岔桥相对位置对桥上无缝道岔受力和变形的影响

徐金辉，代丰，陈嵘

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

岔桥相对位置对桥上无缝道岔受力和变形的影响

徐金辉，代丰，陈嵘

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

为了进一步研究桥上无缝道岔受力和变形的特点，通过建立“岔—桥—墩”纵向相互作用一体化计算模型，分析道岔与桥梁的相对位置对钢轨、道岔、墩台等结构部件受力及变形的影响。经计算分析表明，随着道岔头部距连续梁桥左端梁缝距离的增大，基本轨伸缩附加力、伸缩位移、桥墩所受纵向力减小，翼轨末端间隔铁承受的纵向力增大;尖轨跟端限位器所承受的纵向力、尖轨与心轨相对于岔枕的纵向位移，并不随道岔头部距梁端的距离呈单向变化，只有当道岔头尾距离梁端在一定合适位置时，才能确保限位器受力、尖轨与心轨相对于岔枕的纵向位移最小。

桥上无缝道岔 连续梁桥 有砟轨道 岔桥相对位置 纵向力

桥上铺设无缝道岔是一项较复杂的系统工程，涉及无缝线路、列车轨道系统动力学、桥梁结构、站场布置等多方面的综合研究，其深度、广度和难度均要大于纯粹的桥上无缝线路和路基上无缝道岔的研究。桥上无缝道岔的受力和变形情况比较复杂，且影响因素众多，其中，岔桥相对位置是影响道岔和桥梁受力、变形的重要因素之一。本文拟以250 km/h，350 km/h客运专线铁路60 kg/m钢轨18#单开道岔为例(两道岔尺寸相同)，通过建立“岔—桥—墩”纵向相互作用一体化计算模型，分析岔桥相对位置对有砟轨道连续梁上无缝道岔和桥梁的受力和变形规律的影响。

1 计算模型与参数

1.1 计算模型

连续桥上铺设无缝道岔是国内外高速铁路上采用的主要结构形式，因为连续梁桥整体性好，在横向上若也采用整体结构，则可为无缝道岔提供一个整体连续、各向稳定的铺设平台;通过优化布置岔桥相对位置，可将桥梁伸缩对无缝道岔的影响降低至最低程度，确保道岔的稳定性和良好的几何状态。

本文以连续梁上铺设无缝单开道岔为例，建立“岔—桥—墩”纵向相互作用一体化模型如图1所示。模型对道岔结构作如下假定:①道岔尖轨与心轨可以自由伸缩，尖轨或可动心轨尖端位移为其跟端位移与自由段伸缩位移之和;②不考虑辙叉角的影响，假设导轨与长轨条平行;③桥梁墩台顶纵向刚度假定为线性;④钢轨按支承节点划分有限杆单元，只发生纵向位移;⑤岔枕按钢轨支承点划分有限长梁单元，可发生纵向位移和转角;⑥岔枕与桥梁、钢轨与路基间的纵向约束阻力均假定为纵向弹簧约束;⑦在计算伸缩力时，梁的温度变化仅为单纯的升温或降温，不考虑梁温升降的交替变化，一般取一天之内的最大梁温差来计算梁的伸缩量。桥上无缝道岔的伸缩力、挠曲力、断轨力均以最大轨温变化幅度作为计算条件;对挠曲力、伸缩力、断轨力、制动力分别计算，不考虑叠加影响。

图1 岔—桥—墩一体化计算模型

1.2 计算参数

以一组60 kg/m钢轨客运专线18#可动心轨道岔布置在(32+48+32)m连续梁上为例，桥梁与道岔布置情况如图2所示。

图2 桥梁与道岔布置示意

该无缝道岔全长69 m，其结构特点为混凝土岔枕，弹条Ⅱ型扣件，限位器子母块间隙为7 mm，当限位器子母块贴靠，两轨相对位移<1 mm时，限位器阻力取为1.5×105kN/m;当两轨相对位移>1 mm时，限位器阻力取为6×104kN/m。有砟轨道线路纵向阻力按每枕12 kN计算，岔区每枕纵向阻力按枕长分布为4.6 kN/m，枕间距为0.6 m。扣件阻力取为常阻力值12.5 kN/组。桥梁温度变化幅度15℃。两边桥台的墩台纵向刚度为1.0×107kN/m，中间简支梁桥墩的刚度均为1.0×105kN/m，连续梁桥墩的刚度为1.0× 106kN/m。各梁跨均为双线整体箱梁。

计算工况:道岔头部距离连续梁左端缝0，10.0，21.5，30.0，43.0 m五种工况(分别为工况一～工况五)，则道岔尾部距离连续梁右端缝为43.0，33.0，21.5，13.0，0 m。

2 计算结果及分析

2.1 岔桥相对位移对钢轨伸缩附加力的影响

道岔头部距离连续梁左端缝为0，10.0，21.5，30.0，43.0 m时，直基本轨和尖轨跟端传力部件最大伸缩附加力见表1，表1中钢轨纵向力以压力正。无缝道岔钢轨伸缩附加力如图3所示，图中钢轨纵向力以压力为正。

表1 直基本轨的最大伸缩附加压力kN

由图3可以看出，道岔头部距离连续梁左端缝3#墩越近，岔前连续梁梁缝处基本轨附加温度力越大。当道岔头部距离梁端为0时，基本轨最大伸缩附加力约为324.0 kN，较道岔头部距离梁端43 m的最大伸缩附加力230.3 kN要大，可见当道岔布置于连续梁上时，头部距离连续梁梁端部越远越好。

图3 钢轨伸缩附加力

当道岔尾部距离连续梁右端越近，基本轨伸缩附加力越小，但在尖轨跟端处又形成了伸缩附加力峰值，这对道岔的横向稳定性不利，因此道岔尾部距离连续梁端部也应有一定的距离。综合比较来看，在连续梁长度受限的情况下，道岔头部距离连续梁左端较尾部距离连续梁右端远一些为宜。

2.2 岔桥相对位移对钢轨伸缩位移的影响

道岔头部距离连续梁左端缝为0，10.0，21.5，30.0，43.0 m时，基本轨最大伸缩位移见表2，表中钢轨位移以向右为正。无缝道岔基本轨伸缩位移如图4所示，图中钢轨位移以向右为正。

表2 直基本轨的最大伸缩位移mm

由图4可以看出，道岔头部距离连续梁左端缝越近，基本轨的伸缩位移越大，越不利于道岔的纵向稳定。从基本轨伸缩位移考虑，道岔头部距离梁端也是越远越好。

2.3 其它计算结果

图4 基本轨伸缩位移

连续梁桥上道岔头尾距离梁端不同时无缝道岔及墩台受力与变形的计算结果比较见表3，表中钢轨位移及墩台纵向力以向右为正。

表3 计算结果比较

由表3可以看出，道岔头部距离连续梁左端缝越远，连续梁及左侧简支梁桥墩所受纵向力、一根钢轨折断后另一根钢轨承担的附加纵向力越来越小，翼轨末端间隔铁承受的纵向力越来越大。

而尖轨跟端限位器所承受的纵向力、尖轨与心轨相对于岔枕的纵向位移、岔前梁端基本轨断缝并不随道岔头部距梁端的距离呈单向变化，只有当道岔头尾均距离梁端在一定合适位置时，才能确保限位器受力、尖轨与心轨相对于岔枕的纵向位移最小，即存在无缝道岔里轨与桥梁同向、反向伸缩作用叠加后影响最小的情况。钢轨断缝受岔桥相对位置的变化影响不大。

3 结论及建议

通过有限单元理论，建立桥上有砟轨道无缝道岔的“岔—桥—墩”一体化计算模型，分析道岔头部距离连续梁左端梁缝为0，10.0，21.5，30.0，43.0 m时，桥上无缝道岔各结构部件受力和变形的特点，得到如下结论:

1)道岔头部距离连续梁左端缝越远，岔前连续梁梁缝处基本轨附加温度力越小，基本轨的伸缩位移越小，越有利于道岔的纵向稳定;

2)道岔头部距离连续梁左端缝越远，连续梁及左侧简支梁桥墩所受纵向力、一根钢轨折断后另一根钢轨承担的附加纵向力越小，翼轨末端间隔铁承受的纵向力越大;

3)道岔尾部距离连续梁右端较近时，在尖轨跟端处形成了伸缩附加力峰值，对道岔的横向稳定性不利，因此道岔尾部距离连续梁端部也应有一定的距离;

4)尖轨跟端限位器所承受的纵向力、尖轨与心轨相对于岔枕的纵向位移、岔前梁端基本轨断缝并不随道岔头部距梁端的距离呈单向变化，只有当道岔头部、尾部均距离梁端在一定合适位置时，才能确保限位器受力、尖轨与心轨相对于岔枕的纵向位移最小;

5)钢轨断缝受岔桥相对位置的变化影响不大。

综上，道岔头部、尾部距梁缝的距离存在一个合理范围，不宜过大也不宜过小，应综合分析来确定其位置。结合常用桥梁(3×32 m)及道岔尺寸(18#道岔全长69 m)分析，建议道岔头部距离梁端宜在18 m以上，道岔尾部距离梁端宜在9 m以上。

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U213.9;U213.7

B

1003-1995(2011)02-0098-03

2010-09-27;

2010-11-18

徐金辉(1987—)，男，河南商丘人，硕士研究生。

(责任审编 白敏华)