高速鐵路大跨橋上無縫道岔理論研究與工程應用

高志國

（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）

1 概述

跨區間無縫線路技術的應用為我國高速鐵路飛速發展、領跑世界提供了技術支撐。而無縫道岔尤其是梁軌相互作用關系復雜的橋上無縫道岔技術, 是跨區間無縫線路得以廣泛應用的關鍵基礎技術之一。在列車高速運行條件下, 無縫道岔與橋梁之間的靜力、動力相互作用機理較為復雜, 大跨橋上鋪設的無縫道岔對高速行車的適應性是制約高速鐵路建設與發展的基礎性難題之一[1］。TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》[2］規定, 道岔梁宜采用整體穩定性好、剛度大的上部結構形式。此外, 主跨大于48 m的連續梁鋪設無縫道岔需進行專項檢算。

針對大跨度連續梁鋪設無縫道岔, 不同學者均開展過研究與工程應用。李秋義等[3-4］通過建立岔-橋-墩有限元模型, 研究不同橋跨布置的連續梁單渡線岔區軌道受力變形特性。高亮等[5-6］從溫度荷載、豎向列車荷載、鋼軌變形等角度分析主跨48 m連續梁無縫道岔的空間力學特性。孫加林[7］基于有限元方法對主跨56 m連續梁上無縫道岔溫度場岔-梁相互作用進行了研究。蔡小培等[8］以京雄城際鐵路黃固特大橋為例, 研究了主跨64 m連續梁鋪設無縫道岔的靜動力特性。殷明旻等[9］針對廈深客專韓江特大橋最大跨度88 m連續梁橋無縫道岔, 分析了岔-橋-墩相互作用與動力學特性。既有研究與工程實踐中, 通常將無縫道岔布設于小跨度橋上, 且橋跨布置相對簡單, 列車通過速度較低, 對于主跨100 m以上的大跨度連續梁鋪設無縫道岔的應用和研究相對較少。

以沈白高鐵（60+100+60）m大跨度連續梁為研究對象, 建立岔-橋-墩一體化耦合力學模型, 研究岔橋縱向耦合相互作用及列車過岔走行特性, 并提出工程應用建議, 為咽喉區大跨度橋梁鋪設無縫道岔提供設計參考, 為其他類似工程應用提供借鑒。

2 工程概況

沈白高鐵是設計速度350 km/h的高速鐵路, 在某車站咽喉區（60+100+60）m大跨度連續梁鋪設了1組5 m線間距單渡線道岔。道岔梁小里程方向為（76+144+76）m剛構橋接4-32 m簡支梁, 大里程方向有（132+132）m T構橋, 二者與道岔梁之間各有2孔簡支梁, 跨度分別為24、32 m, 橋跨條件復雜。道岔均為18號單開道岔, 岔區采用軌枕埋入式無砟軌道, 非岔區鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道, 岔橋相對位置關系示意見圖1。岔枕間距為600 mm, 尖軌采用彈性可彎結構, 尖端為藏尖式。

圖1 岔橋相對位置關系示意圖

當地最高、最低軌溫分別為56.0、-35.5℃, 取鎖定軌溫為15.0℃, 鋼軌最大升溫幅度為44.0℃, 最大降溫幅度為54.0℃；無砟軌道混凝土梁計算梁溫差取30.0℃。根據TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》[2］, 本研究采用的計算荷載為ZK活載。

3 模型及計算參數

3.1 靜力學模型

基于梁軌相互作用原理, 建立岔-橋-墩一體化有限元計算模型, 進行岔-橋-墩相互作用分析。模型中, 鋼軌采用Euler-Bernoulli梁單元模擬, 扣件采用彈簧單元模擬, 橫向和垂向約束考慮為線性彈簧, 縱向彈簧參考TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》采用雙折線非線性彈簧模擬。無砟軌道、橋梁采用鐵木辛柯梁單元模擬, 并充分考慮材料、截面特性。岔-橋-墩一體化計算模型見圖2[10］。

圖2 岔-橋-墩一體化計算模型

3.2 動力學模型

（1）車輛模型。模型忽略車輛結構及部件變形, 將其簡化為多剛體系統, 包括輪對、轉向架和車體等。其中, 一系懸掛、二系懸掛采用彈簧-阻尼單元進行模擬, 轉向架、車體考慮橫移、側滾、點頭、搖頭和沉浮共5個自由度, 輪對不考慮點頭運動, 共4個自由度。因此, 車輛模型共31個自由度。車輛模型拓撲圖見圖3。

圖3 車輛模型拓撲圖

（2）道岔模型?？蓜幼兘孛驿撥壖岸嘟M限位、轉換鎖閉結構部件, 導致道岔模型較為復雜。模型需盡可能模擬無縫道岔各部件的力學特性與傳力機制, 以保證計算結果的精確性。

道岔轉轍器及轍叉部位的尖軌、心軌由變截面鋼軌構成, 鋼軌軌頂面及截面尺寸沿縱向變化, 鋼軌踏面與輪對的相互作用關系也不盡相同。模型中, 通過在關鍵截面間插值, 計算得到任意斷面。通過向前后一定范圍插值足夠數量的計算斷面, 模擬列車運行時, 輪軌接觸作用在單根鋼軌與雙根鋼軌間的轉換過程。

考慮無縫道岔的必要組成部分, 建立橋上無縫道岔動力分析模型（見圖4）。

圖4 道岔結構整體模型示意圖

利用哈密爾頓原理, 建立無縫道岔在列車高速運行條件下的總動能、總勢能及虛功方程, 完成無縫道岔振動方程的建立。參考文獻[11］的方法, 可推導出道岔質量矩陣[Mt］、剛度矩陣[Kt］、阻尼矩陣[Ct］, 進而得到振動方程：

式中：{u?t}、{u?t}、{ut}分別為子系統的加速度、速度和位移陣列, 其各行變量對應位移變分行所描述的道岔結構自由度；｛Pt｝為道岔系統荷載陣列, 根據車-岔耦合振動關系確定, 并合并至整體系統荷載陣列中。

（3）橋梁模型。利用有限元方法建立橋梁結構運動方程, 將橋梁簡化為梁體單元。

4 理論研究

4.1 岔橋縱向耦合研究

4.1.1 受力特性分析

無縫道岔的基本軌一般處于無縫線路固定區。當環境溫度降低時, 軌溫下降, 基本軌受拉, 此時道岔尖軌及心軌的收縮也會傳遞附加溫度拉力至基本軌, 從而導致基本軌承受的拉應力比普通地段無縫線路更大。橋梁由于溫度升降引起的附加力也是如此, 因此必須對基本軌的鋼軌強度進行檢算。影響大跨度連續梁橋上無縫道岔力學特性的主要為是否鋪設小阻力扣件, 本橋溫度跨度不足200 m, 因此先試算常阻力扣件情況下的鋼軌強度。

以橋梁降溫30℃、鋼軌降溫54℃作為溫度荷載施加于模型, 根據計算結果可知, 鋼軌最大伸縮壓力出現在距離左橋臺704 m處（即大跨道岔梁右側梁縫位置）, 最大伸縮拉力為2 213.19 kN。從左至右制動工況下, 相同位置出現最大附加壓力121.51 kN, 在距離左橋臺424.90 m處出現最大附加拉力122.52 kN。鋼軌強度檢算結果見表1, 可見不設置小阻力扣件, 鋼軌縱向拉應力最大可達417.66 MPa, 遠大于鋼軌容許應力351 MPa。因此必須設置小阻力扣件。

表1 不設置小阻力扣件鋼軌強度檢算結果 MPa

在道岔梁岔區范圍外側、連續梁邊跨及相鄰簡支梁設置小阻力扣件, 進一步進行計算分析。當橋梁及鋼軌降溫時鋼軌受力見圖5, 鋼軌最大伸縮拉力出現在距離左橋臺704 m處（即大跨道岔梁右側梁縫位置）, 最大伸縮拉力為1 526.50 kN。在相同位置進行列車制動力計算, 結果見圖6, 當列車由右向左行駛制動時, 在道岔梁左側梁縫處鋼軌最大拉力為69.65 kN；當列車由左向右行駛制動時, 鋼軌最大拉力為109.49 kN。鋼軌強度檢算結果見表2, 鋼軌拉應力最大值為327.31 MPa, 能夠滿足安全性要求, 但安全余量較小, 在應用中可通過調整并嚴格控制鎖定軌溫進一步保證受力安全。

圖5 降溫工況鋼軌受力

圖6 制動工況鋼軌受力

表2 設置小阻力扣件鋼軌強度檢算結果 MPa

道岔結構復雜, 設置有間隔鐵、限位器等傳力部件, 其結構安全性也是道岔檢算的重要因素, 主要指標為尖軌跟端限位器及翼軌跟端間隔鐵螺栓受力滿足其規定的抗剪強度要求。在結構溫度變化作用下, 各股道尖軌跟端限位器及翼軌跟端間隔鐵螺栓受力見表3, 可見螺栓受力最大值為101.88 kN, 遠小于其抗剪強度237.60 kN。

表3 尖軌跟端限位器及翼軌跟端間隔鐵螺栓受力 kN

4.1.2 結構位移分析

尖軌及心軌伸縮位移也是影響無縫道岔服役狀態的重要指標, 該指標過大易引起轉轍機轉換卡阻、尖軌側拱等無縫道岔病害。為保證無縫道岔結構及轉轍機滿足安全服役要求, 必須對道岔結構位移進行分析檢算。

鋼軌相關位移計算結果見表4, 可見, 在溫度、列車荷載等作用下, 1#、3#道岔尖軌尖端相對于基本軌位移、心軌尖端相對于翼軌位移、轉轍器處最大梁軌相對位移均小于限值要求, 能夠滿足道岔安全使用要求。

表4 鋼軌相關位移計算結果 mm

此外, 當鋼軌材質存在缺陷或現場軌縫焊接強度較低時, 低溫季節鋼軌可能出現斷軌, 為保證斷軌發生時的行車安全, 必須檢算斷軌斷縫。鋼軌伸縮力最大位置出現斷軌時, 在鋼軌降溫條件下, 鋼軌斷縫值可達74.28 mm, 小于規范90 mm限值要求。

綜上所述, 橋上無縫道岔鋼軌受力及位移特性均小于規范限值要求, 滿足安全服役要求。

4.2 列車過岔動力學分析

高速鐵路橋上無縫道岔系統的車-岔-橋耦合振動十分復雜, 我國專家學者曾對此開展大量研究[12］。為評價大跨度連續梁橋上無縫道岔的合理方案, 探討高速列車-無縫道岔-橋梁的動態特性, 基于建立的高速列車-無縫道岔-橋梁動力學耦合模型, 分析列車以350 km/h速度直向過岔和80 km/h速度側向過岔時系統動力學響應, 并根據脫軌系數、輪重減載率等指標評價列車過岔安全性, 以尖軌尖端豎向位移、尖軌開口量、心軌尖端豎向位移、心軌尖端開口量評價無縫道岔動態安全性[13-14］。

當列車分別直向、側向通過道岔時, 輪軌垂向力、輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率以及尖軌尖端豎向位移、尖軌開口量、心軌尖端豎向位移、心軌尖端開口量等計算結果見表5。

表5 列車側向過岔計算結果

由表5可見, 當列車直向通過道岔時, 輪軌垂向力最大值為157.82 kN, 轉轍器部分輪軸橫向力最大值為32.41 kN, 均在安全限值內。脫軌系數最大值為0.41, 小于安全限值0.80, 輪重減載率最大值0.69, 小于安全限值0.80。由于尖軌及心軌沒有扣件約束, 處于半自由狀態, 在列車過岔的振動作用下, 當列車直向通過橋上道岔時, 尖軌、心軌尖端豎向位移最大值分別為0.19、0.23 mm；尖軌及心軌尖端開口量最大值分別為0.43、0.02 mm, 均小于安全限值, 說明能夠保證道岔安全服役。同理, 列車側向通過道岔時, 上述指標均能滿足安全性要求。

綜上所述, 當列車直向、側向通過無縫道岔時, 各動力學指標均能滿足安全性要求, 鋪設無縫道岔具有可行性。

5 工程應用

考慮我國工程中缺少對大跨度連續梁鋪設無縫道岔的工程經驗, 運營階段應加強巡檢、監測, 同時對道岔各項敏感指標變化進行跟蹤, 保證無縫道岔的安全健康服役狀態。根據大跨度連續梁鋪設無縫道岔的理論研究結果, 在沈白高鐵開展了工程應用研究。

5.1 設計優化

為保證鋼軌強度能夠滿足規范要求, 并具有更多的安全余量, 在道岔梁非岔區地段及道岔梁兩側各1孔簡支梁范圍布置小阻力扣件, 以降低梁軌相互作用, 減小鋼軌受力。

考慮到沈白高鐵位于東北嚴寒地區, 為保證道岔轉轍機構能夠順利轉換, 需在道岔設置融雪裝置, 在無砟軌道結構設計時為融雪裝置預留安裝空間和安裝條件。

由于混凝土在極端低溫、極端高溫循環作用下極易產生粉化、剝落等病害, 在無砟道床、底座兩側均設置至少6%的排水坡, 在大跨度橋梁設置至少3%的排水坡, 降低積水的凍融循環對軌道結構耐久性的影響。同時在伸縮縫、施工縫、結構縫等位置采用硅酮密封膠密封, 避免雨水滲入結構, 疊加凍融循環影響結構健康服役。

5.2 施工控制

無縫線路施工時, 注意長軌條布置應符合《鐵路無縫線路設計規范》[2］等的相關規定, 焊接接頭應避開梁縫5 m以上。此外, 根據研究計算結果, 應嚴格控制鎖定軌溫, 有條件時可適當降低單元軌節鎖定軌溫, 以降低極端條件下的鋼軌受力。

無砟道床施工時, 應嚴格按圖紙設計控制結構尺寸, 混凝土施工時應充分振搗保證混凝土質量, 避免出現浮漿、掉塊等病害, 混凝土養護應嚴格執行相關規程。

無縫道岔裝鋪時, 應嚴格控制作業溫度, 保證鋪設后無縫道岔軌溫變化幅度合理。此外, 應嚴格、精確定位限位器子母塊間的相對位置, 避免由于軌溫升降導致限位器受力過大。岔區鎖定軌溫與相鄰道岔、相鄰單元軌節的溫差應嚴格控制, 并加強岔后線路的爬行鎖定。為降低橋梁伸縮對道岔的影響, 應控制連續梁合龍溫度, 且應選擇合適的溫度條件鋪設無縫道岔。

5.3 運維監測

我國高速鐵路對于大跨度連續梁鋪設無縫道岔尚缺少工程經驗, 應配套橋上無縫道岔健康監測系統, 能夠實時監測道岔狀態, 通過數據積累指導工程設計, 為無縫道岔應用提供技術積累。

斷縫計算結果74.28 mm雖然小于相關規范中困難條件限值90 mm, 但已超出一般條件限值70 mm, 建議對該區域長軌條加強巡檢及觀測, 及時排查鋼軌傷損、扣件狀態不良等問題。維修過程中應檢查限位器、間隔鐵聯結螺栓扭矩, 加強道岔卡阻、扣件狀態等問題排查, 并做好相關應急處置預案。

6 結論

依托沈白高鐵對某咽喉區大跨度連續梁鋪設無縫道岔進行理論研究和工程應用研究, 得出如下結論, 可為高速鐵路咽喉區大跨度連續梁無縫道岔設計及工程應用提供技術支撐。

（1）小阻力扣件的應用有助于降低梁端位置鋼軌受力。采用小阻力扣件方案, 鋼軌最大應力為327.31 MPa, 心軌、尖軌相對基本軌縱向位移最大值分別為17.73、4.55 mm, 間隔鐵、限位器螺栓受力及鋼軌斷縫等也能夠滿足安全性要求。

（2）列車直向、側向過岔時, 脫軌系數、輪重減載率均小于0.80的安全限值, 心軌、尖軌豎向位移等指標均能滿足規范要求, 說明列車過岔時的車輛、道岔安全性能夠滿足。

（3）針對大跨度橋梁鋪設無縫道岔, 應綜合考慮嚴寒地區凍融循環、排水、施工控制等因素, 從設計、施工、運維等多方面、多角度系統研究。