高速鐵路無縫道岔基礎參數的試驗研究

孫加林，梁 晨，許紹輝

(1.中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 高速鐵路無縫道岔的基礎參數

針對橋上鋪設客運專線道岔存在的問題，西南交大、北京交大和中國鐵道科學研究院進行了大量的理論研究，建立了橋上無縫道岔力學模型，利用既有的無縫道岔基礎參數(道床縱向阻力、鋼軌扣件推移阻力、轍跟及岔跟摩阻力、接頭阻力)進行了較為系統的理論計算。但目前尚未對無縫道岔的基礎參數進行過系統的研究，無縫道岔理論計算仍采用十幾年前提速道岔或秦沈線道岔的參數，導致無縫道岔理論計算與實際情況很難符合。客運專線道岔結構和提速道岔差別較大，因此有必要對無縫道岔基礎參數進行研究。

為保證無縫道岔計算結果和現場實際情況符合，除了計算模型應合理，計算參數也應符合現場實際。無縫道岔的基礎參數主要有4個:①鋼軌扣件推移阻力(鋼軌發生相對于扣件的位移時，扣件提供的縱向阻力);②轍跟間隔鐵和限位器摩阻力(圖1中尖軌跟端和基本軌之間的間隔鐵和限位器)及岔跟間隔鐵摩阻力(圖2中心軌跟端和翼軌之間的間隔鐵);③普通接頭阻力(圖1中道岔尾部側股的普通接頭);④道床縱向阻力(有砟道岔)。

圖1 可動心軌半焊無縫道岔

圖2 可動心軌轍叉示意

2 高速無縫道岔基礎參數的測試

2.1 道床縱向阻力和剛度

道床縱向阻力指道床抵抗軌道框架縱向位移的阻力。一般以每根軌枕的阻力R，或每延厘米分布阻力r標識。它是抵抗鋼軌伸縮，防止線路爬行的重要參數。道床縱向阻力受道砟材質、顆粒大小、道床斷面、搗固質量、臟污程度、軌道框架重量等因素的影響。只要鋼軌與軌枕間的扣件阻力大于道床抵抗軌枕縱向移動的阻力，則無縫線路長鋼軌的溫度應力和溫度應變的縱向分布規律將完全由接頭阻力和道床縱向阻力確定。

道床縱向阻力測試沿線路縱向，每隔4根軌枕選相鄰2根軌枕為測試枕。首先，卸2根測試枕的所有扣件，并且用手動起道機頂起鋼軌，取出鋼軌與軌枕之間的墊板，此時被測軌枕完全脫離鋼軌;然后，在2根測試枕間枕盒內，撿出道砟，在靠近鋼軌內側位置通過加載墊塊將2個千斤頂安裝在2個測試枕之間。在軌枕的中間頂面上安裝位移計，位移計的頂針頂在測試軌枕的外側面上。道床縱向阻力檢測裝置安裝示意如圖3。

圖3 道床縱向阻力檢測裝置安裝示意

2010年7月在海南東環鐵路靈水車站18號道岔做了道床阻力縱向測試，該道岔已經經過了充分的搗固作業，分別在岔區不同位置實測了4次道床阻力，現場實測曲線如圖4所示，試驗位置分別為道岔轉轍器第3跟岔枕和道岔連接部分第4跟岔枕。

圖4 道床縱向阻力關系曲線

海南東環鐵路實測道床縱向阻力最大值為40～48 kN、秦沈客專實測為43 kN，兩者比較接近，說明試驗結果能較好地體現我國250 km/h有砟道岔的道床阻力剛度分布特征。根據仿真計算結果，道床縱向阻力越小，基本軌附加溫度力及其影響范圍就越大，同時基本軌伸縮位移、尖軌跟端與心軌跟端的伸縮位移也越大，限位器及間隔鐵所受作用力受道床縱向阻力的影響也較小。綜合分析來看，增加道床縱向阻力，對減小基本軌受力、控制尖軌及心軌的伸縮位移十分有利，因此，宜在無縫道岔養護維修中盡量增加道床縱向阻力。

2.2 鋼軌扣件縱向阻力和剛度

鋼軌縱向阻力的測試參照歐洲標準EN 13146—1《鐵路應用—軌道—扣件系統試驗方法—第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》，縱向阻力值取鋼軌滑移時荷載值。

如圖5所示，按扣件組裝方式將1段長度0.5 m的60 kg/m鋼軌固定在特制預應力混凝土無擋肩軌枕上。鋼軌無剝離，表面無浮銹，軌底因重復試驗被磨光。用特制加力架夾住軌枕，防止軌枕轉動，以及沿平行鋼軌方向移動。利用橫向雙動液壓千斤頂，通過特制加力架以垂直軌枕的方向并以(10±5)kN/min的加載速率對鋼軌軌底施加縱向拉力。采用拉力傳感器(量程50 kN，精度±0.1 kN)測試拉力值，并采用位移計(量程±5 mm，精度±0.01 mm)測試鋼軌相對于軌枕的縱向位移。拉力和位移采用專用數據采集系統，將信號輸出到計算機上，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。當鋼軌滑移時可馬上卸載。從荷載—位移曲線上可得出產生非彈性位移之前鋼軌所承受的最大縱向力。

圖5 試驗設備

2010年12月在京石客運專線定州車站進行了高速無縫道岔扣件縱向阻力—位移的測試。試驗時分別測試了18號道岔普通墊板扣件和滑床板扣件的縱向阻力，并且每種扣件又分別進行了單節點、兩節點和三節點的縱向阻力試驗。為了保證試驗數據的準確性，每個相同節點試驗都進行了3次，最后取平均值。普通墊板扣件縱向阻力測試結果如表1所示，滑床板扣件縱向阻力測試結果如表2所示。

采用不同的扣件形式及不同的扣件螺栓扭矩，扣件縱向阻力不一樣。根據已有研究成果，扣件縱向阻力越小，通過岔枕傳遞給基本軌的溫度力就越小，在軌溫變化幅度較大的情況下，通過限位器傳遞的溫度力也越大。扣件縱向阻力減小，雖然基本軌最大附加溫度力有所降低，但尖軌跟端及心軌跟端的伸縮位移均將增大，同時限位器所受作用力會大大增加，間隔鐵受力也有所增加，限位器子母塊開始貼靠時的軌溫變化幅度越低，即限位器所起的限制尖軌伸縮位移的作用越大。道床縱向阻力越大、道岔號碼越大，扣件縱向阻力的影響將越大。綜合來看，在能確保鋼軌強度的條件下，采用大阻力扣件，對無縫道岔的受力與變形是比較有利的。對照高速道岔用扣件和彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件的縱向阻力，前者采用三節點測試平均值為24.7 kN，文獻［2］測得彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件為16 kN，表明高速無縫道岔用扣件縱向傳力性能大大強于普通彈條型扣件。

表1 普通墊板扣件鋼軌縱向阻力試驗結果

表2 滑床板扣件鋼軌縱向阻力試驗結果

2.3 鋼軌接頭摩阻力和剛度

開始試驗前，鋼軌接頭間的縫隙調整到最大距離，然后對接頭夾板的螺栓施加固定扭矩。將安裝好的鋼軌接頭豎立，使鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程±5 mm，精度±0.01 mm)測試兩個接頭鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載，壓力和位移采用專用數據采集系統輸出信號到計算機，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理，測試結果如表3所示，鋼軌接頭摩阻力—位移關系曲線如圖6所示。

表3 鋼軌接頭滑移阻力測試結果

圖6 鋼軌接頭摩阻力—位移關系曲線

2.4 限位器滑移阻力和剛度

開始試驗前，限位器間的縫隙調整到最大距離，對螺栓施加固定扭矩。安裝限位器，鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程 ±5 mm，精度±0.01 mm)測試中間鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載，壓力和位移采用專用數據采集系統輸出信號到計算機，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。測試結果如表4所示，限位器滑移阻力—位移關系曲線如圖7所示。

表4 限位器滑移阻力測試結果

圖7 限位器滑移阻力—位移關系曲線

試驗結果表明:限位器滑移位移隨著施加荷載的增大而增大，當位移達到某一值后，鋼軌開始滑移，此時鋼軌接頭滑移阻力不再增加;隨著螺栓安裝扭矩的增大，鋼軌接頭滑移阻力也隨之增大，基本呈線性增長。

限位器阻力越大，基本軌附加溫度力、基本軌伸縮位移、間隔鐵所承受的作用力也越大，而尖軌跟端、心軌跟端伸縮位移就越小;限位器向基本軌傳遞溫度力的過程中所起作用越大，該影響效果就越明顯。

2.5 間隔鐵滑移阻力和剛度試驗

開始試驗前，間隔鐵間的縫隙調整到最大距離，然后對螺栓施加固定扭矩。安裝好限位器，鋼軌的斷面垂直于試驗機加載頭。采用位移計(量程±5 mm，精度±0.01 mm)測試中間鋼軌相對位移。對鋼軌斷面施加0.5 kN/s勻速荷載，壓力和位移采用專用數據采集系統輸出信號到計算機，利用專門編制的軟件在計算機上進行分析處理。測試結果如表5所示，間隔鐵滑移阻力—位移關系曲線如圖8所示。

圖8 間隔鐵滑移阻力—位移關系曲線

表5 間隔鐵滑移阻力測試結果

試驗結果表明:①間隔鐵滑移位移隨著施加荷載的增大而增大，當位移達到某一值后，鋼軌開始滑移，此時鋼軌接頭滑移阻力不再增加;②隨著螺栓安裝扭矩的增大，鋼軌接頭滑移阻力也隨之增大，基本呈線性增長。

高速鐵路無縫道岔間隔鐵塊數、螺栓數量較提速線、秦沈客專要多，滑移阻力變大(增幅也較大)。根據已有研究成果，增加間隔鐵數量，對單個間隔鐵的受力十分有利;增加間隔鐵緊固力，對間隔鐵螺栓的受力也是有利的。間隔鐵阻力越大，尖軌跟端的伸縮位移越小，同時也將有更多的溫度力由尖軌傳遞給導軌，繼而傳遞給基本軌。

3 結論

在海南東環鐵路進行了高速鐵路無縫道岔的道床縱向阻力現場試驗，京石客運專線進行了鋼軌扣件阻力現場試驗，國家軌道工程重點實驗室進行了道岔尖軌跟端傳力結構間隔鐵、限位器的滑移阻力剛度以及普通鋼軌接頭摩阻力剛度的室內試驗，得出了5個基礎參數的力—位移關系曲線。

1)時速250 km/h的有砟道岔混凝土岔枕道床縱向阻力最大值在40～48 kN。

2)對扣件多節點阻力剛度進行了測試，高速無縫道岔普通墊板扣件縱向阻力最大值為單節點29.4 kN、兩節點23.2 kN、三節點24.7 kN，縱向傳力性能優于傳統的彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型扣件。

3)對滑床臺扣件縱向阻力剛度進行了試驗測試，縱向阻力最大值為單節點26.1 kN、兩節點20.9 kN、三節點23.3 kN，相應數值小于普通墊板扣件的縱向阻力。

4)對普通鋼軌接頭摩擦阻力進行了測試，螺栓扭矩按 800，900，1 000 N·m，其測試結果分別為 628，736，819 kN，較提速線、秦沈客專的接頭阻力傳力性能有了較大提升。

5)首次對無縫道岔尖軌跟端限位器結構滑移阻力進行了測試，螺栓扭矩按800，900，1 000 N·m，其測試結果分別為180，208，240 kN。

6)對道岔尖軌跟端間隔鐵結構滑移阻力進行了測試，螺栓扭矩按800，900，1 000 N·m，其測試結果分別為185，220，250 kN，數值稍大于限位器結構。高速無縫道岔由于增加了間隔鐵數量，阻力剛度較以前的結構形式大為提升，有利于減少尖軌跟端的伸縮位移。

［1］中國鐵道科學研究院.高速鐵路無縫道岔基礎參數的研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2009.

［2］王樹國，林吉生.大號碼無縫道岔溫度力和變形的有限元計算［J］.中國鐵道科學，2005(5):68-72.

［3］蔣金洲，魏周春，梁晨，等.高速鐵路高架橋無縫道岔“渭南模式”的試驗研究［J］.鐵道建筑，2011(6):123-127.

［4］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.

［5］中國鐵道科學研究院.鄭西客運專線新渭南站橋上無縫道岔試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2010.

［6］康熊.鐵路試驗檢測評估技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2012.