武广铁路客运专线桥上无缝道岔设计研究

李秋义

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

桥上无缝道岔技术在德国、法国、日本、中国台湾等高速铁路上都曾得到了应用。德国和法国建立了轨道-桥梁有限元计算模型,研究了道岔和桥梁位置关系。中国台湾高速铁路采用了德国桥上无缝道岔设计技术,采用轨枕埋入式无砟轨道和德国BWG公司道岔。目前,我国正在建设的客运专线有多组道岔以各种形式布置桥上,桥上无缝道岔设计已经成为客运专线的关键技术之一。桥上无缝道岔问题已经引起国内学者高度重视,已有相关研究成果相继发表[1～5]。武广铁路客运专线乐昌东站南咽喉正线有4组18号道岔位于昌山特大桥上,乐昌东站桥上无缝道岔设计是轨道工程的技术难点之一(图1)。

图1 乐昌东站桥上道岔

本文分析了桥上无缝道岔受力与变形规律及力学传递机理,提出了道岔与桥梁相互作用原理,建立了“岔-梁-墩一体化”计算模型,基于有限单元法提出了道岔与桥梁相互作用计算方法。以武广铁路客运专线乐昌东站南咽喉昌山特大桥桥上无砟无缝道岔为例介绍桥上无缝道岔的设计方法。

2 桥上无缝道岔非线性有限元计算方法

2.1 道岔-桥梁相互作用原理

道岔-桥梁相互作用原理是桥上无缝道岔纵向力和位移计算的理论基础。道岔-桥梁相互作用原理可以定义如下：在梁体温度变化、列车荷载、列车制动/加速以及道岔里轨随温度变化伸缩的作用下,梁和桥上轨道(包括道岔)之间产生相对位移,桥上轨道(包括道岔)产生钢轨纵向附加力,对桥面系作用大小相等、方向相反的反作用力,此力通过梁、支座传递至墩台,在桥上轨道(包括道岔)与桥梁之间形成一个相互作用的力学平衡体系。道岔与桥梁相互作用力包括伸缩力、挠曲力、断轨力、制动力。道岔与桥梁之间的相互作用如图2所示。

图2 道岔与桥梁相互作用

2.2 道岔-桥梁相互作用计算模型

本文利用有限元方法建立了无砟轨道“岔-梁-墩”相互作用的一体化模型(图3、图4),把桥上无缝道岔结构看作一个由道岔、轨道板、梁体组成三层结构体系,道岔和轨道板之间的扣件采用弹簧模拟,轨道板和梁体通过弹簧连接。

图3 桥上无砟无缝道岔模型平面

图4 桥上无砟无缝道岔模型立面

2.3 求解方法

根据“岔-梁-墩”一体化模型,基于ANSYS二次开发技术编制了梁轨相互作用非线性有限元程序,利用APDL语言(命令流技术)来控制程序流程,自动完成有限元建模、荷载的施加、方程的求解,可提高计算精度和工作效率。

3 桥上无缝道岔设计方法

3.1 桥上无缝道岔设计的专业接口关系

桥上无缝道岔设计过程中涉及到站场、桥梁、轨道3个专业,需要桥梁、轨道、站场专业之间的紧密配合、科学论证、不断优化。首先，站场专业根据车站的功能进行道岔的布置,然后桥梁专业进行桥梁孔跨的布置以及道岔梁设计,轨道专业对桥上无缝道岔进行设计检算,提出道岔和桥梁布置的调整意见,并提供桥梁专业墩台附加力,桥梁和站场专业对方案调整后轨道专业重新检算,直至各项检算通过,最后确定三方均能接受的方案。桥上无缝道岔设计的专业接口关系如图5所示。

图5 桥上无缝道岔设计的专业接口关系

3.2 桥上无缝道岔设计检算的内容

(1)桥上无缝道岔钢轨附加力和位移的计算。包括钢轨伸缩力、挠曲力、制动力和位移计算。

(2)墩台附加力计算及墩台检算。包括墩台伸缩、挠曲、制动附加力、断轨力的计算，荷载组合，墩台检算。

(3)桥上无缝道岔检算。包括钢轨应力检算，岔区无缝线路稳定性(有砟轨道)、道岔限位器和间隔铁螺栓强度检算，钢轨断缝检算，转辙器位移、辙叉部分钢轨允许位移检算，设计锁定轨温的确定。

3.3 桥上无缝道岔的设计流程

桥上无缝道岔设计流程包括四个步骤：(1)道岔和桥梁的布置；(2)钢轨力和位移计算；(3)道岔辙叉和转辙器处梁轨相对位移检算；(4)道岔及桥梁相关检算。

3.4 桥上无缝道岔设计技术发展方向

根据国外的桥上无缝道岔的发展历程、设计理念和铺设实践,可以总结出我国桥上无缝道岔技术发展方向。

(1)结合中国实际情况,坚持走以我为主的自主创新之路。

我国客运专线采用道岔类型及结构、桥梁结构形式、桥上无缝道岔铺设的地理环境和气候条件、建设及运营管理都与国外有明显的区别,要解决我国桥上无缝道岔问题,不能完全照搬国外的模式,必须走出一条自主创新之路,建立一套自己的具有中国特色的计算理论和设计方法。

(2)运用系统工程的思想,将道岔和桥梁作为一个大系统,综合研究道岔和桥梁的纵横向相互作用。采用有限元计算模型和计算方法分析道岔和桥梁的受力和变形。根据实测资料,通过统计分析确定设计参数,并尽可能采用非线性参数以提高计算精度。

(3)桥上无缝道岔设计,除了满足强度和稳定性要求之外,应严格控制道岔与桥梁相对位移。

(4)从大系统角度出发,综合运用车辆动力学、轮轨相互作用原理、道岔动力学、桥梁动力学原理,建立列车、道岔、桥梁的耦合大系统动力学分析模型,进行车岔桥动力仿真分析,评估列车运行安全性和舒适性。

(5)理论与实践相结合,通过桥上无缝道岔静力和动力试验研究,验证计算理论和设计方法。

4 工程实例

本文以武广铁路客运专线乐昌东站南咽喉昌山特大桥上无砟无缝道岔为例，介绍桥上无缝道岔设计方法和流程。昌山特大桥采用无砟轨道,中心里程DK1 944+691.22,桥全长863.79 m,桥跨布置为4-32 m简支箱梁+1-32 m异型简支箱梁+5×32 m连续梁+1-32 m简支箱梁+6×32 m连续梁+9-32 m简支箱梁。咽喉区6、8号道岔位于5×32 m变宽连续梁上,单渡线2、4号位于6×32 m连续梁。采用新铁德奥18号高速无砟道岔,岔区采用轨枕埋入式无砟轨道。道岔-桥梁布置形式见图6。

图6 乐昌东站道岔-桥梁布置(单位：m)

(1)钢轨伸缩力和梁轨相对位移

采用道岔-桥梁相互作用程序，计算桥上无缝道岔钢轨伸缩附加力及梁轨相对位移见图7、图8,钢轨最大附加拉力319.11 kN,最大附加压力529.14 kN,最大梁轨相对位移6.2 mm。

图7 钢轨伸缩附加力

图8 梁轨伸缩相对位移

(2)钢轨挠曲力和梁轨相对位移

钢轨挠曲附加力及梁轨相对位移见图9、图10,钢轨最大挠曲附加拉力54.8 kN,最大挠曲附加压力87.7 kN,最大梁轨相对位移0.30 mm。

图9 钢轨挠曲附加力

图10 梁轨挠曲相对位移

(3)钢轨制动力和梁轨相对位移

钢轨制动附加力及梁轨相对位移见图11、图12,钢轨最大制动附加拉力172.5 kN,最大制动附加压力89.5 kN,最大梁轨相对位移0.5 mm。

图11 钢轨制动附加力

图12 梁轨制动相对位移

(4)梁轨相对总位移

梁轨相对总位移计算应考虑最不利的组合,即钢轨与桥梁总相对位移=伸缩相对位移+挠曲相对位移+制动相对位移,梁轨相对总位移见图13。

图13 梁轨相对总位移

从图13可以统计出正线各组道岔敏感部位(辙叉和转辙器)与桥梁最大相对位移辙叉与桥梁相对位移0.25 mm,转辙器与桥梁相对位移6.2 mm。

(5)检算结果

转辙器和辙叉处相对位移、道岔钢轨强度、岔区无缝线路稳定性、道岔限位器、螺栓剪力检算、断缝检算结果见表1。

表1 检算结果

可见,乐昌东站桥上无缝道岔辙叉处和转辙器处相对位移、道岔钢轨强度、稳定性、断缝检算均满足要求。

5 结语

“岔-梁-墩一体化”计算模型真实地反映了道岔与桥梁相互作用关系,有限元计算方法可以较为准确地分析道岔和桥梁的受力和变形,道岔强度、稳定性、道岔与桥梁相对位移多重控制的设计理念确保了桥上道岔结构的安全。从武广铁路客运专线联调联试的效果来看,乐昌东站桥上无缝道岔的安全性和舒适性指标满足要求,运营状态良好,初步经受了实践的考验,今后将继续跟踪武广铁路客运专线乐昌东站桥上无缝道岔运营状况,进一步完善客运专线桥上无缝道岔设计。

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