高速铁路高架桥梁无缝道岔群结构检算与优化设计

高速铁路高架桥梁无缝道岔群结构检算与优化设计

詹志虎

中国建筑第二工程局有限公司华东分公司  上海市 200135

摘要：考虑到道岔梁不宜采用伸缩调节器，通过铺设小阻力扣件、适当降低锁定轨温、放大断缝值要求等轨道措施，可使得钢轨应力、道岔传力部件受力、道岔可动部分纵向位移、转辙机处梁轨相对位移等指标均满足规范要求。铺设小阻力扣件可有效降低钢轨伸缩力幅值，对钢轨制动力则影响不大，相比在伸缩力峰值附近铺设小阻力扣件，在道岔梁及其间插入的简支梁上铺设小阻力扣件的方案更优。本文对高速铁路高架桥梁无缝道岔群结构检算与优化设计进行分析，以供参考。

关键词：高速铁路；桥上无缝道岔；结构优化

引言

跨区间无缝线路技术的应用为我国高速铁路飞速发展、领跑世界提供了技术支撑。而无缝道岔尤其是梁轨相互作用关系复杂的桥上无缝道岔技术，是跨区间无缝线路得以广泛应用的关键基础技术之一。在列车高速运行条件下，无缝道岔与桥梁之间的静力、动力相互作用机理较为复杂，大跨桥上铺设的无缝道岔对高速行车的适应性是制约高速铁路建设与发展的基础性难题之一。

1概述

市域铁路作为都市圈多层次轨道交通体系的重要组成部分，具有线路条件苛刻、桥跨布置复杂等特点。随着城市化和铁路的快速发展，市域铁路的建设中不可避免的会出现大跨连续梁上布置无缝道岔的情况。桥上无缝道岔本就是多层异质相互作用的复杂系统，复杂的无缝道岔、无砟轨道结构形式再叠加大跨桥梁大变形、大温跨的影响，轨道安全服役性能将受到严峻挑战。此外，高架站前、站后道岔一般是成群布置的，钢轨纵向力分布还会受到道岔群间相互作用的影响。诸多学者针对连续梁上无缝道岔纵向力学特性展开了研究，桥梁主跨从32m、48m、56m到64m逐渐递增，研究内容主要包括岔桥相对位置、各种工况下无缝道岔结构受力变形检算、小阻力扣件布设等方面分析了典型高架站咽喉区无缝道岔的轨道受力和变形特性，提出铺设小阻力扣件以及在道岔梁间插入简支梁对无缝道岔受力有利。对客运专线道岔梁结构形式和桥跨布置展开了研究，认为在典型咽喉区采用32.7m的梁桥较为合理，并提出了岔桥相对位置的布置原则。建立了主跨48m连续梁上无缝道岔空间耦合模型，分析了温度荷载及列车荷载作用下无缝道岔受力及变形，着重强调了钢轨横向变形的重要性。以郑西客运专线主跨56m桥上单开和渡线道岔为背景，研究了温度场作用下无缝道岔的纵、横向受力与变形，得出钢轨纵向位移远大于横向位移以及梁体变形与道岔结构形式无关的结论。然而，以上研究中针对主跨64m及以上的大跨连续梁桥上无缝道岔的研究较为匮乏，对主跨64m连续梁桥上1组18号单开道岔进行了受力变形检算，且其道岔形式单一，并未考虑道岔群间的相互影响。

2计算参数

正线以铺设有砟轨道为主，在地质情况良好且长度大于6km的隧道内铺设弹性支承块式无砟轨道。南溪河站位于元江站与墨江站之间，为缓开越行站，车站设到发线4条（含正线2条，到发线2条），到发线有效长度按880m设计。道岔里轨由于温度变化引起的伸缩不仅造成里轨与基本轨相互作用，而且通过扣件、桥面系引起道岔与桥梁的相互作用。道岔-桥梁相互作用是这两种作用相互耦合与相互叠加后的综合效果。本桥道岔梁与大跨度主桥临近，结构复杂，同时桥上铺设无缝道岔群后，道岔群与道岔梁和大跨度连续梁之间的相互作用更加复杂，使得桥上无缝道岔群设计更为困难。道岔结构由多个部件组成，梁轨相互作用下，道岔结构各部件应满足强度及变形要求，从而确保道岔结构满足转换功能。道岔采用12号GLC（08）01道岔，轨道采用60kg/mU75V钢轨、弹条Ⅱ型扣件、新Ⅲ型混凝土桥枕、一级碎石道砟，小阻力扣件采用石龙桥小阻力扣件，最高轨温62.5℃，最低轨温-0.1℃，锁定轨温35℃±5℃，计算参数按照TB10015—2012《铁路无缝线路设计规范》取值。列车荷载采用中荷载，加载长度取400m，轮轨黏着系数取0.164。

3力学特性与结构检算

3.1温度作用

对于温度跨度较大的高架桥，在升温或降温作用下，梁缝处钢轨纵向力较大，无缝线路强度经常不满足《规范》要求。设计中可考虑在简支梁跨、连续梁或刚构桥边跨区域布置小阻力扣件，在保证道岔正常转换的同时，减小梁体变形对钢轨纵向力的影响。由于尖轨将温度力通过间隔铁传递给基本轨，钢轨纵向力在道岔间隔铁所在位置出现突变。铺设小阻力扣件可以减小梁轨相互作用，在降温幅度相同时，铺设小阻力扣件时的钢轨伸缩力小于铺设常阻力扣件时的钢轨伸缩力。降温作用下，布置常阻力、小阻力扣件时钢轨伸缩力峰值均出现在25#墩所在梁缝处，大小分别为1874.21、1651.65kN，即241.99、213.25MPa。

3.2断轨作用

根据钢轨伸缩力峰值出现位置，考虑在25#墩、29#墩梁缝处单根钢轨折断时，钢轨折断后，无缝线路的纵向力将重新分布。折断钢轨中的纵向力将得到放散，未折断钢轨中的纵向力将突然增大，同时，桥墩墩顶纵向力将产生突变。钢轨折断时，折断位置两侧的桥墩中将产生方向相反的力。钢轨折断位置附近的两联桥梁的桥墩纵向力变化最大。当25#墩梁缝处单根钢轨折断时，桥墩墩顶纵向力峰值出现在25#墩的4×48m连续刚构桥一侧，峰值大小为205.01kN。当29#墩梁缝处单根钢轨折断时，桥墩墩顶纵向力峰值同样出现在25#墩，峰值大小为138.47kN。

4结构优化设计

4.1尖轨、心轨位移检算

尖轨与基本轨、心轨与翼轨的相对位移量对道岔转辙机的牵引转换有重要影响。根据计算，在温度作用下，尖轨与心轨的位移量较大，而在制（启）动荷载作用下较小。温度作用下，尖轨尖端相对基本轨位移最大在8#道岔，位移量为15.19mm，心轨尖端相对于翼轨位移最大在10#道岔，位移量为9.60mm，对应道岔的尖轨尖端相对基本轨位移均大于心轨相对翼轨位移。在温度作用下，尖轨与基本轨、心轨与翼轨的相对位移均小于《规范》规定的相应限值（40、20mm）。

4.2动力学模型

（1）车辆模型。模型忽略车辆结构及部件变形，将其简化为多刚体系统，包括轮对、转向架和车体等。其中，一系悬挂、二系悬挂采用弹簧-阻尼单元进行模拟，转向架、车体考虑横移、侧滚、点头、摇头和沉浮共5个自由度，轮对不考虑点头运动，共4个自由度。因此，车辆模型共31个自由度。（2）道岔模型。可动变截面钢轨及多组限位、转换锁闭结构部件，导致道岔模型较为复杂。模型需尽可能模拟无缝道岔各部件的力学特性与传力机制，以保证计算结果的精确性。

结束语

综上所述，当无缝道岔群铺设于温度跨度较大的多联桥梁时，无缝道岔钢轨纵向力较大。示例中，梁端钢轨纵向应力峰值达389.59MPa，钢轨强度不满足《规范》要求。在梁端区域铺设小阻力扣件可显著降低钢轨伸缩力峰值。

参考文献

[1]蔡小培,张乾,万洪波,高增增.高速铁路64m主跨桥上无缝道岔检算与结构优化[J].铁道工程学报,2020,37(09):12-17.

[2]何北.既有线插入无缝交叉渡线道岔施工工艺研究[J].工程技术研究,2020,5(07):9-11.

[3]杜彦臻,牟航,李仲勤.基于空间杆件体系的12#单开无缝道岔稳定性分析[J].铁路计算机应用,2020,29(03):5-10.

[4]蔡萌.无缝前行记——记2017年度国家科技进步奖一等奖获奖项目“复杂环境下高速铁路无缝线路关键技术及应用”[J]. 2018(02):89-90.

[5]罗华朋,陈嵘,宋姣姣,王平.地震作用对有砟轨道桥上无缝道岔纵向受力与变形影响分析[J].铁道标准设计,2018,62(05):30-36.