市域(郊)鐵路橋上無縫道岔至梁縫距離研究

韓志剛

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063; 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室,武漢 430063)

引言

市域(郊)鐵路一般橋梁占比較高,結合車站配線設計,道岔不可避免需要設置在高架站前后道岔連續梁上。考慮市域(郊)鐵路設計速度100～160 km/h介于地鐵和高鐵之間,相對地鐵而言,其速度較高,輪軌動力作用較大,振動和沖擊對周圍環境影響大,因此,市域(郊)鐵路橋上道岔設計不宜采用地鐵傳統的“有縫+凍結接頭”模式,將道岔無縫化采用跨區間無縫線路技術是市域(郊)鐵路道岔區設計的首選[1-2]。

地鐵正線一般采用9號道岔,而高速鐵路正線一般采用18號道岔,結合溫州、臺州等市域(郊)鐵路項目道岔技術研究及應用,市域(郊)鐵路橋上推薦采用12號可動心軌道岔。該道岔具有良好的平順性,可動心軌轍叉不存在“有害空間”,能大幅降低列車過轍叉時產生的振動沖擊和噪聲,提高列車運行的平穩性,減少對周邊環境的影響[3-5]。

由于TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》[6]中對橋上道岔布置規定:“正線道岔不應跨越梁縫,道岔始端、終端至梁縫距離不應小于18 m”,考慮此規定要求嚴格,限制市域(郊)鐵路道岔連續梁及高架站布置設計。基于“道岔-橋梁”相互作用原理,建立“岔-板-梁-墩”一體化12號無砟軌道、無縫道岔有限元模型,考慮我國溫暖及寒冷地區溫度差異特點,針對常用12號單開道岔及4.3 m線間距渡線道岔至梁縫距離進行研究分析[7-8]。

1 橋上無縫道岔計算模型

建立市域(郊)鐵路無砟軌道“岔-板-梁-墩”相互作用的一體化有限元模型[9-11],模型平面及立面分別如圖1、圖2所示。橋上無縫道岔結構由道岔、軌道板、梁體、橋墩四部分組成,道岔和軌道板之間的扣件采用彈簧模擬,軌道板和梁體通過彈簧連接。模型中道岔鋼軌、橋梁均采用Beam3梁單元模擬;橋梁固定支座采用Combin14彈簧單元模擬;軌道板與橋梁之間縱向連接采用Combin39非線性彈簧單元模擬[12-13]。

圖1 橋上無砟軌道無縫道岔模型平面Fig.1 Model plane of continuous welded turnout ballastless track on bridge

圖2 橋上無砟軌道無縫道岔模型立面Fig.2 Model elevation of continuous welded turnout ballastless track on bridge

2 橋上無縫道岔設計技術要求

參照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》,以道岔鋼軌強度、尖軌、心軌、轉轍機處位移及鋼軌斷縫值作為有限元計算分析限值條件[14-15]。

(1)鋼軌軌底動彎應力、鋼軌溫度應力、鋼軌附加應力及鋼軌制動力之和小于鋼軌容許應力。

[σd]+[σt]+[σf]+[σz]<[σ]

(1)

式中,[σ]為鋼軌容許應力;[σd]為鋼軌動彎應力;[σt]為鋼軌溫度應力;[σf]為鋼軌附加應力;[σz]為牽引(制動)應力。道岔鋼軌采用U75V,鋼軌允許應力363.08 MPa。

(2)尖軌尖端絕對位移允許值40 mm,尖軌尖端相對基本軌伸縮位移允許值20 mm,心軌尖端絕對位移允許值20 mm,心軌尖端相對翼軌伸縮位移允許值6 mm,轉轍機處基本軌與橋梁相對位移允許值5 mm。

(3)鋼軌折斷允許斷縫值,一般取70 mm,困難條件下取90 mm。

3 計算工況和計算參數

對市域(郊)鐵路橋上常用的單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔建立有限元模型,分別計算道岔鋼軌縱向附加力、尖軌、心軌及轉轍機位移、道岔鋼軌斷縫值[16-17],提出市域(郊)鐵路橋上無縫道岔至梁縫合理距離限值。

3.1 計算工況

(1)單開道岔橋跨布置采用5-35 m簡支梁+(4×L)的道岔連續梁+5-35 m簡支梁[18-19],如圖3所示,其中道岔始終端距梁縫的取值x分別為6,8,10,12 m和18 m 五種工況,對應的梁長L分別為13.8,14.8,15.8,16.8 m和19.8 m。

圖3 單開道岔平面及橋跨布置Fig.3 Layout of single turnout plane and bridge span

(2)4.3 m線間距渡線道岔橋跨布置采用5-35 m簡支梁+(4×L) m的道岔連續梁+5-35 m簡支梁,如圖4所示,其中道岔始終端距梁縫的取值x分別為6,8,10,12 m和18 m五種工況,對應的梁長L分別為24.2,25.2,26.2,27.2 m和30.2 m。

圖4 4.3 m線間距渡線道岔平面及橋跨布置Fig.4 Layout of 4.3 m spacing crossover turnout plane and bridge span

3.2 計算參數

(1)道岔參數:采用60 kg/m U75V鋼軌,直向允許過岔速度160 km/h,側向過岔速度50 km/h。道岔尖軌為復曲線型,R1為450 717.5 mm,R2為350 717.5 mm,R1相離9.5 mm,R2相離25 mm,R1實際起點在曲線尖軌33.08 mm斷面處,公切點處支距為79.3 mm。采用彈性可彎尖軌,尖軌尖端為藏尖式,跟端采用限位器傳力機構。扣件采用彈條Ⅱ型扣件,岔區整體剛度為22.5～27.5 kN/m。道岔平面布置如圖5所示,全長43.2 m。

圖5 12號道岔平面布置(單位:mm)Fig.5 General layout of No.12 turnout (unit: mm)

(2)溫度參數:無砟道岔梁年溫差取值30 ℃;根據秦嶺—淮河分為溫暖及寒冷兩大區域,以北為寒冷地區,以南為溫暖地區。道岔鋼軌溫差按30 ℃、40 ℃(溫暖地區),50 ℃(寒冷地區)取值。

4 無縫線路計算結果

鑒于兩種道岔計算工況共30種結果較多,僅以單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔第二股道為例,取道岔始終端距梁縫6,12 m和18 m三種工況的計算結果為例進行規律分析。

(1)縱向伸縮附加力

不同道岔始終端距梁縫距離工況,降溫30 ℃下單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔鋼軌伸縮力分別如圖6所示。

圖6 鋼軌縱向伸縮力Fig.6 Longitudinal expansion and contraction force of rail

由圖6(a)可以看出,單開道岔鋼軌降溫30 ℃縱向伸縮附加力最大值均出現在第一個道岔梁的右端梁縫處。由圖6(b)可以看出,4.3 m線間距渡線道岔降溫30 ℃鋼軌伸縮附加力最大值均出現在第一個道岔梁的左端梁縫處。

當最大溫降取值分別為30 ℃、40 ℃和50 ℃時,單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔不同道岔始終端距梁縫距離鋼軌最大伸縮附加力分別如表1、表2所示。

表1 單開道岔鋼軌縱向伸縮附加力 kNTab.1 Additional longitudinal expansion and contraction force on rail for single turnout

表2 4.3 m線間距渡線道岔軌縱向伸縮附加力 kNTab.2 Additional longitudinal expansion and contraction force on rail for 4.3 m spacing crossover turnout

(2)制動附加力

列車從右向左入橋制動,車頭位于第一跨連續梁最右端,制動加載長度140 m,設計荷載取ZS標準荷載[20],制動力率取 0.164,列車制動加載圖示如圖7所示。

圖7 列車制動加載圖示Fig.7 Train brake loading diagram

不同道岔始終端距梁縫距離工況,降溫30 ℃下單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔鋼軌制動力分別如圖8所示。

圖8 制動工況下制動附加力Fig.8 Additional braking force on rail under braking conditions

由圖8(a)可以看出,單開道岔鋼軌降溫30 ℃鋼軌制動附加力最大值均出現在第一個道岔梁的右端梁縫處。由圖8(b)可以看出,4.3 m線間距渡線道岔降溫30 ℃鋼軌制動附加力最大值均出現在第一個道岔梁的左端梁縫處。

當最大溫降取值分別為30 ℃、40 ℃、50 ℃時,單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔不同道岔始終端距梁縫距離鋼軌最大制動附加力如表3、表4所示。

表3 單開道岔鋼軌制動附加力 kNTab.3 Additional braking force on rail for single turnout

表4 4.3 m線間距渡線道岔鋼軌制動附加力 kNTab.4 Additional braking force on rail for 4.3 m spacing crossover turnout

(3)縱向位移

不同道岔始終端距梁縫距離工況下,單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔降溫30 ℃鋼軌縱向位移、橋梁縱向位移、梁軌相對位移分別如圖9、圖10所示。

圖9 單開道岔鋼軌、橋梁位移(溫降30 ℃)Fig.9 Displacement of single turnout rail and bridge( rail temperature drop 30 ℃)

圖10 4.3 m線間距渡線道岔鋼軌、橋梁位移(溫降30 ℃)Fig.10 Displacement of 4.3 m spacing crossover turnout rail and bridge (rail temperature drop 30 ℃)

由圖9、圖10可知,靠近梁縫處,相對位移最大,自梁縫向橋跨中心,梁軌相對位移逐漸減少,如果橋跨長度足夠,梁軌相對位移減小至0,即鋼軌和橋梁在縱向上同步伸縮。對于道岔連續梁而言,其左端的溫度跨度較大,因此,左端梁縫處,鋼軌的縱向力、縱向位移,橋梁的縱向位移,梁軌相對位移均比右端梁縫處大。

當最大溫降取值分別為30 ℃、40 ℃和50 ℃時,單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔不同道岔始終端距梁縫距離曲尖軌、心軌位移分別如表5、表6所示,轉轍機處基本軌與橋梁相對位移分別如表7、表8所示。

表5 單開道岔曲尖軌、心軌位移 mmTab.5 Displacement of single turnout curved switch rail and point rail

表6 4.3 m線間距渡線曲尖軌、心軌位移 mmTab.6 Displacement of 4.3 m spacing crossover turnout curved switch rail and point rail

表7 單開道岔轉轍機基本軌與橋梁相對位移 mmTab.7 Relative displacement of basic rail at switch machine and bridge for single turnout

表8 4.3 m線間距渡線轉轍機基本軌與橋梁相對位移 mmTab.8 Relative displacement of basic rail at switch machine and bridge for 4.3 m spacing crossover turnout

由表5可以看出,當最大溫降取50 ℃時,單開道岔始終端距梁縫6,8,10 m和12 m的心軌尖端相對于翼軌伸縮位移均大于6 mm,不滿足限值要求;且道岔始終端距梁縫6 m和8 m的心軌尖端絕對位移大于20 mm,不能滿足限值要求。

由表6可以看出,4.3 m線間距渡線道岔各項位移指標均滿足限值要求。

由表7可以看出,當最大溫降取30 ℃、40 ℃時,單開道岔始終端距梁縫6 m和8 m時,第一處轉轍機處基本軌與橋梁相對位移均大于5 mm,不能滿足限值要求。當最大溫降取50 ℃時,單開道岔始終端距梁縫6,8 m和10 m時,第一處轉轍機處基本軌與橋梁相對位移均大于5 mm,不能滿足限值要求。

由表8可以看出,當最大溫降取30 ℃、40 ℃、50 ℃時,4.3 m線間距渡線道岔始終端距梁縫6 m時,第一處轉轍機處基本軌與橋梁相對位移均大于5 mm,不能滿足限值要求。

(4)鋼軌斷縫計算結果

單開道岔鋼軌最大伸縮附加力出現在道岔連續梁的右端梁端處,在此處進行斷軌計算。當最大溫降取值分別為30 ℃、40 ℃和50 ℃時,單開道岔不同道岔始終端距梁縫距離鋼軌斷縫值如表9所示。

表9 單開道岔鋼軌斷縫值 mmTab.9 Rail broken gap value for single turnout

4.3 m線間距渡線道岔鋼軌最大伸縮附加力出現在道岔連續梁的左端梁端處,在此處進行斷軌計算。當最大溫降取值分別為30 ℃、40 ℃和50 ℃時,4.3 m線間距渡線道岔不同道岔始終端距梁縫距離鋼軌斷縫值如表10所示。

表10 4.3 m線間距渡線道岔鋼軌斷縫值 mmTab.10 Rail broken gap value for 4.3 m spacing crossover turnout

由表9、表10可以看出,當最大溫降取30 ℃、40 ℃、50 ℃時,單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔鋼軌斷縫值均不大于90 mm,滿足限值要求。

(5)道岔鋼軌強度計算結果

根據《鐵路無縫線路設計規范》,當最大溫降取值分別為30 ℃、40 ℃、50 ℃下的鋼軌最大溫度拉應力分別為72.9,97.3,121.5 MPa。鋼軌軌底動彎拉應力為[σd]=103.264 MPa。結合前面計算的伸縮附加力及制動附加力結果,當最大溫降取值為30 ℃、40 ℃和50 ℃時,單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔不同道岔始終端距梁縫距離鋼軌強度計算均小于363.08 MPa,滿足限值要求。

5 結語

針對市域(郊)鐵路線常用橋上12號單開道岔、4.3 m線間距渡線道岔,當最大溫降分別取30 ℃、40 ℃、50 ℃時,道岔至梁縫的距離分別取6,8,10,12 m和18 m五種工況,以道岔鋼軌強度條件、尖軌、心軌、轉轍機處位移及鋼軌斷縫值為判定條件,研究了市域(郊)鐵路橋上無縫道岔至梁縫合理距離限值,得到以下結論。

(1)道岔始終端與梁縫距離越大,尖軌尖端絕對位移、心軌尖端絕對位移均明顯減小,轉轍機處基本軌與橋梁相對位移值也隨著道岔始終端與梁縫距離的增加而減小。

(2)道岔始終端距梁縫6,8,10,12 m和18 m等工況,鋼軌伸縮力和制動力結果差別不大,鋼軌強度及斷縫值不是限制因素。

(3)溫暖地區道岔始終端距離梁縫不小于10 m時各項位移指標均能滿足限值要求,寒冷地區道岔始終端距離梁縫不小于18 m可以滿足限值要求,相關研究成果納入TB10624—2020《市域(郊)鐵路設計規范》。