鋪設(shè)橋上無(wú)縫道岔，鐵路首次出現(xiàn)了無(wú)縫道岔箱梁。

1 研究?jī)?nèi)容

為滿(mǎn)足站內(nèi)橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔的要求，使無(wú)縫道岔及軌下梁部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全合理，有必要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行深入研究。

橋梁的上部結(jié)構(gòu)直接承受列車(chē)荷載，為保證列車(chē)運(yùn)行安全和旅客乘坐舒適，除加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，提高上部結(jié)構(gòu)的剛度，以提高結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力特性，使其滿(mǎn)足頻率限值的要求外，對(duì)道岔區(qū)橋面板進(jìn)行翹曲變形等局部分析，也是十分必要的。其中：

根據(jù)《200公里客貨共線暫規(guī)》第5.3.1條規(guī)定：“在中-活載作用下，一個(gè)軌距寬度內(nèi)3.0m梁長(zhǎng)的扭曲變形應(yīng)滿(mǎn)足：t≤3.0 mm(見(jiàn)圖1)。多線橋梁按產(chǎn)生扭曲的最不利工況加載。”

圖1 橋面允許扭轉(zhuǎn)變形示意圖

本文結(jié)合工程實(shí)際，分別分析不同橋面板厚度的翹曲變形，選擇滿(mǎn)足使用要求的厚度，為今后類(lèi)似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)參考。

2 工點(diǎn)簡(jiǎn)介

選取太中線3站4橋道岔梁中，岔線分布最具代表性的綏德站二十里鋪無(wú)定河特大橋(32.7+3×40+32.7)m連續(xù)梁進(jìn)行分析計(jì)算。

綏德站中衛(wèi)端跨越無(wú)定河而設(shè)二十里鋪無(wú)定河特大橋。太中銀車(chē)場(chǎng)中衛(wèi)端八字渡線及神延上下行線與太中銀線間渡線共10組60kg/m的12號(hào)道岔，位于二十里鋪無(wú)定河特大橋上。綏德站布置如圖2所示。

圖2 綏德站示意圖

二十里鋪無(wú)定河道岔梁采用(32.7+3×40+32.7)m連續(xù)梁，單箱三室等截面箱梁，橋?qū)?2.66 m，局部翼緣板加寬1 m。兩腹板間橋面板最大計(jì)算跨徑5.3 m，端橫隔梁厚2 m，中跨跨中橫隔梁厚0.2m。梁上布置兩組道岔，橫向設(shè)置四個(gè)支座，支座均位于各腹板中心位置。道岔布置如圖3所示。

圖3 道岔梁正線與渡線布置示意圖

3 橋面翹曲變形檢算

3.1 設(shè)計(jì)理論

依據(jù)《200公里客貨共線暫規(guī)》第5.3.1條規(guī)定，根據(jù)1點(diǎn)到3點(diǎn)組成平面距離的幾何關(guān)系(見(jiàn)圖4)，經(jīng)簡(jiǎn)化得到公式如下：

一線兩根鋼軌豎向相對(duì)變形：

擬定橋面板厚度分別為25 cm、30 cm、35 cm，建立模型，檢算道岔梁3.0 m梁長(zhǎng)的翹曲變形是否滿(mǎn)足規(guī)范的限值要求。并根據(jù)結(jié)果，選擇滿(mǎn)足規(guī)范要求的橋面板厚度。

圖4 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算圖示

3.2 設(shè)計(jì)荷載

采用“中-活載”。利用各種岔線偏載對(duì)中跨橋面板橋面板翹曲變形進(jìn)行檢算。

3.3 荷載組合

為了方便加載，將“中-活載”換算為節(jié)點(diǎn)荷載和2.5 m寬的均布面荷載。

首先，考慮以下3種主要荷載組合：

組合1：Ⅰ-Ⅲ線間渡線偏載；

組合2：Ⅰ-Ⅱ線間渡線偏載；

組合3：Ⅲ線與Ⅰ-Ⅱ線間渡線偏載。

經(jīng)過(guò)MIDAS建模分析，荷載組合1橋面板翹曲變形最為不利。故檢算時(shí)，僅對(duì)荷載組合1，根據(jù)“中-活載”的集中荷載和均布荷載分布位置情況，每種頂板厚度考慮六種工況：

(1)集中荷載布置在小里程梁端；

(2)集中荷載布置在大里程梁端；

(3)集中荷載布置在跨中，均布荷載沿小里程方向；

(4)集中荷載布置在跨中，均布荷載沿大里程方向；

(5)集中荷載布置在3/4跨中，均布荷載沿小里程方向；

(6)集中荷載布置在3/4跨中，均布荷載沿大里程方向。

3.4 橋面板翹曲模型建立

采用MIDAS軟件進(jìn)行建模計(jì)算。為計(jì)算方便，將連續(xù)梁中跨簡(jiǎn)化為40 m的簡(jiǎn)支梁，檢算其在道岔線荷載作用下橋面板的翹曲變形。采用三角形、四邊形板單元對(duì)單箱三室箱梁進(jìn)行離散。因建模的小體積都較為規(guī)則，故采用程序自由劃分，并沿道岔荷載作用處，對(duì)單元進(jìn)行了加密。計(jì)算模型如圖5、圖6所示。

圖5 MIDAS板單元模型

圖6 MIDAS箱梁截面板單元模型

計(jì)算中沿道岔線路路徑加載，依次取標(biāo)準(zhǔn)軌距(取1.5 m)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的豎向位移，然后以3 m間距確定4個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用這4個(gè)節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算這一范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)翹曲變形(見(jiàn)圖7)。

圖7 MIDAS橋面板翹曲變形圖示

3.5 計(jì)算結(jié)果及分析

每個(gè)不同橋面板厚度的6種工況，用MIDAS計(jì)算得到道岔線路所經(jīng)的全部橋面板的豎向位移△1、△2、△3、△4，推算得到每3 m范圍內(nèi)橋面板的相對(duì)變形t。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表3所列。

對(duì)于三種不同厚度的橋面板結(jié)構(gòu)，翹曲變形檢算所得最大相對(duì)位移見(jiàn)表4所列。

由表1～表3、表4的匯總結(jié)果可見(jiàn)，三種頂板厚度橋面節(jié)點(diǎn)的豎向位移主要是由箱梁的整體位移引起，相對(duì)位移較小。各工況的3 m范圍內(nèi)，最大相對(duì)位移不足1 mm,遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的最大值3 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)檢算，太中線3站4橋道岔梁，在岔線的斜向活載作用下，橋面板厚度不受翹曲變形控制，而是應(yīng)力、配筋構(gòu)造等控制。

太中銀鐵路已于2011年全線通車(chē)，運(yùn)營(yíng)表明，橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔的箱梁工作情況良好。同時(shí)，該研究成果在京滬高鐵、京石客專(zhuān)、津保鐵路等有砟、無(wú)砟線路橋上鋪設(shè)無(wú)縫道岔工點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中得到重復(fù)驗(yàn)證。

表1 25 cm頂板厚橋面板位移及相對(duì)變形(節(jié)選)一覽表

表2 30 cm頂板厚橋面板位移及相對(duì)變形(節(jié)選)一覽表

表3 35 cm頂板厚橋面板位移及相對(duì)變形(節(jié)選)一覽表

表4 三種厚度橋面板最大相對(duì)位移匯總表

[1]姚玲森主編.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1995.

[2]陳玉.京滬高速鐵路新蘇州站道岔區(qū)橋式布置方案研究.鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)[J].2005，(05).

[3]何濤.哈大線沈哈段道岔區(qū)橋梁設(shè)計(jì)[J].科技交流,2007，(04).

[4]陳堃.鄭西客專(zhuān)新渭南高架車(chē)站橋梁方案設(shè)計(jì)[J].科技交流,2007，(04).

[5]王斌.京滬高速鐵路高架車(chē)站道岔區(qū)橋梁設(shè)計(jì)[J].交通科技，2010，(02).

[6]王立中,劉敬棉.高速鐵路無(wú)砟軌道無(wú)縫線路車(chē)站咽喉區(qū)道岔連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式的研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，(10).

[7]鐵二院.預(yù)應(yīng)力混凝土道岔梁[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1981.

[8]黃平明,混凝土斜梁橋[M].北京:人民交通出版社,1999.

[9]鐵道專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)院編.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)—混凝土橋[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1981.

[10]賀栓海，謝仁物，等.公路橋梁荷載橫向分布計(jì)算方法[M].北京:人民交通出版社,2002.