四線橋上鋪設(shè)無縫道岔群與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器研究

李保友

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 引言

玉磨鐵路是中老昆萬鐵路國(guó)內(nèi)段，位于云南省南部，起點(diǎn)是玉溪站，終點(diǎn)是中老邊境磨憨口岸。本線正線為160 km/h客貨共線鐵路，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。正線以鋪設(shè)有砟軌道為主，在地質(zhì)情況良好且長(zhǎng)度大于6 km的隧道內(nèi)鋪設(shè)彈性支承塊式無砟軌道。南溪河站位于元江站與墨江站之間，為緩開越行站，車站設(shè)到發(fā)線4條（含正線2條，到發(fā)線2條），到發(fā)線有效長(zhǎng)度按880 m設(shè)計(jì)。車站小里程5#～7#單渡線和9#道岔位于南溪河四線橋上。受地形和地物控制，南溪河四線橋橋跨布置采用2×32 m+44 m+80 m+44 m道岔連續(xù)梁+2×32m簡(jiǎn)支T梁+43 m+96 m+2×128 m+96 m+43 m剛構(gòu)連續(xù)梁+2×32 m簡(jiǎn)支T梁，橋梁全長(zhǎng)913.8 m，主墩墩高分別為90 m、125 m、107 m，橋梁總布置圖見圖1。

道岔里軌由于溫度變化引起的伸縮不僅造成里軌與基本軌相互作用，而且通過扣件、橋面系引起道岔與橋梁的相互作用。道岔-橋梁相互作用是這兩種作用相互耦合與相互疊加后的綜合效果[1，2]。本橋道岔梁與大跨度主橋臨近，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)橋上鋪設(shè)無縫道岔群后，道岔群與道岔梁和大跨度連續(xù)梁之間的相互作用更加復(fù)雜，使得橋上無縫道岔群設(shè)計(jì)更為困難。道岔結(jié)構(gòu)由多個(gè)部件組成，梁軌相互作用下，道岔結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)滿足強(qiáng)度及變形要求，從而確保道岔結(jié)構(gòu)滿足轉(zhuǎn)換功能[3]。本文旨通過調(diào)整道岔群的布置位置、小阻力扣件鋪設(shè)長(zhǎng)度和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器鋪設(shè)方案，研究道岔群受力和變形特點(diǎn)，最終完成四線橋上無縫道岔設(shè)計(jì)，并提出橋上無縫道岔群設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見，為我國(guó)橋上無縫道岔群設(shè)計(jì)提供參考，最終完成無縫道岔群與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器鋪設(shè)。

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

將道岔和橋梁作為一個(gè)相互作用、相互影響的耦合系統(tǒng)，根據(jù)道岔-橋梁相互作用原理，建立“岔梁墩一體化”有限元模型，基于ANSYS二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行道岔-橋梁相互作用非線性有限元分析[4]。把橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由道岔、岔枕、梁體組成的3層結(jié)構(gòu)體系，道岔和岔枕之間的扣件采用彈簧模擬，岔枕和梁體通過彈簧連接[5]。有砟橋上無縫道岔平面模型見圖2，有砟橋上無縫道岔立面模型見圖3，橋梁墩臺(tái)與道岔布置簡(jiǎn)圖見圖4。道岔與橋梁相互作用力包括伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3、制動(dòng)/牽引力T4。

圖2 有砟橋上無縫道岔平面模型

圖3 有砟橋上無縫道岔立面模型

圖4 橋梁墩臺(tái)與道岔布置簡(jiǎn)圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

道岔采用12號(hào)GLC（08）01道岔，軌道采用60 kg/m U75V鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、新Ⅲ型混凝土橋枕、一級(jí)碎石道砟，小阻力扣件采用石龍橋小阻力扣件，最高軌溫62.5℃，最低軌溫-0.1℃，鎖定軌溫35℃±5℃，計(jì)算參數(shù)按照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。列車荷載采用中荷載，加載長(zhǎng)度取400 m，輪軌黏著系數(shù)取0.164。橋梁墩臺(tái)縱向水平單線剛度見表1。

表1 橋梁墩臺(tái)縱向水平單線剛度kN/cm

3 檢算項(xiàng)目及方法

有砟橋上無縫道岔檢算項(xiàng)目包括：鋼軌強(qiáng)度檢算、道岔聯(lián)結(jié)部件強(qiáng)度檢算、尖軌尖端相對(duì)基本軌位移檢算、可動(dòng)心軌尖端相對(duì)翼軌位移檢算、道岔轉(zhuǎn)轍器與橋梁相對(duì)位移檢算、轍叉與橋梁相對(duì)位移檢算、鋼軌斷縫檢、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢算。檢算方法按照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

4 無縫道岔群計(jì)算分析

4.1 方案一：全橋鋪設(shè)常阻力扣件

全橋鋪設(shè)常阻力扣件，主橋連續(xù)梁兩端不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，計(jì)算梁軌相對(duì)位移和鋼軌應(yīng)力，分析不滿足規(guī)范的位置和原因，有針對(duì)性地優(yōu)化無縫道岔群設(shè)計(jì)。根據(jù)道岔圖知，5#道岔與9#道岔并行布置，本文以5#道岔所在的第二股道為例進(jìn)行分析。

1）鋼軌降溫40.1℃，梁體降溫15℃，方案一第二股道鋼軌伸縮附加縱向力見圖5。

圖5 方案一第二股道鋼軌伸縮附加縱向力圖

溫降作用下基本軌最大伸縮附加拉力為777 kN。鋼軌強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 鋼軌拉應(yīng)力強(qiáng)度檢算

由表2計(jì)算結(jié)果可知，連續(xù)梁端部鋼軌強(qiáng)度不滿足要求，須優(yōu)化無縫線路設(shè)計(jì)。

2）溫降作用下道岔尖軌、心軌位移見表3。

表3 尖軌、心軌位移

由表3可知，5#道岔、7#道岔、9#道岔尖軌、心軌的位移均不滿足規(guī)范要求。主要原因是受到發(fā)線有效長(zhǎng)度控制，道岔區(qū)位于道岔梁左側(cè)，距離固定支座較遠(yuǎn)。根據(jù)梁軌相對(duì)位移關(guān)系，研究適當(dāng)降低到發(fā)線有效長(zhǎng)富余量，將道岔群中心向道岔梁固定支座方向移動(dòng)，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，道岔群需向道岔連續(xù)梁固定支座方向平移20 m，尖軌、心軌的位移才能滿足規(guī)范要求。

4.2 方案二：部分地段鋪設(shè)小阻力扣件

5#、7#、9#道岔向橋梁大里程端平移20 m，在0#～1#墩范圍內(nèi)鋪設(shè)小阻力扣件，4#～9#墩范圍內(nèi)鋪設(shè)小阻力扣件，11#～15#墩范圍內(nèi)鋪設(shè)小阻力扣件，其余位置鋪設(shè)常阻力扣件且無伸縮調(diào)節(jié)器。鎖定軌溫調(diào)整為32℃±3℃，鋼軌降溫35.1℃，梁體降溫15℃。方案二第二股道鋼軌制動(dòng)附加縱向力見圖6。方案二第二股道鋼軌斷軌時(shí)基本軌位移見圖7。溫降作用下基本軌最大伸縮附加拉力為610 k N。鋼軌拉應(yīng)力371.9 MPa大于容許應(yīng)力363.0 MPa，不滿足規(guī)范要求。

圖6 方案二第二股道鋼軌制動(dòng)附加縱向力圖

圖7 方案三第二股道鋼軌基本軌位移圖

4.3 方案三：主橋梁兩端設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

對(duì)比分析多種方案后，鋼軌強(qiáng)度仍然不滿足要求。因此，研究在主橋43 m+96 m+2×128 m+96 m+43 m連續(xù)鋼構(gòu)的兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，4#～7#墩、13#～15#墩范圍鋪設(shè)小阻力扣件。鎖定軌溫調(diào)整為32℃±3℃，鋼軌降溫35.1℃，梁體降溫15℃，方案三第二股道鋼軌伸縮附加縱向力見圖8。

圖8 方案三第二股道鋼軌伸縮附加縱向力圖

溫降作用下基本軌溫度力與附加伸縮力之和最大值為398 kN。荷載右橋入，車頭距左橋臺(tái)0 m，啟動(dòng)長(zhǎng)度400 m，最大制動(dòng)附加拉力為364 kN。鋼軌最大拉應(yīng)力339.8 MPa小于容許應(yīng)力363.0 MPa，富余量較大，可靠性好。鋼軌強(qiáng)度、斷縫值、軌道穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文采用有限單元法建立了岔-梁-墩一體化模型，分析了伸縮力和制動(dòng)力作用下鋼軌強(qiáng)度、斷縫值、道岔聯(lián)結(jié)部件強(qiáng)度、尖軌與心軌位移、軌道穩(wěn)定性、道岔轉(zhuǎn)轍器與橋梁的相對(duì)位移及轍叉與橋梁的相對(duì)位移，對(duì)比分析得出如下結(jié)論：

1）道岔布置在道岔梁端部時(shí)，梁軌相對(duì)位移較大，尖軌尖端處基本軌相對(duì)梁體位移和心軌尖端相對(duì)翼軌位移難以滿足規(guī)范要求。應(yīng)將道岔布置在梁軌位移接近的地段，困難條件下，應(yīng)優(yōu)先將道岔群向道岔梁固定支座方向移動(dòng)。

2）道岔區(qū)扣件阻力大，鋼軌應(yīng)力易超出容許應(yīng)力。因此，在道岔梁前后應(yīng)布置簡(jiǎn)支梁為宜。當(dāng)?shù)啦砣核跇蛄号c大跨度連續(xù)梁相鄰時(shí)，應(yīng)深入分析全橋梁軌相互作用，根據(jù)鋼軌受力特點(diǎn)，合理設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，嚴(yán)格控制道岔群和橋梁的位移。