溫度場作用下市域鐵路橋上無縫道岔單渡線力學特性研究

曲 村 韓海燕 劉 薇

(1. 北京城建設計發展集團股份有限公司,北京 100037; 2. 北京市軌道結構工程技術研究中心,北京 100037;3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程研究中心,北京 100037)

1 研究背景

目前,城市軌道交通已經成為解決大中城市交通擁堵問題的主要方式。 截至2021 年12 月31 日,我國大陸地區已有51 座城市、共計269 條線路建成并投入運營,總里程達8 708 km。 線路里程的增長導致城市軌道交通系統形式呈現多樣化,除傳統的地鐵系統外,城際間的市域鐵路也正在蓬勃發展[1-3]。

在京津冀、長三角、粵港澳等主要都市圈,市域鐵路在設計方案上主要采用取消鋼軌接頭的跨區間無縫線路技術,無縫線路技術具有行駛穩定性好、旅客舒適度高、維修量減少、振動與噪聲小、軌道結構使用壽命長等優點。 由于市域鐵路連通不同城市,經常需要跨越大江大河,會采用大量長大橋梁并鋪設橋上無縫道岔。 因此,相較于普通城市軌道交通,又產生一系列技術難點:如道岔無縫化設計[4-7]、長大橋梁對無縫道岔的影響[8-12]、道岔群之間的相互影響[13-14],以及道岔結構優化設計[15-16]等。

目前,針對高速鐵路橋上無縫道岔力學特征的相關研究較多,但針對市域鐵路橋上無縫道岔群的研究尚屬空白,設計依據和實踐經驗較為缺乏。 隨著我國各大都市圈交通建設的開展,凾需結合市域鐵路建設的特點及需求,開展市域鐵路橋上無縫道岔群關鍵技術研究。

以下將針對市域鐵路的特點,通過建立完善的市域鐵路連續梁橋上無縫道岔耦合仿真分析模型,考慮無縫道岔型式、細部構造、間隔鐵或限位器阻力、扣件阻力、道岔間相互作用、橋梁型式和結構尺寸、橋墩剛度和支座布置方式等,研究分析溫度場作用下市域鐵路橋上無縫道岔單渡線的力學特性,對軌道、橋梁、線路等專業提出合理的設計優化建議。

2 建立仿真模型

2.1 整體結構布局

以鋪設市域鐵路用60 kg/m 鋼軌12 號無砟軌道可動心軌無縫道岔4.6 m 線間距單渡線的(48.85+80+48.85) m 連續梁為例,連續梁兩側各考慮5 跨32.7 m 簡支梁作為輔助跨。 第一組道岔端部距離最近的連續梁端40.0 m,兩組道岔的岔心之間沿線路方向距離為55.2 m。

道岔編號、橋梁支座布置方式及單渡線與橋梁之間關系見圖1,單渡線中各線鋼軌編號見圖2。

圖1 市域鐵路橋上無縫道岔單渡線布置情況

圖2 市域鐵路橋上無縫道岔單渡線鋼軌編號

2.2 鋼軌和扣件

采用非線性彈簧單元進行模擬。 路基地段和橋上非岔區,采用 WJ - 8B 型扣件, 扣件縱向阻力參考TB10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》[17],扣件橫向剛度參考相關試驗和研究報告,取50 kN/mm;橋上道岔區采用Ⅱ型彈條扣件,扣件阻力參考試驗得到的扣件位移-縱向阻力曲線。

2.3 道岔轉轍器

市域鐵路用60 kg/m 鋼軌12 號無砟軌道可動心軌無縫道岔尖軌跟端傳力結構按照2 螺栓限位器考慮。

根據室內實驗,含2 螺栓的限位器(間隙值按10 mm 考慮)的位移-縱向阻力曲線見圖3。

圖3 限位器位移-縱向阻力曲線

尖軌跟端的2 螺栓限位器采用非線性彈簧單元進行模擬,見圖4。

圖4 尖軌跟端限位器彈簧單元模型

模型中,60 kg/m 鋼軌采用梁單元進行模擬;扣件

2.4 可動心軌轍叉

市域鐵路用60 kg/m 鋼軌12 號無砟軌道可動心軌無縫道岔翼軌前端設置2 螺栓間隔鐵,翼軌末端設置3 螺栓間隔鐵。

根據室內實驗,含2 螺栓的間隔鐵的位移-縱向阻力曲線見圖5,含3 螺栓的間隔鐵的位移-縱向阻力曲線見圖6。

圖5 間隔鐵位移-縱向阻力曲線

圖6 間隔鐵位移-縱向阻力曲線

翼軌前端的2 螺栓間隔鐵和翼軌末端的3 螺栓間隔鐵均采用非線性彈簧單元進行模擬,見圖7、圖8。

圖7 翼軌前端2 螺栓間隔鐵彈簧單元模型

圖8 翼軌末端3 螺栓間隔鐵彈簧單元模型

2.5 道岔整體有限元模型

由以上鋼軌、扣件、限位器、間隔鐵等組成的市域鐵路用60 kg/m 鋼軌12 號無砟軌道可動心軌無縫道岔整體有限元模型見圖9。

圖9 單開道岔整體有限元模型

由兩組60 kg/m 鋼軌12 號無砟軌道可動心軌無縫道岔組成的4.6 m 線間距單渡線整體有限元模型見圖10。

圖10 單渡線整體有限元模型

2.6 橋上無縫道岔單渡線空間耦合模型

橋梁混凝土強度等級為C50,采用實體單元進行模擬,見圖11。

圖11 連續梁實體單元模型

以上各部分組成市域鐵路橋上無縫道岔單渡線空間耦合有限元模型。

2.7 溫度荷載

我國幅員遼闊,溫度幅度差異較大,根據既有觀測數據及研究成果,主要考慮鋼軌溫度變化幅度最大60 ℃工況,后續再與鋼軌變化幅度55 ℃和50 ℃工況進行比較。 橋梁溫度變化幅度參考TB10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》[17],最大年溫差取30 ℃。

3 溫度場作用下的力學特性分析

3.1 鋼軌溫度力計算結果

為方便對市域鐵路橋上無縫道岔鋼軌受力與變形的表示,對全部鋼軌進行編號,見圖2。

在溫度場作用下,鋼軌溫度力分布見圖12。 鋼軌溫度力最大值為1 569.118 kN,位于連續梁右端遠離固定支座一側的梁縫處,該處梁軌相對位移也最大。鋼軌伸縮附加力最大值為417.591 kN,達到基本溫度力(1 151.527 kN)的36.26%。

圖12 橋上無縫道岔單渡線鋼軌溫度力分布

相同計算參數條件下,橋上無縫線路的鋼軌溫度力最大值為1 562.016 kN,略小于橋上無縫道岔單渡線計算結果,同樣位于連續梁右端遠離固定支座一側的梁縫處。 鋼軌伸縮附加力最大值為410.489 kN,也略小于橋上無縫道岔單渡線計算結果。

由此可知,在溫度場的作用下,由于市域鐵路無縫道岔鋪設位置距離連續梁端部較遠,參考TB 10624—2020《市域(郊)鐵路設計規范》[18]規定(“道岔始端、終端至梁縫距離”溫暖地區不小于10 m、寒冷地區不小于18 m),第一組道岔端部距離連續梁端40 m,第二組道岔端部距離連續梁端也有將近50 m。 因此,鋼軌伸縮附加力最大值受無縫道岔單渡線影響較小,受固定支座位置至活動支座端距離影響較大。

3.2 鋼軌縱向位移計算結果

在溫度場作用下,鋼軌縱向位移分布見圖13。 兩組道岔的尖軌尖端絕對位移和相對位移最大值、心軌尖端絕對位移和相對位移最大值見表1。

圖13 橋上無縫道岔單渡線鋼軌縱向位移分布

表1 橋上無縫道岔鋼軌縱向位移計算結果對比 mm

由表1 可知,由于2 組道岔鋪設在連續梁橋上的位置不同,受橋梁不同位置伸縮變形量的影響,道岔尖軌和心軌的絕對位移差距較大,距離固定支座位置越遠,絕對位移越大;而尖軌尖端與對應基本軌或心軌尖端與對應翼軌的相對位移差距不大。 后續計算分析以2 組道岔的計算結果中較大值進行。

3.3 道岔傳力結構受力計算結果

在溫度場的作用下,尖軌跟端限位器和翼軌末端間隔鐵等道岔傳力結構的縱向力計算結果見表2。

表2 橋上無縫道岔傳力結構縱向受力計算結果對比kN

由表2 可知,雖然2 組道岔鋪設在連續梁橋上的位置不同,但由于尖軌跟端與對應基本軌或心軌跟端與對應翼軌的相對位移差距不大,所以對應位置處的傳力結構縱向受力相差不大。 后續計算分析以2 組道岔的計算結果中較大值進行。

3.4 橋墩縱向受力計算結果

在溫度場的作用下,連續梁固定支座所在橋墩縱向受力為599.150 kN,兩側簡支梁固定支座所在橋墩縱向受力最大值為371.060 kN。

相同參數條件下,橋上無縫線路的連續梁固定支座所在橋墩縱向受力為591.240 kN,兩側簡支梁固定支座所在橋墩縱向受力最大值為365.556 kN。 略小于橋上無縫道岔單渡線的計算結果,但差距不大。 說明當市域鐵路無縫道岔鋪設位置距離連續梁端部較遠時,橋墩的伸縮附加力最大值受無縫道岔單渡線影響較小。

3.5 梁縫變化量計算結果

在溫度場的作用下,連續梁兩端的梁縫變化量分別為19.777 mm 和27.126 mm。 說明梁縫變化量受到梁端與固定支座位置距離影響較大,距離固定支座越遠,橋梁端部的變形量越大。

4 鋼軌溫差影響分析

4.1 鋼軌溫度力計算結果

本節主要分析市域鐵路橋上60 kg/m 鋼軌12 號無砟軌道可動心軌無縫道岔4.6 m 線間距單渡線各項力學特性受鋼軌溫差的影響,考慮以下3 種工況。

工況1:鋼軌溫差60 ℃(基本工況)。

工況2:鋼軌溫差50 ℃。

工況3:鋼軌溫差40 ℃。

在溫度場的作用下,鋼軌縱向受力計算結果對比見表3。 表3 中,“鋼軌伸縮附加力”為橋梁與鋼軌因溫度變化產生的縱向相對位移引起的縱向力。

表3 橋上無縫道岔鋼軌縱向受力計算結果對比

由表3 可知,隨著鋼軌溫差減小,鋼軌伸縮附加力最大值略有減小,結合前述3.1 節計算結果和結論,進一步驗證“由于市域鐵路無縫道岔鋪設位置距離連續梁端部較遠,鋼軌伸縮附加力最大值受無縫道岔單渡線影響較小,主要受橋梁溫差造成的橋梁伸縮影響更大”的結論,其受力特征與橋上無縫線路相同。

4.2 鋼軌縱向位移計算結果

在溫度場的作用下,鋼軌縱向位移計算結果對比見表4。

表4 橋上無縫道岔鋼軌縱向位移計算結果對比 mm

由表4 可知,隨著鋼軌溫差減小,尖軌尖端和心軌尖端的絕對位移與相對位移均明顯減小,說明鋼軌溫差對于道岔本身變形影響較大。

4.3 道岔傳力結構受力計算結果

在溫度場的作用下,道岔傳力結構的縱向力計算結果對比見表5。

表5 橋上無縫道岔傳力結構縱向受力計算結果對比 kN

由表5 可知,隨著鋼軌溫差減小,尖軌跟端和翼軌末端傳力結構的縱向力均明顯減小,說明鋼軌溫差對道岔本身受力影響也較大。

4.4 橋墩縱向受力計算結果

在溫度場的作用下,橋墩縱向力計算結果對比見表6。

表6 橋上無縫道岔橋墩縱向受力計算結果對比 kN

由表6 可知,隨著鋼軌溫差減小,橋墩受力略有減小,基本變化大不,結合3.4 節中計算結果和結論,進一步驗證“由于市域鐵路無縫道岔鋪設位置距離連續梁端部較遠,橋墩的伸縮附加力最大值受無縫道岔單渡線影響較小,受橋梁溫差造成的橋梁伸縮影響更大”的結論,其受力特征與橋上無縫線路相同。

4.5 梁縫變化量計算結果

在溫度場的作用下,梁縫變化量計算結果對比見表7。

表7 橋上無縫道岔梁縫變化量計算結果對比mm

由表7 可知,隨著鋼軌溫差減小,梁縫變化量略有減小,結合3.5 節計算結果和結論,也驗證4.4 節中的結論。

5 結論

在溫度場的作用下,由于市域鐵路無縫道岔鋪設位置距離連續梁端部較遠,鋼軌和橋墩伸縮附加力最大值及橋梁的變形受無縫道岔單渡線影響較小,受橋梁溫差造成的橋梁伸縮影響更大,與橋上無縫線路相同;而鋼軌溫差對于道岔本身的受力和變形影響較大,仍然不可忽視。

在實際工程的設計工作中,如需初步提供市域鐵路橋上無縫道岔單渡線的橋墩力,可先采用相同參數條件下橋上無縫線路進行計算,以簡化設計過程;若需對橋上無縫道岔本身軌道結構的受力與變形進行檢算,應建立詳細的橋上無縫道岔仿真分析模型開展計算研究,以保證結果的真實可靠。