高速鐵路高架橋梁無縫道岔群結構檢算與優化設計

蔡小培, 王鐵霖, 楊憬帆, 徐凌雁

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

0 引言

我國幅員遼闊, 地形地貌和地質構造復雜, 而隨著高速鐵路對結構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構力學行為復雜且受多重荷載作用[1］, 綜合了無縫線路、無縫道岔、無砟軌道等技術要點。橋上無縫道岔與下部基礎結合衍生出一系列的技術難點, 如跨區間無縫線路與長大橋梁的適應性問題、橋上無縫道岔結構變形的控制問題等[2］, 是軌道工程研究領域面臨的技術難題之一。

諸多學者對橋上無縫道岔力學特性開展了大量研究工作。王平等[3］建立了長大連續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, 分析了在長大連續梁橋上鋪設無縫道岔及伸縮調節器時, 墩臺及鋼軌的受力變形規律；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、限位器數量、梁跨長度和橋墩剛度等對無縫道岔力學特性的影響。蔡小培等[5］以高速鐵路64 m主跨連續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構優化方案。高增增[6］以高架站咽喉區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］。道岔區鋼軌溫度力通過尖軌跟端和轍叉區的間隔鐵傳遞, 使無縫道岔受力變形更加復雜；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生撓曲變形, 導致無縫道岔受力變形增大, 加劇軌道不平順。為滿足無縫道岔強度、穩定性等要求, 保證線路安全運營, 需要對軌道結構進行優化設計。文獻[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原則和具體布設方案尚缺乏系統性研究。

以某高速鐵路高架橋上由8組無縫道岔構成的道岔群為例, 介紹高架橋上鋪設無砟軌道無縫道岔群的精細化建模方法, 系統分析溫度、撓曲及制動作用下橋上無縫道岔群及橋墩墩頂的受力和變形特性, 提出橋上無縫道岔設計方法, 探討鋪設小阻力扣件優化設計方案的可行性。

1 結構參數與荷載作用

1.1 橋上無縫道岔結構參數

無縫道岔與橋梁結構的相對位置、橋跨的布置形式、道岔號碼等直接影響道岔區鋼軌的受力變形特性。對于道岔群結構, 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雜。算例中的高架橋上均鋪設客運專線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、（60+100+60）m連續剛構、2×48 m連續剛構、4×48 m連續剛構、2×48 m連續剛構、4×48 m連續剛構、3×41 m雙線變四線道岔梁、3×41 m雙線變三線道岔梁、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60 kg/m鋼軌, 屈服強度為472 MPa, 考慮1.3的安全系數, 容許應力為363 MPa。

1.2 設計荷載

列車荷載采用ZK活載, 輪軌摩阻系數取0.164。最高軌溫為49.6℃, 最低軌溫為-39.5℃, 設計鎖定軌溫為（10±3）℃, 鋼軌最大溫降為52.5℃, 最大溫升為42.6℃；根據TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》（簡稱《規范》）, 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, 按結構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

根據客運專線18號可動心軌單開道岔設計參數、岔區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-墩頂共用節點, 墩臺底部地基采用節點彈性支承模擬。

鋼軌采用梁單元進行模擬, 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, 阻力值采用相關試驗取得的數據[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, 作用于鋼軌支承節點上, 限制鋼軌相對于橋梁的縱、橫向位移, 縱、橫向阻力根據《規范》取值?？奂v向阻力取值見表1。

表1 扣件縱向阻力 kN/（m·軌）

3 力學特性與結構檢算

橋梁上鋪設無縫道岔時, 伸縮力、撓曲力、制（啟）動力和斷軌力的變化規律與鋪設普通無縫線路時均有較大區別[11］, 需要重點關注。在橋上無縫道岔檢算中, 應根據梁軌相互作用原理, 考慮道岔尖軌與基本軌、道岔與橋梁之間的相互作用。檢算內容主要包括橋上無縫道岔鋼軌強度、穩定性, 以及橋上無縫道岔部件強度、尖軌位移、心軌位移、道岔轉轍器、轍叉與橋梁的相對位移等指標。鋪設無縫道岔的橋梁, 墩臺結構的設計檢算應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律, 并對鋼軌強度、橋墩墩頂縱向力等進行檢算。

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, 無縫線路強度經常不滿足《規范》要求。設計中可考慮在簡支梁跨、連續梁或剛構橋邊跨區域布置小阻力扣件, 在保證道岔正常轉換的同時, 減小梁體變形對鋼軌縱向力的影響。

考慮全橋鋪設常阻力扣件及部分區域鋪設小阻力扣件, 將鋼軌按最大溫降52.5℃進行降溫, 根據《規范》, 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突變。鋪設小阻力扣件可以減小梁軌相互作用, 在降溫幅度相同時, 鋪設小阻力扣件時的鋼軌伸縮力小于鋪設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《規范》, 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域鋼軌撓曲力、制（啟）動力產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, 無縫道岔區鋼軌受力及變形通常較小, 鋼軌撓曲力極值出現在連續剛構梁橋墩及梁縫處。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最大制（啟）動力, 制（啟）動荷載布設在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, 但遠小于溫度荷載作用的影響。在制（啟）動荷載作用下, 鋼軌發生縱向變形, 橋梁與鋼軌產生同方向位移, 且與鋼軌制動位移較為接近, 鋼軌未發生爬行, 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, 對應應力為29.93、23.85 MPa。制（啟）動壓力峰值分別為111.78、83.95 kN, 對應應力為14.43、10.84 MPa。梁軌相對位移峰值出現在制（啟）動荷載作用端部所在梁縫處（見圖7）。鋪設小阻力扣件后, 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《規范》, 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。當橋墩位于連續剛構橋的中部時, 橋墩所受縱向力通常較??；當橋墩位于連續剛構橋的梁端時, 橋梁墩頂縱向力較大。對于雙線變四線、雙線變三線道岔梁, 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

根據鋼軌伸縮力峰值出現位置, 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生突變。鋼軌折斷時, 折斷位置兩側的橋墩中將產生方向相反的力。鋼軌折斷位置附近的兩聯橋梁的橋墩縱向力變化最大。如圖9所示, 當25#墩梁縫處單根鋼軌折斷時, 橋墩墩頂縱向力峰值出現在25#墩的4×48 m連續剛構橋一側, 峰值大小為205.01 kN。當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 鋼軌強度檢算

全橋鋪設常阻力扣件時, 參考《規范》計算得到鋼軌動彎拉應力為117.67 MPa。25#墩梁縫位置的伸縮應力最大, 為241.99 MPa, 制動應力為29.93 MPa。將鋼軌伸縮應力、動彎應力、制動應力進行疊加, 鋼軌所受總應力為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常阻力扣件方案時, 難以滿足鋼軌強度檢算要求, 需要對橋上無縫道岔進行優化設計。

表2 鋼軌強度檢算 MPa

4 結構優化設計

對于高速鐵路高架橋上無縫道岔, 根據結構靜力學特性分析可知, 溫度荷載對鋼軌及橋梁的影響遠大于列車荷載作用, 檢算時可忽略列車荷載作用的影響。全橋鋪設常阻力扣件時, 鋼軌伸縮應力較大, 鋼軌強度無法滿足《規范》要求, 由于設計鎖定軌溫為（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, 因此考慮部分區域鋪設小阻力扣件（見圖10）。18#墩和19#墩之間的簡支梁鋪設小阻力扣件。對于道岔區域, 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剛構橋, 由于梁端伸縮力較大, 故2個邊跨60 m范圍布設小阻力扣件, 中間跨100 m范圍布置常阻力扣件。

圖10 結構優化方案

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

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轍機的牽引轉換有重要影響。根據計算, 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《規范》規定的相應限值（40、20 mm）。

圖11 尖軌、心軌相對位移

4.2 轉轍器處梁軌相對位移檢算

為保證道岔轉轍設備的正常運轉, 需嚴格限制轉轍器處基本軌與橋梁的相對位移。在道岔施工鎖定時, 通常僅關注軌溫是否處于鎖定軌溫, 往往忽略了梁體溫度。當道岔在梁體溫度較高時鎖定, 冬季極端氣溫下, 梁體降溫幅度較大, 轉轍器處梁軌相對位移增加（見圖12）。當梁體降溫幅度達40℃以上時, 轉轍器處梁軌相對位移超過限值10 mm。因此, 在無縫道岔鋪設時, 應嚴格控制梁體的溫度。

圖12 轉轍器處梁軌相對位移

4.3 其他指標檢算

小阻力扣件方案的各項靜力檢算結果見表3, 無縫線路強度、鋼軌斷縫值、間隔鐵螺栓強度、梁軌相對位移等指標均可滿足《規范》要求。簡支梁、道岔以外的梁端區域適當鋪設小阻力扣件的方案, 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, 增強結構服役性能并延長使用壽命。

表3 橋上無縫道岔靜力檢算結果

5 結論

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的受力與變形特性進行分析研究, 具體結論如下：

（1）當無縫道岔群鋪設于溫度跨度較大的多聯橋梁時, 無縫道岔鋼軌縱向力較大。示例中, 梁端鋼軌縱向應力峰值達389.59 MPa, 鋼軌強度不滿足《規范》要求。在梁端區域鋪設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, 無縫道岔區鋼軌撓曲力較小。小阻力扣件方案下撓曲力峰值僅為10.76 kN, 撓曲力不作為鋼軌強度檢算的控制指標。

（3）當無縫道岔群鋪設于跨度較大的連續剛構橋時, 溫度作用下橋墩墩頂縱向力遠大于斷軌時的墩頂縱向力。

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