高速铁路无砟道岔用道岔板设计研究

尤瑞林，范 佳，王继军，杜香刚

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

岔区是轨道的咽喉，也是薄弱环节，世界各国对岔区无砟轨道进行了大量的研究工作。岔区板式无砟轨道在国内外都有所研究，其主要技术特点是:结构稳定，高度较低;现浇混凝土量少，施工进度快;便于施工组织，道岔钢轨件进场前，即可进行轨道施工［1-2］。

我国过去铁路无砟轨道形式是支承块式无砟轨道。地铁和轻轨有为数不多的岔区无砟轨道结构形式是由道岔钢轨件、扣件系统、混凝土支承块、整体道床和基底组成。在提速以及客专线路上岔区轨道也有一部分是有砟轨道。目前我国自主研发的客专道岔岔区轨枕埋入式无砟轨道，轨道结构组成有道岔钢轨件、扣件系统、预制混凝土岔枕(带钢筋桁架的预应力结构)、现浇道床、基底等，在遂渝、武广、合宁和哈大等客运专线得到广泛应用。

当前高速铁路无砟轨道结构发展快速，尤其是板式无砟轨道应用广泛，为了更好地实现岔区与正线轨道结构刚度的均匀性，增强岔区结构稳定性，开展客专道岔岔区板式轨道结构设计研究工作是很有必要的。本文结合国产高速客运专线道岔的具体情况，首次提出国产化客专道岔板的设计方案，并对客运专线42号联络线道岔板的结构进行分析研究。

1 道岔板型式尺寸设计

1.1 道岔板的纵向布置及长度

道岔板适应的上部钢轨结构为联络线用客专42号单开道岔。道岔的旅客列车直向容许通过速度为350 km/h;侧向容许通过速度为160 km/h。

综合考虑电务、制造、施工及运输各方面因素，沿线路纵向，道岔板划分为49块，42号道岔划分的道岔板长度:最长为 5 624 mm，最短为 2 162 mm，道岔板间连接缝宽度为100 mm。

1.2 道岔板厚度

道岔板厚度的选择与线路运营条件(列车荷载)、轨道结构高度、道岔板的结构形式(混凝土性能、是否施加预应力以及普通钢筋的配筋情况)和承轨台高度等许多因素有关。

经力学分析以及结构配筋设计，确定道岔板厚度为240 mm(包括承轨台高度)。

1.3 道岔板宽度

道岔板宽度根据道岔几何形状合理确定。总宽度由钢轨间的最大套管间距和最外侧套管距板边缘的混凝土厚度决定。

道岔板的横向宽度沿线路纵向是个变化的数值，设计的基本原则是:① 保证有足够的道岔板强度和稳定性。②保证混凝土保护层厚度和套管到道岔板侧面的最小距离满足受力要求。③ 道岔板的板宽为连续渐变。除安放转辙机位置外，每块道岔板的直股和侧股边缘均为直线;其中，曲股侧道岔板边缘沿道岔曲股钢轨的线形变化，且相邻的两块板的板宽连续，使整个岔区侧边顺畅、美观。

设计中采用直径为45 mm的套管，钢轨工作边到板侧面距离为570.0 mm，板中直股最外钉孔边缘距板侧面的距离为301.5 mm(个别受限制的板宽处除外)。

根据以上的分析确定了各段道岔板的宽度(线路横向)。42号联络线道岔道岔板最宽的为第43块板，宽度为5 330 mm。

1.4 道岔板主要外形尺寸

板的形状除了转辙机处外，均为梯形或长方形。道岔板长宽尺寸的选择考虑了运输问题，在板的长、宽(两边宽度尺寸中较大的一个)尺寸中，至少有一个尺寸不大于3 500 mm。

1.5 道岔板承轨台设计

道岔板顶面设宽260 mm、纵向间距600 mm的横向通长承轨台(转辙机安装处承轨台间距按照电务部门的要求进行设计)，承轨台顶面水平，其截面形状为长方形加边角倒圆。

从板面算起，钢轨下的承轨台最小厚度为12 mm，扣件系统高度为56 mm，因此轨底至板面的最小净空为68 mm，可满足维修时小型起道机械起道的要求。如现场采用铝热焊焊接，也可满足铝热焊包对轨底最小净空50 mm的要求。

道岔板承轨台高度各处不同，一般最小是10 mm，然后按0.5%的坡度递增;而板面则以0.5%的横向坡度施作单向排水坡(槽)，统一确定为向侧股(线路外侧)一侧排水。

2 道岔板的受力理论计算和结构分析

2.1 道岔板力学计算依托的轨道结构

根据线路设计单位提出的两种岔区无砟轨道结构形式，对道岔板从整个系统的角度出发进行力学分析。两种方案为:

方案一:道岔钢轨和扣件系统+道岔板+底座+找平层;方案二:道岔钢轨和扣件系统+道岔板+充填层+底座。

对两种方案的道岔板计算分析得出方案一计算模型的计算弯矩稍大，因此42号道岔板的设计按照方案一进行计算。

2.2 计算模型

结合我国无砟轨道技术创新的研究成果，应用有限单元法计算板式轨道在列车荷载作用下的力学行为。模型中钢轨采用弹性点支承梁模型，扣件采用线性弹簧模拟，道岔板采用板壳单元进行模拟，底座采用实体单元模拟，为模拟下部基础对轨道结构的支承作用，找平层采用了弹性地基板进行模拟，为消除边界效应，模型选取多块道岔板进行计算并以中间单元板作为研究对象。图1为42号联络线道岔的部分道岔板结构有限元模型。

2.3 计算参数

图1 岔区“梁—板—板”有限元分析模型

①结构尺寸:42号道岔板设计厚度为240 mm(包括承轨台高度10 mm)，岔区不同位置，道岔板的长度和宽度均不相同。底座厚度取180 mm，横向较相应道岔板宽400 mm，找平层厚度取130 mm，横向较相应底座宽300 mm。②材料性能:钢轨弹性模量取2.1×105MPa;道岔板采用C55混凝土;底座采用C40混凝土，找平层采用C25混凝土。③扣件道岔区扣件间距按实际选取，扣件节点静刚度取30 kN/mm。④路基与找平层间的支承面刚度取76 MPa/m。

2.4 设计荷载

1)道岔板设计和检验考虑的荷载包括:①列车荷载，列车竖向荷载是设计计算时考虑的主要荷载，设计轴重17 t，考虑3倍的动载系数，设计动轮载取 255 kN。检算荷载取2倍的动载系数，即为170 kN。②温度荷载，主要考虑温度梯度引起的翘曲应力:道岔板温度梯度取45℃/m。③路基不均匀沉降，路基不均匀沉降按15 mm/20 m取值。④梁的挠曲，梁端转角按不大于1‰取值。

2)荷载组合:

①纵向主力组合，设计荷载为列车竖向设计荷载+温度翘曲。

②主力+附加力，检算荷载为列车竖向检算荷载+温度翘曲+路基不均匀沉降。

③横向主力组合，设计荷载为列车竖向设计荷载+横向荷载+温度翘曲。

2.5 道岔板结构计算

依据所选计算参数，应用建立的梁—板—板有限元模型对轨道结构在列车垂向荷载作用下的受力状况进行了分析，列车垂向荷载作用下，道岔板底面纵向弯矩云图如图2所示。

选取42号联络线道岔尖轨处的第2块道岔板为例(其板长最长，为5.624 m)，模型计算结果以各扣件支点处进行单轴加载计算。单轴加载示意图如图3所示。

不同加载位置时道岔板的计算最大弯矩如表1所示。

图2 “梁—板—板”模型道岔板弯矩云图(单位:kN·m/m)

图3 单轴加载示意

表1 不同位置弯矩的最大值 kN·m/m

由表1计算结果可以看出，道岔板在列车荷载作用下，其纵向、横向弯矩的最大值出现在不同的加载位置处，在板的设计和检算时分别按最不利值计算，结果列于表2和表3。

另外，对于横向荷载、温度梯度荷载及基础不均匀沉降荷载分别进行计算，结果如表2和表3所示。

表2 第2块道岔板设计弯矩 kN·m/m

道岔板进行结构配筋后，按照以上计算结果，依据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005)对道岔板进行检算。

道岔板纵向:在设计荷载作用下混凝土所受最大压应力为5.57 MPa，钢筋受到的最大拉应力为175.23 MPa，道岔板最大裂缝宽度为0.18 mm;在检算荷载作用下混凝土所受最大压应力为7.14 MPa，钢筋受到的最大拉应力为224.56 MPa。道岔板横向:在设计荷载作用下混凝土所受最大压应力为5.82 MPa，钢筋受到的最大拉应力为135.65 MPa，道岔板最大裂缝宽度为0.15 mm。均满足规范要求。

表3 第2块道岔板弯矩检算 kN·m/m

按照上述原理，对42号联络线道岔其余各块道岔板也分别进行计算，均满足规范要求。

3 结语

在国产客专道岔岔区无砟轨道中，此前使用的是轨枕式无砟轨道，在遂渝线获得了数年使用的成功经验，并在武广客运专线武汉试验段中，进行了实车试验。

本次研究设计的国产客专岔区道岔板在我国还是首次开始研究设计，在力学计算理论、板的结构形式、钢筋布置、绝缘方式、扣件连接系统、板的制造及施工控制等诸多方面，都与岔区Ⅱ型道岔板以及长岔枕有着本质的不同。目前国产客专岔区道岔板已经开始生产使用，但还需在长期运营观测的基础上进一步优化完善，为岔区板式无砟轨道专业化、标准化的生产施工及大规模推广应用奠定基础。

［1］中国铁道科学研究院.42号客专道岔道岔板结构设计［R］.北京:中国铁道科学研究院，2009.

［2］中国铁道科学研究院.时速350公里客运专线60 kg/m钢轨道岔的研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2007.

［3］张世杰，孙立，杨艳丽，等.武广铁路客运专线雷大桥特大桥道岔区板式无砟轨道设计研究［J］.铁道建筑，2010(1):13-16.