蔡小培, 王鐵霖, 楊憬帆, 徐凌雁

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044；2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 線路站場樞紐設(shè)計研究院, 天津 300308）

0 引言

我國幅員遼闊, 地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 而隨著高速鐵路對結(jié)構(gòu)空間的限制要求以及對高速鐵路運營、平順性要求越來越高, 布設(shè)在高架橋梁上的車站和道岔也越來越多。橋上無縫道岔軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為復(fù)雜且受多重荷載作用[1］, 綜合了無縫線路、無縫道岔、無砟軌道等技術(shù)要點。橋上無縫道岔與下部基礎(chǔ)結(jié)合衍生出一系列的技術(shù)難點, 如跨區(qū)間無縫線路與長大橋梁的適應(yīng)性問題、橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)變形的控制問題等[2］, 是軌道工程研究領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題之一。

諸多學(xué)者對橋上無縫道岔力學(xué)特性開展了大量研究工作。王平等[3］建立了長大連續(xù)梁橋上無縫道岔的計算模型, 以60 kg/m鋼軌12號可動心軌道岔為例, 分析了在長大連續(xù)梁橋上鋪設(shè)無縫道岔及伸縮調(diào)節(jié)器時, 墩臺及鋼軌的受力變形規(guī)律；曾志平等[4］將道岔、橋梁和墩臺視為整體, 建立了橋上無縫道岔有限元模型, 根據(jù)變分原理和“對號入座”法則建立有限元方程組, 研究了支座布置形式、軌溫及梁溫變化幅度、扣件及道床阻力、限位器數(shù)量、梁跨長度和橋墩剛度等對無縫道岔力學(xué)特性的影響。蔡小培等[5］以高速鐵路64 m主跨連續(xù)梁橋上無縫道岔為研究對象, 建立了無縫道岔-無砟軌道-橋梁空間耦合模型, 分析了溫度作用、列車荷載以及斷軌時大跨橋上無縫道岔的力學(xué)特性, 提出了一套適用于大跨橋梁無縫道岔的檢算方法和軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。高增增[6］以高架站咽喉區(qū)橋上單渡線和單開道岔為研究對象, 建立了線橋墩一體化模型, 研究了在鋪設(shè)常阻力方案、不同小阻力方案和道岔梁間插入簡支梁方案時, 無縫線路和無縫道岔軌道受力和變形規(guī)律。

橋梁溫度跨度較大時, 在溫度作用下無縫道岔縱向力較大, 道岔-橋梁相互作用明顯[7］。道岔區(qū)鋼軌溫度力通過尖軌跟端和轍叉區(qū)的間隔鐵傳遞, 使無縫道岔受力變形更加復(fù)雜；無縫道岔群布置在高架橋上時, 在列車荷載作用下橋梁會產(chǎn)生撓曲變形, 導(dǎo)致無縫道岔受力變形增大, 加劇軌道不平順。為滿足無縫道岔強(qiáng)度、穩(wěn)定性等要求, 保證線路安全運營, 需要對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。文獻(xiàn)[8-9］推薦使用小阻力扣件以減小鋼軌受力, 但針對橋上無縫道岔群小阻力扣件的布設(shè)原則和具體布設(shè)方案尚缺乏系統(tǒng)性研究。

以某高速鐵路高架橋上由8組無縫道岔構(gòu)成的道岔群為例, 介紹高架橋上鋪設(shè)無砟軌道無縫道岔群的精細(xì)化建模方法, 系統(tǒng)分析溫度、撓曲及制動作用下橋上無縫道岔群及橋墩墩頂?shù)氖芰妥冃翁匦? 提出橋上無縫道岔設(shè)計方法, 探討鋪設(shè)小阻力扣件優(yōu)化設(shè)計方案的可行性。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與荷載作用

1.1 橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)

無縫道岔與橋梁結(jié)構(gòu)的相對位置、橋跨的布置形式、道岔號碼等直接影響道岔區(qū)鋼軌的受力變形特性。對于道岔群結(jié)構(gòu), 由于道岔間存在順接、對接等連接方式, 無縫道岔受力變形更加復(fù)雜。算例中的高架橋上均鋪設(shè)客運專線18號可動心軌單開道岔, 直線通過速度350 km/h, 道岔位置、橋梁墩臺編號及橋跨范圍見圖1。

圖1 橋上無縫道岔示意圖

（1）橋梁。橋梁型式依次為：（40+40）m T型剛構(gòu)、（60+100+60）m連續(xù)剛構(gòu)、2×48 m連續(xù)剛構(gòu)、4×48 m連續(xù)剛構(gòu)、2×48 m連續(xù)剛構(gòu)、4×48 m連續(xù)剛構(gòu)、3×41 m雙線變四線道岔梁、3×41 m雙線變?nèi)€道岔梁、5×32 m簡支箱梁。

（2）軌道。橋上道岔為客運專線18號可動心軌單開道岔, 采用U75VG材質(zhì)60 kg/m鋼軌, 屈服強(qiáng)度為472 MPa, 考慮1.3的安全系數(shù), 容許應(yīng)力為363 MPa。

1.2 設(shè)計荷載

列車荷載采用ZK活載, 輪軌摩阻系數(shù)取0.164。最高軌溫為49.6℃, 最低軌溫為-39.5℃, 設(shè)計鎖定軌溫為（10±3）℃, 鋼軌最大溫降為52.5℃, 最大溫升為42.6℃；根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》）, 混凝土梁考慮年溫差, 溫差變化30℃。按ZK活載施加撓曲和制（啟）動作用, 按結(jié)構(gòu)最大升降溫施加溫度作用, 并分析極端氣溫下鋼軌折斷對橋墩墩頂縱向力的影響。

2 空間耦合模型建立

根據(jù)客運專線18號可動心軌單開道岔設(shè)計參數(shù)、岔區(qū)無砟軌道與橋梁的實際布置情況, 基于道岔-橋梁相互作用原理、非線性有限元理論, 考慮道岔、無砟軌道、橋梁及墩臺的相互作用, 建立無縫道岔-橋梁-墩臺空間耦合模型（見圖2）。為消除邊界條件的影響, 橋梁兩側(cè)各建立150 m路基段。

圖2 無縫道岔-梁體-墩臺空間耦合模型

高架橋的梁體、橋墩采用梁單元模擬, 梁體-墩頂共用節(jié)點, 墩臺底部地基采用節(jié)點彈性支承模擬。

鋼軌采用梁單元進(jìn)行模擬, 考慮縱向、橫向及垂向位移。道岔尖軌與可動心軌前端可自由伸縮, 尖軌或可動心軌尖端位移為其跟端位移與自由段伸縮位移之和。間隔鐵阻力使用非線性彈簧單元模擬, 阻力值采用相關(guān)試驗取得的數(shù)據(jù)[10］。

扣件縱向阻力采用非線性彈簧單元模擬, 橫向阻力采用線性彈簧單元模擬, 作用于鋼軌支承節(jié)點上, 限制鋼軌相對于橋梁的縱、橫向位移, 縱、橫向阻力根據(jù)《規(guī)范》取值?？奂v向阻力取值見表1。

表1 扣件縱向阻力 kN/（m·軌）

3 力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)檢算

橋梁上鋪設(shè)無縫道岔時, 伸縮力、撓曲力、制（啟）動力和斷軌力的變化規(guī)律與鋪設(shè)普通無縫線路時均有較大區(qū)別[11］, 需要重點關(guān)注。在橋上無縫道岔檢算中, 應(yīng)根據(jù)梁軌相互作用原理, 考慮道岔尖軌與基本軌、道岔與橋梁之間的相互作用。檢算內(nèi)容主要包括橋上無縫道岔鋼軌強(qiáng)度、穩(wěn)定性, 以及橋上無縫道岔部件強(qiáng)度、尖軌位移、心軌位移、道岔轉(zhuǎn)轍器、轍叉與橋梁的相對位移等指標(biāo)。鋪設(shè)無縫道岔的橋梁, 墩臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計檢算應(yīng)考慮無縫線路的縱向力。

基于建立的無縫道岔-梁體-墩臺空間耦合模型, 分析伸縮力、撓曲力及制（啟）動力作用下鋼軌受力與變形規(guī)律, 并對鋼軌強(qiáng)度、橋墩墩頂縱向力等進(jìn)行檢算。

3.1 溫度作用

對于溫度跨度較大的高架橋, 在升溫或降溫作用下, 梁縫處鋼軌縱向力較大, 無縫線路強(qiáng)度經(jīng)常不滿足《規(guī)范》要求。設(shè)計中可考慮在簡支梁跨、連續(xù)梁或剛構(gòu)橋邊跨區(qū)域布置小阻力扣件, 在保證道岔正常轉(zhuǎn)換的同時, 減小梁體變形對鋼軌縱向力的影響。

考慮全橋鋪設(shè)常阻力扣件及部分區(qū)域鋪設(shè)小阻力扣件, 將鋼軌按最大溫降52.5℃進(jìn)行降溫, 根據(jù)《規(guī)范》, 無砟軌道梁降溫30℃, 兩工況下鋼軌伸縮力見圖3。

圖3 鋼軌伸縮力

由于尖軌將溫度力通過間隔鐵傳遞給基本軌, 鋼軌縱向力在道岔間隔鐵所在位置出現(xiàn)突變。鋪設(shè)小阻力扣件可以減小梁軌相互作用, 在降溫幅度相同時, 鋪設(shè)小阻力扣件時的鋼軌伸縮力小于鋪設(shè)常阻力扣件時的鋼軌伸縮力。由圖3可知, 降溫作用下, 布置常阻力、小阻力扣件時鋼軌伸縮力峰值均出現(xiàn)在25#墩所在梁縫處, 大小分別為1 874.21、1 651.65 kN, 即241.99、213.25 MPa。

3.2 列車荷載作用

列車荷載作用主要考慮為垂向的撓曲荷載與縱向的制（啟）動荷載。根據(jù)《規(guī)范》, 伸縮力與撓曲力不疊加。采用影響線加載法確定無縫道岔區(qū)域鋼軌撓曲力、制（啟）動力產(chǎn)生峰值時荷載作用的位置。

3.2.1 撓曲力

考慮列車撓曲荷載位于25#墩起向大號碼墩方向400 m的單線直向過岔軌道上, 全橋常阻力扣件和設(shè)置小阻力扣件對鋼軌撓曲力的影響對比見圖4。

圖4 鋼軌撓曲力

由于混凝土箱梁截面慣性矩較大, 橋梁截面抗彎剛度大, 對于高架橋上無縫道岔來說, 在撓曲荷載作用下, 無縫道岔區(qū)鋼軌受力及變形通常較小, 鋼軌撓曲力極值出現(xiàn)在連續(xù)剛構(gòu)梁橋墩及梁縫處。由圖4可知, 在列車垂向荷載作用下, 撓曲力極值均出現(xiàn)在橋墩處, 布置常阻力、小阻力扣件時撓曲力峰值分別為17.58、10.76 kN。

3.2.2 制（啟）動力

為使25#墩梁縫處的無縫線路出現(xiàn)最大制（啟）動力, 制（啟）動荷載布設(shè)在25#墩起向大號碼墩方向400 m的單線直向過岔軌道上（見圖5）。全橋常阻力扣件和設(shè)置小阻力扣件對鋼軌制（啟）動力的影響對比見圖6。

圖5 制動力加載示意圖

圖6 鋼軌制（啟）動力

與撓曲荷載相比, 制（啟）動荷載對橋上道岔鋼軌受力及變形影響較為顯著, 但遠(yuǎn)小于溫度荷載作用的影響。在制（啟）動荷載作用下, 鋼軌發(fā)生縱向變形, 橋梁與鋼軌產(chǎn)生同方向位移, 且與鋼軌制動位移較為接近, 鋼軌未發(fā)生爬行, 道岔幾何形位能夠得到保證[12］。由圖6可知, 鋼軌制（啟）動力峰值出現(xiàn)在制（啟）動荷載作用端部。布置常阻力、小阻力扣件時制（啟）動拉力峰值分別為231.80、184.69 kN, 對應(yīng)應(yīng)力為29.93、23.85 MPa。制（啟）動壓力峰值分別為111.78、83.95 kN, 對應(yīng)應(yīng)力為14.43、10.84 MPa。梁軌相對位移峰值出現(xiàn)在制（啟）動荷載作用端部所在梁縫處（見圖7）。鋪設(shè)小阻力扣件后, 梁軌相對位移有所增加。常阻力、小阻力方案下梁軌相對位移峰值分別為1.62、2.35 mm。

圖7 梁軌相對位移

3.3 橋墩墩頂縱向力

3.3.1 溫度作用

鋼軌最大溫降52.5℃, 最大溫升42.6℃。根據(jù)《規(guī)范》, 無砟軌道梁年溫差取30℃。計算得到的橋墩墩頂縱向力見圖8。

由于橋梁跨度不同, 以及部分橋梁鋪設(shè)無縫道岔后受道岔尖軌伸縮的影響, 各橋梁墩臺所受縱向力相差較大。當(dāng)橋墩位于連續(xù)剛構(gòu)橋的中部時, 橋墩所受縱向力通常較?。划?dāng)橋墩位于連續(xù)剛構(gòu)橋的梁端時, 橋梁墩頂縱向力較大。對于雙線變四線、雙線變?nèi)€道岔梁, 橋梁墩頂縱向力受無縫道岔影響較大, 19#、22#、25#邊墩墩頂縱向力較大。由圖8可知, 鋼軌降溫52.5℃、無砟軌道梁降溫30℃時, 橋墩墩頂縱向力峰值出現(xiàn)在25#墩處, 大小為4 162.39 kN；鋼軌升溫42.6℃、無砟軌道梁升溫30℃時, 橋墩墩頂縱向力峰值出現(xiàn)在25#墩處, 大小為4 030.59 kN。

圖8 溫度作用下橋墩墩頂縱向力

3.3.2 斷軌作用

根據(jù)鋼軌伸縮力峰值出現(xiàn)位置, 考慮在25#墩、29#墩梁縫處單根鋼軌折斷時, 橋墩墩頂縱向力見圖9。

鋼軌折斷后, 無縫線路的縱向力將重新分布。折斷鋼軌中的縱向力將得到放散, 未折斷鋼軌中的縱向力將突然增大, 同時, 橋墩墩頂縱向力將產(chǎn)生突變。鋼軌折斷時, 折斷位置兩側(cè)的橋墩中將產(chǎn)生方向相反的力。鋼軌折斷位置附近的兩聯(lián)橋梁的橋墩縱向力變化最大。如圖9所示, 當(dāng)25#墩梁縫處單根鋼軌折斷時, 橋墩墩頂縱向力峰值出現(xiàn)在25#墩的4×48 m連續(xù)剛構(gòu)橋一側(cè), 峰值大小為205.01 kN。當(dāng)29#墩梁縫處單根鋼軌折斷時, 橋墩墩頂縱向力峰值同樣出現(xiàn)在25#墩, 峰值大小為138.47 kN。

圖9 斷軌作用下橋墩墩頂縱向力

3.4 鋼軌強(qiáng)度檢算

全橋鋪設(shè)常阻力扣件時, 參考《規(guī)范》計算得到鋼軌動彎拉應(yīng)力為117.67 MPa。25#墩梁縫位置的伸縮應(yīng)力最大, 為241.99 MPa, 制動應(yīng)力為29.93 MPa。將鋼軌伸縮應(yīng)力、動彎應(yīng)力、制動應(yīng)力進(jìn)行疊加, 鋼軌所受總應(yīng)力為389.59 MPa, 超過容許值363.00 MPa（見表2）。因此橋上無縫道岔采用全橋鋪設(shè)常阻力扣件方案時, 難以滿足鋼軌強(qiáng)度檢算要求, 需要對橋上無縫道岔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

表2 鋼軌強(qiáng)度檢算 MPa

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對于高速鐵路高架橋上無縫道岔, 根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性分析可知, 溫度荷載對鋼軌及橋梁的影響遠(yuǎn)大于列車荷載作用, 檢算時可忽略列車荷載作用的影響。全橋鋪設(shè)常阻力扣件時, 鋼軌伸縮應(yīng)力較大, 鋼軌強(qiáng)度無法滿足《規(guī)范》要求, 由于設(shè)計鎖定軌溫為（10±3）℃, 溫度較低, 難以通過降低軌溫減小鋼軌伸縮力, 故需考慮布置小阻力扣件。小阻力扣件可有效減小梁軌之間的相互作用, 減小梁體變形對鋼軌縱向受力的影響。由于鋼軌降溫幅度過大, 鋼軌縱向力峰值極大, 因此考慮部分區(qū)域鋪設(shè)小阻力扣件（見圖10）。18#墩和19#墩之間的簡支梁鋪設(shè)小阻力扣件。對于道岔區(qū)域, 道岔前后10 m外布置小阻力扣件, 同時, 小阻力扣件布置范圍距離梁縫不超過30 m。對于（60+100+60）m剛構(gòu)橋, 由于梁端伸縮力較大, 故2個邊跨60 m范圍布設(shè)小阻力扣件, 中間跨100 m范圍布置常阻力扣件。

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

基于所建立的無縫道岔-橋梁-墩臺空間耦合模型, 對優(yōu)化后的橋上無縫道岔進(jìn)行受力分析。鋪設(shè)小阻力扣件時鋼軌受力得到改善, 最大應(yīng)力值較鋪設(shè)常阻力扣件時明顯降低。按小阻力扣件方案設(shè)計時, 無縫線路區(qū)域鋼軌總應(yīng)力為354.77 MPa, 無縫道岔區(qū)域鋼軌總應(yīng)力為304.96 MPa, 與常阻力扣件方案相比, 分別降低8.94%、21.72%, 此時鋼軌強(qiáng)度滿足《規(guī)范》要求。因此, 對小阻力扣件方案其他指標(biāo)進(jìn)行檢算。

4.1 尖軌、心軌位移檢算

尖軌與基本軌、心軌與翼軌的相對位移量對道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的牽引轉(zhuǎn)換有重要影響。根據(jù)計算, 在溫度作用下, 尖軌與心軌的位移量較大, 而在制（啟）動荷載作用下較小。溫度作用下, 尖軌尖端相對基本軌位移最大在8#道岔, 位移量為15.19 mm, 心軌尖端相對于翼軌位移最大在10#道岔, 位移量為9.60 mm, 對應(yīng)道岔的尖軌尖端相對基本軌位移均大于心軌相對翼軌位移（見圖11）。在溫度作用下, 尖軌與基本軌、心軌與翼軌的相對位移均小于《規(guī)范》規(guī)定的相應(yīng)限值（40、20 mm）。

圖11 尖軌、心軌相對位移

4.2 轉(zhuǎn)轍器處梁軌相對位移檢算

為保證道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的正常運轉(zhuǎn), 需嚴(yán)格限制轉(zhuǎn)轍器處基本軌與橋梁的相對位移。在道岔施工鎖定時, 通常僅關(guān)注軌溫是否處于鎖定軌溫, 往往忽略了梁體溫度。當(dāng)?shù)啦碓诹后w溫度較高時鎖定, 冬季極端氣溫下, 梁體降溫幅度較大, 轉(zhuǎn)轍器處梁軌相對位移增加（見圖12）。當(dāng)梁體降溫幅度達(dá)40℃以上時, 轉(zhuǎn)轍器處梁軌相對位移超過限值10 mm。因此, 在無縫道岔鋪設(shè)時, 應(yīng)嚴(yán)格控制梁體的溫度。

圖12 轉(zhuǎn)轍器處梁軌相對位移

4.3 其他指標(biāo)檢算

小阻力扣件方案的各項靜力檢算結(jié)果見表3, 無縫線路強(qiáng)度、鋼軌斷縫值、間隔鐵螺栓強(qiáng)度、梁軌相對位移等指標(biāo)均可滿足《規(guī)范》要求。簡支梁、道岔以外的梁端區(qū)域適當(dāng)鋪設(shè)小阻力扣件的方案, 可有效減弱荷載作用下梁軌之間的相互作用, 減小橋梁變形對無縫道岔的受力與變形的影響, 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)服役性能并延長使用壽命。

表3 橋上無縫道岔靜力檢算結(jié)果

5 結(jié)論

以具體工程實例為背景, 建立了無縫道岔-梁體-墩臺空間耦合模型, 對橋上無縫道岔及橋墩墩頂?shù)氖芰εc變形特性進(jìn)行分析研究, 具體結(jié)論如下：

（1）當(dāng)無縫道岔群鋪設(shè)于溫度跨度較大的多聯(lián)橋梁時, 無縫道岔鋼軌縱向力較大。示例中, 梁端鋼軌縱向應(yīng)力峰值達(dá)389.59 MPa, 鋼軌強(qiáng)度不滿足《規(guī)范》要求。在梁端區(qū)域鋪設(shè)小阻力扣件可顯著降低鋼軌伸縮力峰值。

（2）混凝土箱梁整體性好, 截面慣性矩較大。在列車垂向荷載作用下, 無縫道岔區(qū)鋼軌撓曲力較小。小阻力扣件方案下?lián)锨Ψ逯祪H為10.76 kN, 撓曲力不作為鋼軌強(qiáng)度檢算的控制指標(biāo)。

（3）當(dāng)無縫道岔群鋪設(shè)于跨度較大的連續(xù)剛構(gòu)橋時, 溫度作用下橋墩墩頂縱向力遠(yuǎn)大于斷軌時的墩頂縱向力。

（4）無縫道岔鋪設(shè)時, 建議控制梁體的整體溫度接近年平均梁溫, 避免夏季高溫、冬季低溫時轉(zhuǎn)轍器處梁軌相對位移超限, 影響道岔牽引轉(zhuǎn)換。