桥上无缝道岔与桥梁布置有限元分析

宫万国

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

随着我国铁路建设的发展，受土地资源、地形地貌等因素影响，桥梁工程的比例越来越高，其中不乏车站设置于桥梁之上的特殊情况，咽喉区无缝道岔不可避免地设置于桥梁之上。为保证道岔的工作状态，一般将无缝道岔整组布置于连续梁上，对于客运专线大号码道岔咽喉区，由于道岔本身较长且布置多组道岔，由此引起多联大跨度连续梁集中布置的情况，本文结合典型桥上咽喉区布置情况(如图1所示)，对普通桥上无缝线路及桥上无缝道岔群进行对比检算，提出咽喉区桥上无缝道岔与桥梁的相对布置关系与原则。

图1 桥上咽喉区多联连续梁及道岔布置示意

1 计算模型

桥上无缝道岔较区间桥上无缝线路检算，主要区别在于桥上无缝道岔由于道岔本身涉及多股道钢轨及各种限位结构共同作用，其计算模型较区间桥上无缝线路更复杂，但两者计算理论均采用梁轨相互作用原理，本文采用通用有限元软件，分别针对上述桥上无缝道岔布置建立普通区间桥上无缝线路分析及桥上无缝道岔有限元分析模型，钢轨均采用梁单元模拟，扣件纵向阻力采用弹簧单元模拟，道岔辙叉限位装置采用弹簧单元模拟，桥梁结构采用梁单元模拟，固定墩采用弹簧单元模拟。见图2～图5。

2 计算参数

桥上无缝道岔及区间桥上无缝线路检算参数如表1所示。限位器及间隔铁的阻力曲线分别如图6和图7所示。

表1 计算参数

3 检算分析

3.1 钢轨伸缩力检算

普通区间桥上无缝线路检算如表2及图8。桥上无缝道岔检算如表3及图9。

表2 梁缝处钢轨伸缩附加力及应力最大值

表3 梁缝钢轨伸缩附加力及应力最大值

由上述钢轨伸缩附加力检算可见:桥上无缝道岔钢轨伸缩附加力最大值仍位于梁缝处，但由于道岔尖轨限位器作用，梁缝附近布置道岔时的钢轨伸缩附加力较普通区间桥上无缝线路均有所增加，增幅约1.18～1.51;普通区间桥上无缝线路钢轨伸缩附加力最大值(350.3 kN)在桥梁温度跨度最大处(218.5m)，而桥上无缝道岔钢轨伸缩附加力最大值(458.0 kN)在103#和105#道岔之间梁缝处，此处桥梁温度跨度186.5m，主要是由于该处梁缝两侧两组道岔对向布置，道岔尖轨钢轨附加力二次叠加;桥上无缝道岔钢轨伸缩附加力增幅最大处(5号梁缝，增幅1.51)主要由于道岔岔前距梁缝距离较小(119#道岔)，桥梁伸缩及尖轨限位同时作用，叠加效果较大。

3.2 钢轨伸缩位移检算

由于道岔本身限位装置及线形要求，对基本轨相对桥梁和尖轨相对基本轨位移均有相应限值，桥梁、道岔伸缩位移分布如图10和表4。

表4 梁轨伸缩位移

尖轨相对基本轨最大位移23.7 mm，满足客专(07)004道岔要求的30mm;心轨相对基本轨最大位移6.2 mm，满足一般道岔要求的8 mm。

3.3 辙叉限位装置检算

道岔传力件受力如表5。

间隔铁受力来检算，螺栓剪应力为

式中，T为螺栓承受剪力;T'为摩阻力，螺栓扭矩为600 N·m时，小间隔铁取40 kN/块;d为螺栓直径，d=24 mm。此处假定螺栓平均受力。辙跟处小间隔铁由2根螺栓组成，单个螺栓承受剪力为总和的1/2。

表5 道岔传力件受力kN

间隔铁受力最大值为155.7 kN，经检算螺栓剪应力

因此，间隔铁螺栓的抗剪能力满足要求。

4 结语

由于不同列车荷载、运行速度及地区环境钢轨动应力及基本温度力均不同，所以本文未对钢轨应力进行叠加检算，但无缝道岔布置于连续梁上时其钢轨伸缩附加力较区间桥上无缝线路增幅要大，尤其在咽喉区多联连续梁且两组道岔对向布置情况最为不利。由于运输组织功能需求，道岔对向布置情况不可避免，此时应在两连续梁间插入简支梁，减少桥梁温度跨度，有效降低梁轨相互作用力。道岔距梁缝应保持一定距离，以尽量减少连续梁温度跨度与道岔限位装置钢轨附加力叠加效应。

通过对梁轨位移及道岔限位装置受力检算可知，当整组无缝道岔布置于连续梁上时，道岔尖轨、心轨位移及限位装置结构强度均可满足其限值要求。

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