坡度對長大坡道橋上無縫道岔的影響分析

顏 樂，熊震威，魏賢奎，王 平

(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)

隨著既有繁忙干線大范圍換鋪跨區間無縫線路以及新線全面推廣一次鋪設跨區間無縫線路，我國在橋上無縫線路、路基上無縫道岔等方面的技術日漸成熟。無縫道岔作為跨區間無縫線路的關鍵技術［1］，近年來到得了迅猛發展，理論和實踐經驗已經比較成熟。但是由于環保、節約用地或者地形條件的限制，將會有越來越多的無縫道岔鋪設在橋梁上［2］。在山區鐵路的困難地段，其特點之一是線路坡度大［3-4］，列車在山區地段的長大坡道運行時經常需要制動，而且其制動比在平原地帶更為復雜。尚未有學者從橋上無縫道岔制動這一角度出發，研究坡度對制動工況下梁軌相互作用的影響。為了完善橋上無縫道岔計算理論，正確指導橋上無縫道岔的鋪設，很有必要研究坡度對長大坡道橋上無縫道岔制動工況的影響。

本文以某新建鐵路大橋為例，其橋上無縫道岔鋪設于17.2‰的大坡道上，在國內是首例，而我國橋上無縫道岔鋪設地段的坡度一般不大于6‰［5］，為保證列車運行的安全和穩定性，需要重點關注列車制動所引起的梁軌相互作用［6］，對其鋪設方案可行性進行研究。本文考慮了 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰八種不同的坡度，研究列車制動情況下坡度對橋上無縫道岔受力變形的影響，對長大坡道上鋪設橋上無縫道岔提出建議。

1 計算模型

1.1 道岔－橋梁相互作用原理

道岔－橋梁相互作用原理是橋上無縫道岔縱向力和位移計算的理論基礎。道岔里軌發生伸縮位移后，帶動岔枕縱向移動和偏轉，一部分作用力通過扣件傳遞給基本軌，一部分作用力通過岔枕傳遞給道床再傳遞給橋梁。橋梁因伸縮或撓曲在梁面上產生縱向位移，墩臺因道岔上傳下來的力在墩頂產生縱向位移，并帶動橋梁產生縱向位移。同時，梁的位移通過道床傳到道岔上，會導致鋼軌中的縱向力重新分布，進而再影響橋梁的受力與變形。可見，鋼軌、岔枕、橋梁及墩臺是一個相互作用、相互影響的耦合系統［7］，只有建立一體化模型，才能弄清道岔及橋梁的受力變形規律。

1.2 計算模型及單元選取

從整個線橋系統出發，將道岔和橋梁作為一個相互作用、相互影響的耦合系統，基于非線性有限單元法建立了岔-橋-墩一體化模型［8］。此模型考慮了影響縱向力分布的2個重要因素:線路縱向阻力及橋梁下部結構的縱向水平剛度，如圖1所示。

圖1 橋上有砟無縫道岔模型立面

對岔-橋-墩一體化模型采用桿單元模擬鋼軌和橋梁，采用梁單元模擬道岔板和道床板。扣件縱向阻力、道岔板與底座板縱向阻力、滑動層摩擦阻力、摩擦板縱向阻力、道岔傳力部件阻力、有砟軌道道床阻力等均采用非線性彈簧模擬。底座板上縱橫向凸臺、底座板與橋梁間的剪力齒槽、端刺和墩臺均采用線性彈簧模擬，線性彈簧的剛度依據各自受力與變形關系確定。這樣整個系統就可以采用桿單元、梁單元、線性彈簧單元和非線性彈簧單元4種類型的單元來模擬。

1.3 計算參數

某新建鐵路大橋為33 m簡支梁+(32.4+33+32.4+33+32.4+33)m連續梁+(48.6+79.8+48.6)連續梁+32.4 m簡支梁+16.2 m簡支梁+16.8 m簡支梁橋，道岔為單渡線18號無縫道岔，鋪設于17.2‰的大坡道上，道岔與橋梁布置如圖2所示。新建鐵路采用雙線有砟軌道，大橋從左到右、從下到上將2組道岔編號，1、2號道岔岔心里程分別為DK128+45.332、DK127+962.552，線間距為4.6 m。道床阻力參數及其他相關設計參數根據《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定》(鐵建設函［2003］205號)取值。列車荷載采用我國高速鐵路活載圖式(ZK活載)換算為均布荷載。

圖2 橋梁墩臺與道岔布置簡圖

1.4 等效輪軌黏著系數

制動力是通過輪軌摩擦直接作用于軌面，然后通過扣件或道砟將部分荷載傳遞到橋梁墩臺［9］。作用于軌面的制動力集度q=μ·Q。μ為輪軌黏著系數，“八五”國家科技攻關項目《高速鐵路線橋隧設計參數選擇的研究》之報告三《高速鐵路軌道理論計算模式與參數建議值》中建議輪軌黏著系數取0.164，根據我國多年的試驗研究和工程實踐，輪軌黏著系數采用0.164是合適的［10］;Q為設計荷載。

由于該道岔梁位于坡道上，制動荷載還應疊加上ZK活載的坡道分力。在計算中通過將坡道上的制動荷載轉化為等效輪軌黏著系數μ0實現。在圖3中，設計荷載為Q，平行于軌道的分力F2即為坡道分力［11］

因為α角一般很小，可令sinα≈tanα，于是

圖3 坡道分力示意

線路坡度 i=H/L=tanα，故

因此，長大坡道上的等效輪軌黏著系數為μ0=μ+i，即μ0=0.164+i，作用于軌面的制動力集度q=μ0·Q。

1.5 計算工況

由于列車左入橋與右入橋2種工況下的梁軌相互作用規律基本相同，因此只分析從右向左入橋的情況，采用一線制動，分別考慮圖4中幾種制動工況。

圖4 制動工況

經計算比較，無論是鋼軌力還是位移，工況一都最大，因此取工況一進行坡度對橋上無縫道岔制動工況的影響分析，不同的坡度如表1所示。

表1 不同坡度計算工況

2 計算結果及分析

2.1 坡度對鋼軌縱向力的影響

坡度分別為 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰時，最大鋼軌縱向拉、壓力變化如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著坡度的增大，鋼軌的最大縱向拉、壓力均近似呈線性遞增。20‰坡度的最大鋼軌縱向拉力比0‰的增加了12.21%，最大鋼軌縱向壓力也增加了12.19%。

2.2 坡度對位移的影響

坡度分別為 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰時，梁軌相對位移最大值變化、鋼軌最大位移變化如圖6所示。

圖5 鋼軌最大縱向拉力和壓力

圖6 梁軌相對位移最大值和鋼軌最大位移

從圖6中可以看出，隨著坡度的增大，梁軌相對位移、鋼軌最大位移都近似呈線性遞增。20‰坡度的梁軌相對位移最大值比0‰的增加了12.23%，鋼軌最大位移也增加了12.84%。

2.3 坡度對墩臺縱向力的影響

坡度分別為 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰時，各固定墩臺的縱向力如表2所示。

表2 不同坡度時的墩臺縱向力 kN

選取4號和8號墩臺(固定支座)做比較，其墩臺縱向力變化如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著坡度的增大，墩臺縱向力絕對值近似呈線性遞增。對4號墩臺，20‰坡度的墩臺縱向力比0‰的增加了12.18%。對8號墩臺，20‰坡度的墩臺縱向力比0‰的增加了12.21%。

2.4 其他計算結果

取1號道岔作為比較，道岔傳力部件的位移和縱向力見表3(注:由于同組道岔直、曲尖軌位移相差較小且通常曲尖軌位移稍大，表3中尖軌位移取曲尖軌位移;由于限位器不受縱向力，因此只列舉了直、側股間隔鐵的受力)。

圖7 4號和8號墩臺縱向力

表3 計算結果比較

心軌、尖軌尖端絕對位移、直側股間隔鐵縱向力隨坡度變化如圖8、圖9所示。

圖8 心軌、尖軌尖端絕對位移

圖9 直股、側股間隔鐵縱向力

從表3和圖8、圖9可以看出，隨著坡度的增大，心軌和尖軌的絕對位移以及間隔鐵的縱向力都近似呈線性遞增。其中，20‰坡度尖軌尖端的絕對位移比0‰的增加了12.83%，20‰坡度心軌尖端的絕對位移比0‰的增加了12.55%，20‰坡度的直股間隔鐵縱向力比0‰的增加了12.07%，20‰坡度的側股間隔鐵縱向力比0‰的增加了20.6%。

由圖9還可以看出，側股間隔鐵的縱向力比直股間隔鐵小，但是其受坡度的影響卻較大。這主要是由于制動是一線(正線)制動，直股間隔鐵承受正線上的長心軌傳遞來的縱向力，側股間隔鐵承受側線上的短心軌傳遞的縱向力，因此直股間隔鐵的縱向力比較大;長大坡道制動時，側股間隔鐵承受正線上的導軌傳遞的縱向力，而直股間隔鐵承受側線上的導軌傳遞的縱向力，因此側股間隔鐵受坡度的影響較大。

3 結論

通過建立有砟軌道岔-橋-墩一體化模型，分析了列車制動情況時，坡度對橋上無縫道岔受力與變形的影響，對長大坡道上無縫道岔的鋪設進行了思考和總結，結論如下。

(1)隨著坡度的增大，鋼軌縱向力、鋼軌位移、墩臺縱向力、心軌和尖軌位移以及間隔鐵縱向力都近似呈線性遞增。因此，坡度的增大對無縫道岔的受力和變形都是不利的。

(2)側股間隔鐵的縱向力比直股間隔鐵小，但是其受坡度的影響卻較大。

(3)由于長軌條在長大坡道容易產生不均勻的爬行現象，而這種爬行又會受到道岔的阻礙作用，便導致道岔的受力變形規律更加復雜［12］。在鐵路現場，應加強無縫道岔防爬鎖定，并加密防爬觀測次數。

因此，橋上無縫道岔的坡度限值有待進一步研究確定。

［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，2007:1-2.

［2］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.

［3］高亮亮，龔愛軍.山區鐵路改河工程設計方案研究［J］.鐵道標準設計，2012(11):72-74.

［4］文沛溪.在15‰大坡道上無縫線路的爬行觀察及其分析［J］.鐵道標準設計通訊，1977(5):33-37.

［5］王平，陳嶸，楊榮山，劉學毅.橋上無縫道岔設計理論［M］.成都:西南交通大學出版社，2011:20-23.

［6］曲村，高亮，侯博文.城市軌道交通長大橋梁上無縫線路鋼軌制動力研究［J］.城市軌道交通研究，2012(10):66-70.

［7］楊榮山.橋上無縫道岔縱向力計算理論與試驗研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2008.

［8］李秋義.客運專線橋上無縫道岔計算模型和計算方法研究［J］.鐵道標準設計，2010(2):64-66.

［9］雷俊卿，李宏年，馮東.鐵路橋梁列車制動力的試驗研究與計算分析［J］.工程力學，2006(3):134-140.

［10］中華人民共和國鐵道部.鐵建設函［2003］205號 新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［11］易思蓉.鐵路選線設計［M］.成都:西南交通大學，2009:57-58.

［12］王平，郭利康.線路爬行對無縫道岔受力與變形的影響分析［J］.西南交通大學學報，2002(12):615-619.