顏 樂，熊震威，魏賢奎，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

隨著既有繁忙干線大范圍換鋪跨區(qū)間無縫線路以及新線全面推廣一次鋪設跨區(qū)間無縫線路，我國在橋上無縫線路、路基上無縫道岔等方面的技術日漸成熟。無縫道岔作為跨區(qū)間無縫線路的關鍵技術［1］，近年來到得了迅猛發(fā)展，理論和實踐經驗已經比較成熟。但是由于環(huán)保、節(jié)約用地或者地形條件的限制，將會有越來越多的無縫道岔鋪設在橋梁上［2］。在山區(qū)鐵路的困難地段，其特點之一是線路坡度大［3-4］，列車在山區(qū)地段的長大坡道運行時經常需要制動，而且其制動比在平原地帶更為復雜。尚未有學者從橋上無縫道岔制動這一角度出發(fā)，研究坡度對制動工況下梁軌相互作用的影響。為了完善橋上無縫道岔計算理論，正確指導橋上無縫道岔的鋪設，很有必要研究坡度對長大坡道橋上無縫道岔制動工況的影響。

本文以某新建鐵路大橋為例，其橋上無縫道岔鋪設于17.2‰的大坡道上，在國內是首例，而我國橋上無縫道岔鋪設地段的坡度一般不大于6‰［5］，為保證列車運行的安全和穩(wěn)定性，需要重點關注列車制動所引起的梁軌相互作用［6］，對其鋪設方案可行性進行研究。本文考慮了 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰八種不同的坡度，研究列車制動情況下坡度對橋上無縫道岔受力變形的影響，對長大坡道上鋪設橋上無縫道岔提出建議。

1 計算模型

1.1 道岔－橋梁相互作用原理

道岔－橋梁相互作用原理是橋上無縫道岔縱向力和位移計算的理論基礎。道岔里軌發(fā)生伸縮位移后，帶動岔枕縱向移動和偏轉，一部分作用力通過扣件傳遞給基本軌，一部分作用力通過岔枕傳遞給道床再傳遞給橋梁。橋梁因伸縮或撓曲在梁面上產生縱向位移，墩臺因道岔上傳下來的力在墩頂產生縱向位移，并帶動橋梁產生縱向位移。同時，梁的位移通過道床傳到道岔上，會導致鋼軌中的縱向力重新分布，進而再影響橋梁的受力與變形?？梢姡撥?、岔枕、橋梁及墩臺是一個相互作用、相互影響的耦合系統［7］，只有建立一體化模型，才能弄清道岔及橋梁的受力變形規(guī)律。

1.2 計算模型及單元選取

從整個線橋系統出發(fā)，將道岔和橋梁作為一個相互作用、相互影響的耦合系統，基于非線性有限單元法建立了岔-橋-墩一體化模型［8］。此模型考慮了影響縱向力分布的2個重要因素:線路縱向阻力及橋梁下部結構的縱向水平剛度，如圖1所示。

圖1 橋上有砟無縫道岔模型立面

對岔-橋-墩一體化模型采用桿單元模擬鋼軌和橋梁，采用梁單元模擬道岔板和道床板?？奂v向阻力、道岔板與底座板縱向阻力、滑動層摩擦阻力、摩擦板縱向阻力、道岔傳力部件阻力、有砟軌道道床阻力等均采用非線性彈簧模擬。底座板上縱橫向凸臺、底座板與橋梁間的剪力齒槽、端刺和墩臺均采用線性彈簧模擬，線性彈簧的剛度依據各自受力與變形關系確定。這樣整個系統就可以采用桿單元、梁單元、線性彈簧單元和非線性彈簧單元4種類型的單元來模擬。

1.3 計算參數

某新建鐵路大橋為33 m簡支梁+(32.4+33+32.4+33+32.4+33)m連續(xù)梁+(48.6+79.8+48.6)連續(xù)梁+32.4 m簡支梁+16.2 m簡支梁+16.8 m簡支梁橋，道岔為單渡線18號無縫道岔，鋪設于17.2‰的大坡道上，道岔與橋梁布置如圖2所示。新建鐵路采用雙線有砟軌道，大橋從左到右、從下到上將2組道岔編號，1、2號道岔岔心里程分別為DK128+45.332、DK127+962.552，線間距為4.6 m。道床阻力參數及其他相關設計參數根據《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規(guī)定》(鐵建設函［2003］205號)取值。列車荷載采用我國高速鐵路活載圖式(ZK活載)換算為均布荷載。

圖2 橋梁墩臺與道岔布置簡圖

1.4 等效輪軌黏著系數

制動力是通過輪軌摩擦直接作用于軌面，然后通過扣件或道砟將部分荷載傳遞到橋梁墩臺［9］。作用于軌面的制動力集度q=μ·Q。μ為輪軌黏著系數，“八五”國家科技攻關項目《高速鐵路線橋隧設計參數選擇的研究》之報告三《高速鐵路軌道理論計算模式與參數建議值》中建議輪軌黏著系數取0.164，根據我國多年的試驗研究和工程實踐，輪軌黏著系數采用0.164是合適的［10］;Q為設計荷載。

由于該道岔梁位于坡道上，制動荷載還應疊加上ZK活載的坡道分力。在計算中通過將坡道上的制動荷載轉化為等效輪軌黏著系數μ0實現。在圖3中，設計荷載為Q，平行于軌道的分力F2即為坡道分力［11］

因為α角一般很小，可令sinα≈tanα，于是

圖3 坡道分力示意

線路坡度 i=H/L=tanα，故

因此，長大坡道上的等效輪軌黏著系數為μ0=μ+i，即μ0=0.164+i，作用于軌面的制動力集度q=μ0·Q。

1.5 計算工況

由于列車左入橋與右入橋2種工況下的梁軌相互作用規(guī)律基本相同，因此只分析從右向左入橋的情況，采用一線制動，分別考慮圖4中幾種制動工況。

圖4 制動工況

經計算比較，無論是鋼軌力還是位移，工況一都最大，因此取工況一進行坡度對橋上無縫道岔制動工況的影響分析，不同的坡度如表1所示。

表1 不同坡度計算工況

2 計算結果及分析

2.1 坡度對鋼軌縱向力的影響

坡度分別為 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰時，最大鋼軌縱向拉、壓力變化如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著坡度的增大，鋼軌的最大縱向拉、壓力均近似呈線性遞增。20‰坡度的最大鋼軌縱向拉力比0‰的增加了12.21%，最大鋼軌縱向壓力也增加了12.19%。

2.2 坡度對位移的影響

坡度分別為 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰時，梁軌相對位移最大值變化、鋼軌最大位移變化如圖6所示。

圖5 鋼軌最大縱向拉力和壓力

圖6 梁軌相對位移最大值和鋼軌最大位移

從圖6中可以看出，隨著坡度的增大，梁軌相對位移、鋼軌最大位移都近似呈線性遞增。20‰坡度的梁軌相對位移最大值比0‰的增加了12.23%，鋼軌最大位移也增加了12.84%。

2.3 坡度對墩臺縱向力的影響

坡度分別為 0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰、18‰、20‰時，各固定墩臺的縱向力如表2所示。

表2 不同坡度時的墩臺縱向力 kN

選取4號和8號墩臺(固定支座)做比較，其墩臺縱向力變化如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著坡度的增大，墩臺縱向力絕對值近似呈線性遞增。對4號墩臺，20‰坡度的墩臺縱向力比0‰的增加了12.18%。對8號墩臺，20‰坡度的墩臺縱向力比0‰的增加了12.21%。

2.4 其他計算結果

取1號道岔作為比較，道岔傳力部件的位移和縱向力見表3(注:由于同組道岔直、曲尖軌位移相差較小且通常曲尖軌位移稍大，表3中尖軌位移取曲尖軌位移;由于限位器不受縱向力，因此只列舉了直、側股間隔鐵的受力)。

圖7 4號和8號墩臺縱向力

表3 計算結果比較

心軌、尖軌尖端絕對位移、直側股間隔鐵縱向力隨坡度變化如圖8、圖9所示。

圖8 心軌、尖軌尖端絕對位移

圖9 直股、側股間隔鐵縱向力

從表3和圖8、圖9可以看出，隨著坡度的增大，心軌和尖軌的絕對位移以及間隔鐵的縱向力都近似呈線性遞增。其中，20‰坡度尖軌尖端的絕對位移比0‰的增加了12.83%，20‰坡度心軌尖端的絕對位移比0‰的增加了12.55%，20‰坡度的直股間隔鐵縱向力比0‰的增加了12.07%，20‰坡度的側股間隔鐵縱向力比0‰的增加了20.6%。

由圖9還可以看出，側股間隔鐵的縱向力比直股間隔鐵小，但是其受坡度的影響卻較大。這主要是由于制動是一線(正線)制動，直股間隔鐵承受正線上的長心軌傳遞來的縱向力，側股間隔鐵承受側線上的短心軌傳遞的縱向力，因此直股間隔鐵的縱向力比較大;長大坡道制動時，側股間隔鐵承受正線上的導軌傳遞的縱向力，而直股間隔鐵承受側線上的導軌傳遞的縱向力，因此側股間隔鐵受坡度的影響較大。

3 結論

通過建立有砟軌道岔-橋-墩一體化模型，分析了列車制動情況時，坡度對橋上無縫道岔受力與變形的影響，對長大坡道上無縫道岔的鋪設進行了思考和總結，結論如下。

(1)隨著坡度的增大，鋼軌縱向力、鋼軌位移、墩臺縱向力、心軌和尖軌位移以及間隔鐵縱向力都近似呈線性遞增。因此，坡度的增大對無縫道岔的受力和變形都是不利的。

(2)側股間隔鐵的縱向力比直股間隔鐵小，但是其受坡度的影響卻較大。

(3)由于長軌條在長大坡道容易產生不均勻的爬行現象，而這種爬行又會受到道岔的阻礙作用，便導致道岔的受力變形規(guī)律更加復雜［12］。在鐵路現場，應加強無縫道岔防爬鎖定，并加密防爬觀測次數。

因此，橋上無縫道岔的坡度限值有待進一步研究確定。

［1］王平，劉學毅.無縫道岔計算理論與設計方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2007:1-2.

［2］王平，楊榮山，劉學毅.無縫道岔鋪設于長大連續(xù)梁橋上時的受力與變形分析［J］.交通運輸工程與信息學報，2004，2(3):16-21.

［3］高亮亮，龔愛軍.山區(qū)鐵路改河工程設計方案研究［J］.鐵道標準設計，2012(11):72-74.

［4］文沛溪.在15‰大坡道上無縫線路的爬行觀察及其分析［J］.鐵道標準設計通訊，1977(5):33-37.

［5］王平，陳嶸，楊榮山，劉學毅.橋上無縫道岔設計理論［M］.成都:西南交通大學出版社，2011:20-23.

［6］曲村，高亮，侯博文.城市軌道交通長大橋梁上無縫線路鋼軌制動力研究［J］.城市軌道交通研究，2012(10):66-70.

［7］楊榮山.橋上無縫道岔縱向力計算理論與試驗研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2008.

［8］李秋義.客運專線橋上無縫道岔計算模型和計算方法研究［J］.鐵道標準設計，2010(2):64-66.

［9］雷俊卿，李宏年，馮東.鐵路橋梁列車制動力的試驗研究與計算分析［J］.工程力學，2006(3):134-140.

［10］中華人民共和國鐵道部.鐵建設函［2003］205號 新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［11］易思蓉.鐵路選線設計［M］.成都:西南交通大學，2009:57-58.

［12］王平，郭利康.線路爬行對無縫道岔受力與變形的影響分析［J］.西南交通大學學報，2002(12):615-619.