坡度对长大坡道桥上无缝道岔的影响分析

颜 乐，熊震威，魏贤奎，王 平

(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)

随着既有繁忙干线大范围换铺跨区间无缝线路以及新线全面推广一次铺设跨区间无缝线路，我国在桥上无缝线路、路基上无缝道岔等方面的技术日渐成熟。无缝道岔作为跨区间无缝线路的关键技术［1］，近年来到得了迅猛发展，理论和实践经验已经比较成熟。但是由于环保、节约用地或者地形条件的限制，将会有越来越多的无缝道岔铺设在桥梁上［2］。在山区铁路的困难地段，其特点之一是线路坡度大［3-4］，列车在山区地段的长大坡道运行时经常需要制动，而且其制动比在平原地带更为复杂。尚未有学者从桥上无缝道岔制动这一角度出发，研究坡度对制动工况下梁轨相互作用的影响。为了完善桥上无缝道岔计算理论，正确指导桥上无缝道岔的铺设，很有必要研究坡度对长大坡道桥上无缝道岔制动工况的影响。

本文以某新建铁路大桥为例，其桥上无缝道岔铺设于17.2‰的大坡道上，在国内是首例，而我国桥上无缝道岔铺设地段的坡度一般不大于6‰［5］，为保证列车运行的安全和稳定性，需要重点关注列车制动所引起的梁轨相互作用［6］，对其铺设方案可行性进行研究。本文考虑了 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰八种不同的坡度，研究列车制动情况下坡度对桥上无缝道岔受力变形的影响，对长大坡道上铺设桥上无缝道岔提出建议。

1 计算模型

1.1 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。道岔里轨发生伸缩位移后，带动岔枕纵向移动和偏转，一部分作用力通过扣件传递给基本轨，一部分作用力通过岔枕传递给道床再传递给桥梁。桥梁因伸缩或挠曲在梁面上产生纵向位移，墩台因道岔上传下来的力在墩顶产生纵向位移，并带动桥梁产生纵向位移。同时，梁的位移通过道床传到道岔上，会导致钢轨中的纵向力重新分布，进而再影响桥梁的受力与变形。可见，钢轨、岔枕、桥梁及墩台是一个相互作用、相互影响的耦合系统［7］，只有建立一体化模型，才能弄清道岔及桥梁的受力变形规律。

1.2 计算模型及单元选取

从整个线桥系统出发，将道岔和桥梁作为一个相互作用、相互影响的耦合系统，基于非线性有限单元法建立了岔-桥-墩一体化模型［8］。此模型考虑了影响纵向力分布的2个重要因素:线路纵向阻力及桥梁下部结构的纵向水平刚度，如图1所示。

图1 桥上有砟无缝道岔模型立面

对岔-桥-墩一体化模型采用杆单元模拟钢轨和桥梁，采用梁单元模拟道岔板和道床板。扣件纵向阻力、道岔板与底座板纵向阻力、滑动层摩擦阻力、摩擦板纵向阻力、道岔传力部件阻力、有砟轨道道床阻力等均采用非线性弹簧模拟。底座板上纵横向凸台、底座板与桥梁间的剪力齿槽、端刺和墩台均采用线性弹簧模拟，线性弹簧的刚度依据各自受力与变形关系确定。这样整个系统就可以采用杆单元、梁单元、线性弹簧单元和非线性弹簧单元4种类型的单元来模拟。

1.3 计算参数

某新建铁路大桥为33 m简支梁+(32.4+33+32.4+33+32.4+33)m连续梁+(48.6+79.8+48.6)连续梁+32.4 m简支梁+16.2 m简支梁+16.8 m简支梁桥，道岔为单渡线18号无缝道岔，铺设于17.2‰的大坡道上，道岔与桥梁布置如图2所示。新建铁路采用双线有砟轨道，大桥从左到右、从下到上将2组道岔编号，1、2号道岔岔心里程分别为DK128+45.332、DK127+962.552，线间距为4.6 m。道床阻力参数及其他相关设计参数根据《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》(铁建设函［2003］205号)取值。列车荷载采用我国高速铁路活载图式(ZK活载)换算为均布荷载。

图2 桥梁墩台与道岔布置简图

1.4 等效轮轨黏着系数

制动力是通过轮轨摩擦直接作用于轨面，然后通过扣件或道砟将部分荷载传递到桥梁墩台［9］。作用于轨面的制动力集度q=μ·Q。μ为轮轨黏着系数，“八五”国家科技攻关项目《高速铁路线桥隧设计参数选择的研究》之报告三《高速铁路轨道理论计算模式与参数建议值》中建议轮轨黏着系数取0.164，根据我国多年的试验研究和工程实践，轮轨黏着系数采用0.164是合适的［10］;Q为设计荷载。

由于该道岔梁位于坡道上，制动荷载还应叠加上ZK活载的坡道分力。在计算中通过将坡道上的制动荷载转化为等效轮轨黏着系数μ0实现。在图3中，设计荷载为Q，平行于轨道的分力F2即为坡道分力［11］

因为α角一般很小，可令sinα≈tanα，于是

图3 坡道分力示意

线路坡度 i=H/L=tanα，故

因此，长大坡道上的等效轮轨黏着系数为μ0=μ+i，即μ0=0.164+i，作用于轨面的制动力集度q=μ0·Q。

1.5 计算工况

由于列车左入桥与右入桥2种工况下的梁轨相互作用规律基本相同，因此只分析从右向左入桥的情况，采用一线制动，分别考虑图4中几种制动工况。

图4 制动工况

经计算比较，无论是钢轨力还是位移，工况一都最大，因此取工况一进行坡度对桥上无缝道岔制动工况的影响分析，不同的坡度如表1所示。

表1 不同坡度计算工况

2 计算结果及分析

2.1 坡度对钢轨纵向力的影响

坡度分别为 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰时，最大钢轨纵向拉、压力变化如图5所示。

从图5中可以看出，随着坡度的增大，钢轨的最大纵向拉、压力均近似呈线性递增。20‰坡度的最大钢轨纵向拉力比0‰的增加了12.21%，最大钢轨纵向压力也增加了12.19%。

2.2 坡度对位移的影响

坡度分别为 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰时，梁轨相对位移最大值变化、钢轨最大位移变化如图6所示。

图5 钢轨最大纵向拉力和压力

图6 梁轨相对位移最大值和钢轨最大位移

从图6中可以看出，随着坡度的增大，梁轨相对位移、钢轨最大位移都近似呈线性递增。20‰坡度的梁轨相对位移最大值比0‰的增加了12.23%，钢轨最大位移也增加了12.84%。

2.3 坡度对墩台纵向力的影响

坡度分别为 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰时，各固定墩台的纵向力如表2所示。

表2 不同坡度时的墩台纵向力 kN

选取4号和8号墩台(固定支座)做比较，其墩台纵向力变化如图7所示。

从图7中可以看出，随着坡度的增大，墩台纵向力绝对值近似呈线性递增。对4号墩台，20‰坡度的墩台纵向力比0‰的增加了12.18%。对8号墩台，20‰坡度的墩台纵向力比0‰的增加了12.21%。

2.4 其他计算结果

取1号道岔作为比较，道岔传力部件的位移和纵向力见表3(注:由于同组道岔直、曲尖轨位移相差较小且通常曲尖轨位移稍大，表3中尖轨位移取曲尖轨位移;由于限位器不受纵向力，因此只列举了直、侧股间隔铁的受力)。

图7 4号和8号墩台纵向力

表3 计算结果比较

心轨、尖轨尖端绝对位移、直侧股间隔铁纵向力随坡度变化如图8、图9所示。

图8 心轨、尖轨尖端绝对位移

图9 直股、侧股间隔铁纵向力

从表3和图8、图9可以看出，随着坡度的增大，心轨和尖轨的绝对位移以及间隔铁的纵向力都近似呈线性递增。其中，20‰坡度尖轨尖端的绝对位移比0‰的增加了12.83%，20‰坡度心轨尖端的绝对位移比0‰的增加了12.55%，20‰坡度的直股间隔铁纵向力比0‰的增加了12.07%，20‰坡度的侧股间隔铁纵向力比0‰的增加了20.6%。

由图9还可以看出，侧股间隔铁的纵向力比直股间隔铁小，但是其受坡度的影响却较大。这主要是由于制动是一线(正线)制动，直股间隔铁承受正线上的长心轨传递来的纵向力，侧股间隔铁承受侧线上的短心轨传递的纵向力，因此直股间隔铁的纵向力比较大;长大坡道制动时，侧股间隔铁承受正线上的导轨传递的纵向力，而直股间隔铁承受侧线上的导轨传递的纵向力，因此侧股间隔铁受坡度的影响较大。

3 结论

通过建立有砟轨道岔-桥-墩一体化模型，分析了列车制动情况时，坡度对桥上无缝道岔受力与变形的影响，对长大坡道上无缝道岔的铺设进行了思考和总结，结论如下。

(1)随着坡度的增大，钢轨纵向力、钢轨位移、墩台纵向力、心轨和尖轨位移以及间隔铁纵向力都近似呈线性递增。因此，坡度的增大对无缝道岔的受力和变形都是不利的。

(2)侧股间隔铁的纵向力比直股间隔铁小，但是其受坡度的影响却较大。

(3)由于长轨条在长大坡道容易产生不均匀的爬行现象，而这种爬行又会受到道岔的阻碍作用，便导致道岔的受力变形规律更加复杂［12］。在铁路现场，应加强无缝道岔防爬锁定，并加密防爬观测次数。

因此，桥上无缝道岔的坡度限值有待进一步研究确定。

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