京沪高速铁路徐沪段桥上板式无砟无缝道岔设计研究

王玉泽

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

京沪高速铁路徐沪段有多座车站的多组道岔位于桥上，共有59组18号桥上道岔、8组42号桥上道岔，其中全长164 km的丹阳至昆山特大桥包含了苏州北站、无锡东站、常州北站、昆山南站4座高架车站。徐沪段桥上无缝道岔工况极其复杂，无缝道岔、无砟轨道、桥梁结构设计都存在诸多技术难点，成为制约京沪高速铁路轨道工程的技术瓶颈。

从2005年开始，国内科研单位对桥上轨枕埋入式无砟轨道无缝道岔进行计算理论和设计方法研究，研究成果已经在武广高速铁路、沪宁城际铁路得到应用。但到本设计为止，国外还没有桥上铺设板式道岔的先例，国内仅在武广高速铁路郴州西站雷大桥特大桥试铺了2组18号道岔(单渡线)，桥上铺设42号板式道岔研究与实践在国内外均属首次。开展京沪高速铁路桥上板式无砟无缝道岔设计研究不仅是为了解决工程中的技术难题，同时对于我国高速铁路桥上无缝道岔技术发展和进步也具有重大意义。

1 徐沪段桥上无砟无缝道岔结构组成和结构特点

1.1 结构组成

桥上底座纵连式无砟道岔结构自上到下由钢轨、扣件系统、道岔板、砂浆垫层、底座板、滑动层、硬泡沫塑料板、加高层、剪力齿槽、侧向挡块、摩擦板、端刺等组成，岔区轨道结构高度710 mm。横断面如图1所示。

图1 京沪高速铁路桥上板式道岔横断面(标高单位:mm)

1.2 结构特点

1)京沪高速铁路采用新铁德奥高速道岔，18号单开道岔全长69 m，前长31.729 m，后长37.271 m，直向通过速度350 km/h，侧向通过速度80 km/h。

2)底座板为跨越梁缝的连续结构，并与岔区以外形成整体;道岔板为分块的单元板式结构，18号道岔区共由20块道岔板组成，42号道岔区共由46块道岔板组成。道岔板与底座板间设锚固销钉(图2)。

图2 道岔板与底座板锚固销钉位置

3)底座板与梁面通过滑动层保持滑动状态。桥梁固定支座上方的底座板通过梁体预设锚固筋和设置齿槽与梁体固结。

4)道岔梁梁缝两侧1.45 m范围内铺设高强度挤塑板，减少梁端变形对轨道结构的影响。

5)采用沿线路纵向一定间距设置侧向挡块的方式，对底座板横向和竖向进行限位。

6)道岔板与底座板之间设置30 mm厚高弹性模量乳化沥青水泥砂浆填充层，每块道岔板与底座通过8根剪力销进行连接。

2 桥上无缝道岔计算模型和计算方法

针对桥上纵连底座板式无砟轨道无缝道岔的结构特点，将道岔、道岔板、底座板、梁体和墩台视为一个系统，建立“岔—板—板—梁—墩”一体化模型，如图3所示。

图3 “岔—板—板—梁—墩”一体化计算模型

“岔—板—板—梁—墩”一体化计算模型考虑了道岔各钢轨件、间隔铁、限位器、道岔板、底座板、桥梁、墩台、摩擦板、端刺、底座板与桥梁间的剪力齿槽的相互作用。钢轨与道床板、道岔板与底座板、底座板与桥梁、底座板与摩擦板间的纵向相互作用阻力按非线性考虑。

在桥上纵连底座板式无砟轨道无缝道岔计算模型中，底座板与梁面间、台后底座板与摩擦板、扣件纵向阻力等参数具有明显的非线性特征。根据以上计算模型建立的桥上纵连底座板式无砟轨道无缝道岔纵向力计算非线性有限元力学平衡方程，可采用相应的非线性方程组数值求解方法进行计算。经计算分析，底座板与桥梁间摩擦系数、底座板刚度折减系数对计算桥上无缝道岔受力和变形影响较大。

3 底座结构设计方法

底座混凝土板是桥上无砟轨道无缝道岔系统的主要受力构件，基于开裂后钢筋混凝土刚度折减理念，按轴向拉压杆件采用极限状态法进行力学计算和结构设计。底座板结构设计流程见图4。

底座板主要检算内容和方法包括:

1)不同工况轨道系统检算。考虑结构自重、预应力、桥墩不均匀沉降、桥墩扭曲变形、温度、混凝土徐变和收缩、列车活载等荷载以及不同荷载组合，进行扣件上拔力检算，底座抗弯、抗剪及疲劳检算，高强度挤塑板检算。

2)轴向受压检算。考虑温度荷载作用下轨道屈曲稳定性检算。

图4 底座板结构设计流程

3)轴向受拉检算。考虑底座板开裂后，不同的刚度折减及不同的摩擦系数，进行单线底座板作用下拉力计算，降温荷载下底座板和钢轨拉力计算，轨道板与底座板温差及混凝土收缩荷载下底座板拉力计算，以及制动荷载下底座板拉力计算。

4)根据计算得出的底座板可能承受的最大轴向拉力等设计荷载，按轴向拉压杆件采用极限状态法进行配筋设计。

4 道岔梁结构设计

4.1 道岔梁桥式布置

4.1.1 道岔梁桥式布置的一般原则

1)高速铁路无砟轨道无缝道岔(包括单渡线)应尽可能整组布置在一联梁上。

2)高速铁路无缝线路道岔的转辙器部分、辙叉部分不宜跨越两联梁。

3)岔头、岔尾到梁缝的距离不小于18 m。

4)车站咽喉区道岔，除高速正线无缝道岔下需采用连续梁外，其余到发线道岔下可采用简支梁结构。

5)为减小梁、轨相对位移及桥梁承受的轨道力，八字渡线区两联连续梁之间宜布置两孔简支梁。

4.1.2 道岔梁桥式布置

结合京沪高速铁路镇江、常州、无锡、苏州、昆山高架站道岔梁进行研究。

1)渡线区

京沪高速铁路渡线区道岔梁采用连续梁，跨度包括6×32.7 m，(32+40+56+40+32)m，(32+40+64+40+32)m，(32+40+72+40+32)m 等;同时在两联连续梁之间插入简支梁，以减小梁轨相互作用。

2)典型咽喉区

典型咽喉区18号道岔梁桥式布置采用4×32.7 m连续梁。昆山高架站北京侧咽喉区道岔梁受小虞河通航净空、小虞河路立交净空控制，采用(35.81+56+35.81)m连续梁。

3)联络线42号道岔梁

黄渡联络线采用42号道岔从正线出岔。黄渡上行联络线道岔梁采用(24+4×32+24)m连续梁;黄渡下行联络线道岔梁采用6×32 m连续梁。

4.2 道岔梁结构形式和设计参数

4.2.1 道岔梁结构设计原则

高架站道岔梁设计的主要难点在于桥面宽度变化大(道岔梁宽跨比较大)，且多为单箱多室截面，设计时需考虑横向偏载的影响。道岔梁对位移要求相对较高，因此采用整体性较好的箱梁，适当提高截面竖、横向刚度，在满足结构安全的同时，提高结构动力性能。注意外观的连续性，6×32 m，4×32 m，6×34 m等小跨连续箱梁外侧腹板应与标准设计的32.7 m简支梁保持一致。

4.2.2 典型道岔梁结构设计

1)渡线区6×32 m连续梁

本梁为等高度、等宽度连续箱梁，截面形式为单箱单室，梁高3.05 m，箱梁顶板全宽12.0 m，因布置道岔转辙机的需要顶板局部加宽，箱梁采用斜腹板形式。

2)典型咽喉区4×32 m连续梁

主梁采用等高度斜腹板截面，梁高3.05 m。第一、二孔为单箱双室截面，第三、四孔为单箱三室截面。

道岔梁采用C50高性能混凝土，纵向预应力体系，分段支架现浇施工(从左至右逐孔施工)。

4.3 道岔梁支座布置及下部结构形式

1)梁轨相互作用及单固定支座在纵向的布置:道岔梁纵向固定支座尽量居中布置，以减少温度跨度，减小梁轨相对位移及轨道力。如6×32 m连续梁固定支座设在全联的中心。

2)横向固定支座布置:横向固定支座布置应保证相邻两片梁上的无砟轨道同一根钢轨的横向位移差＜1 mm。

3)道岔梁下部结构设计的原则:道岔梁下部结构的刚度适当增大，在满足桥梁结构安全的同时，减小梁轨相对位移，满足轨道、道岔各项要求，提高车—岔—桥整体的动力性能。

5 结论

1)桥上道岔区采用纵连底座板结构，与道岔区两端CRTSⅡ型板式无砟轨道保持了结构的整体性和桥上纵连底座板的连贯性，为道岔区无砟轨道与区间的衔接与过渡提供了良好的条件。

2)“岔—板—板—梁—墩”一体化计算模型和计算方法系统考虑了道岔、无砟轨道、桥梁、墩台、摩擦板、端刺之间复杂的相互作用关系，能够真实地反映出桥上板式道岔受力和变形规律。

3)纵连底座板为普通钢筋混凝土结构，在温度和活载作用下易出现开裂，必须对底座混凝土板的裂缝宽度进行限制，按裂缝宽度值控制底座混凝土配筋量。

4)京沪高速铁路徐沪段道岔梁采用连续梁桥式及结构设计是合适的，桥梁结构具有足够的竖向、横向刚度和良好的动力特性，既可满足轨道稳定性、平顺性的要求，又能适应城市道路立交净空要求，景观方面也较好。

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