客运专线桥上无缝道岔模型试验设计

张国栋，宋 杨，赵信洋，杨荣山

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

目前，京沪、京广、郑西、哈大等在建客运专线上不少高架桥车站的桥梁上已经铺设无缝道岔。桥上无缝道岔受力条件非常复杂，既不同于桥上无缝线路也不同于路基上的无缝道岔，现有的计算机模拟方法无法很好地模拟桥上无缝道岔的复杂边界条件及工作状况，因而有必要进行模型试验研究。

客运专线桥上无缝道岔模型试验计划通过资料收集与成果总结、模型试验理论计算与分析等研究手段对一组铺设在3×32 m无砟桥上的客运专线18号道岔进行模型试验研究，模型比例为1∶3。桥上铺设无缝道岔可用多种无砟轨道形式，即在模型试验中要进行多种工况的测试试验。

1 理论依据

模型试验依据相似三定律进行，通过对模型进行各种试验来对原型进行研究。模型试验如果能正确地解决模拟问题，控制各种影响因素，并采用精确的量测方法，则其所得成果就可能符合实际情况，可大大地缩短研究周期。

1)相似第一定律

彼此相似的现象，单值条件相同，其相似判据的数值也相同。

2)相似第二定律

某一现象各物理量之间的关系方程式都可以表示为相似判据间的函数关系。当一现象由n个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含有m种基本量纲时，则能得到(n－m)个相似判据为

3)相似第三定律

现象的单值条件相似，并且由单值条件导出来的相似判据的数值相等，是现象相似的充分和必要条件。

2 模型设计

2.1 模型道岔设计

1)钢轨。原型60 kg/m轨的横断面积为77.45 cm2，按横断面积相似比CA=1/9，模型钢轨的横断面积应为8.606 cm2。采用8 kg/m轻轨，其横断面积为10.76 cm2，将钢轨表面铇削一层，使横断面积满足要求。

2)扣件、限位器、间隔铁。扣件可选缩小的弹条扣件和扣板式扣件，如果采用弹条式扣件，需重新选材，用专门的机械制造，而且制造精度较高，质量不太稳定。如果选用扣板式扣件，设计和加工都比较简单。模型拟用扣板式扣件。扣件的受力变形曲线需做专门的参数试验。限位器、间隔铁以及其他联结件，根据试验需要具体设计。

3)绝缘垫片。钢轨与轨道板之间要有必要的绝缘垫片，防止电流加热钢轨时因电流流向轨道板而使试验无法进行。本试验轨下采用较大刚度的厚橡胶垫片，使钢轨与轨道板间不会因距离过近影响电流传递，扣件与钢轨接触位置采用较薄垫片，使扣件能够发挥较好的扣压性能。

模型试验钢轨及扣件系统安装示意如图1。

2.2 模型桥梁设计(见图2)

2.2.1 梁

图1 钢轨、扣件、轨道板安装示意

图2 模型梁与道岔的布置

根据试验要求，可对桥梁缩尺模型在构造方面进行适当简化，只要满足下列要求即可:①梁体易实现温度升降，便于伸缩力的模拟;②在荷载作用下，梁上翼缘产生的梁轨相对位移易实现模拟;③墩台力易于量测。

基于以上分析，模型若采用混凝土梁，梁体自重较大，不易对梁体加温，制作成本较高。因此模型梁采用钢板制成的箱梁。设计中忽略原型桥梁的一些细部构造，仅使模型和原型具有相似的挠曲刚度和相似的伸缩特性即可。

2.2.2 支座及其转换

由于在试验中，要考虑固定支座分布位置不同对无缝道岔温度力的影响，故在试验中，梁的固定支座和活动支座应可以相互转换。由于道岔已铺设于梁上，调换梁的梁端难度较大，因此，可以对支座进行相应处理，本试验采用多个千斤顶将整梁均匀顶起，对调固定支座和活动支座。

2.2.3 梁系转换

为了便于梁系的转换，需将墩顶处理。墩顶预装可拆卸的高强钢板，此钢板暂称为垫板，如图3所示。

图3 箱梁连接处构造

简支梁转换为连续梁操作步骤:①千斤顶顶梁，拆除置于垫板下的简支梁支座，然后拆除垫板(墩顶需考虑简支梁支座安装位置，连续梁支座安装位置，千斤顶的位置;在墩顶预留栓孔或预埋螺栓)。②用钢板栓接梁的底面(在梁底预留栓孔)。③栓接梁侧面(在梁侧预留栓孔，栓接钢板位于梁体外侧)。④栓接梁顶面(在梁顶预留栓孔，栓接钢板位于梁体上侧的翼缘)。⑤安装连续梁支座(在梁底预留栓接连续梁支座的栓孔)。⑥拆卸千斤顶。⑦为了顺利实现转换，应在梁体外侧预留操作孔。

2.3 桥头路基

模型路基采用钢筋混凝土结构，以保证试验所需刚度。

2.4 反力墩

为模拟道岔处于无缝线路固定区，将道岔两端钢轨用反力墩固定。反力墩主要承受钢轨升温产生的温度力，同时也受梁伸缩、挠曲的间接影响。

3 工况转换

3.1 博格板式无砟轨道

保留限制横向位移的长圆孔螺栓，使轨道板只能产生纵向位移，取出限制纵横向位移的圆孔处螺栓;在固定墩处设置固结机构;将梁上轨道板和路基上的轨道板连接成一体。

3.2 无砟无枕梁

保留梁、板上一切螺栓，限制纵横向位移;梁上轨道板和路基上的轨道板断开。

3.3 凸台板

将三片梁中的中间梁上的板断开，分别与两端梁上的板连接;梁、板上保留长圆孔处螺栓，取出圆孔处螺栓;两块轨道板各设置一处固结机构;梁上轨道板和路基上的轨道板断开。

4 试验内容

4.1 测试工况

在各种工况中，对模型梁和钢轨同步加温，同时测量梁与道岔的温度、位移量、变形量以及梁与道岔各主要部位的受力情况，完成对伸缩力的有关测试。

4.2 百分表测点布置

4.2.1 桥

①梁端位移(对于连续梁要测梁两端的位移，对于简支梁要测每片梁两端的位移)。②墩台位移。

4.2.2 道岔

①尖轨位移;②心轨位移;③尖轨附近限位器处基本轨、尖轨位移;④心轨附近限位器处基本轨、尖轨位移。

4.2.3 轨道板

①梁、板相对位移;②固结机构、梁相对位移。

4.2.4 限位器和固结机构测试

限位器和固结机构处使用百分表转接器。

5 模型加热方案

5.1 方案目标

目标温度比锁定轨温高50℃，梁加热目标温度为比锁定轨温高30℃。本方案模拟自然环境，将轨道与梁同步加热，钢轨用高电流低电压交流电加热，由于电流高，采用铜排作为导线，梁体用燃油机加热，记录在此过程中梁与轨道形位的相对变化，由此通过计算分析得到所需数据。

5.2 加热方式设计

对于箱梁的加热，一端布置燃油机，另一端布置排气扇。通过排气扇将高温燃气由箱梁的一端吸到另一端，在箱梁内形成高温燃气通道，通过热传递的作用，将高温燃气的热量均匀传给箱梁。在箱梁的底面布置温度感应器，当箱梁升到目标温度时，燃油机自动停止加热。加热速率可以通过调节燃油的燃烧速率进行控制。

对于钢轨的加热，从安全取样和均匀加热角度出发，采用先并联再串联的方式进行。使用一台高频变压器对其供热，加上连接压降，这样加热电压应为24 V左右。连接方式如图4。

图4 钢轨电路的联结方式

5.3 加热设备

由于项目要求，在处理上需设置一测温装置，当钢轨温度达到时自动停止加热，当温度低于时又自动加热，保证该钢轨温度处于高出锁定轨温(50±2)℃之间;或者达到锁定轨温时改为小电流加热，保证温度一直处于目标轨温，不过这个小电流与环境温度及当天有无刮风有关，可以根据情况现场调试，如图5。

梁体加热设备为大功率燃油机，燃油机附带温度显示装置，随时显示梁体温度，以便调节，如图6。

6 结语

图5 钢轨加热装置(铜板为导线)

图6 梁体加热装置

通过桥上无缝道岔模型试验，可以掌握无缝道岔与桥梁间的纵向力传递机理，探索岔—桥相互间的作用特点，研究无砟桥上无缝道岔的受力和变形规律，并进一步建立能满足我国客运专线建设需求的桥上无缝道岔设计理论与方法，提出相关的设计参数与技术条件，为完善我国桥上无缝线路计算理论与无砟轨道设计理论提供参考。

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