高架車(chē)站無(wú)砟軌道岔區(qū)道床板限位方案的研究

魏周春

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

1 工程概況

渭南北站位于高架橋上，兩臺(tái)四線(xiàn)布置，正線(xiàn)雙線(xiàn)鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道，站線(xiàn)鋪設(shè)有砟軌道，咽喉區(qū)和渡線(xiàn)共計(jì)8組，寶橋—科吉富18號(hào)可動(dòng)心軌單開(kāi)道岔和渡線(xiàn)道岔均布置在連續(xù)梁上。岔區(qū)采用長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道。

1.1 岔區(qū)道床板設(shè)計(jì)

道床板為單元式結(jié)構(gòu)，每組單開(kāi)道岔分為4塊道床板(圖1)，每組單渡線(xiàn)分為6塊道床板，道床板長(zhǎng)度19～28 m。每塊道床板中部設(shè)置三個(gè)橫向限位凸臺(tái)，凸臺(tái)長(zhǎng)度與道床板寬度一致;橫向限位凸臺(tái)兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)通長(zhǎng)的縱向限位凸臺(tái)。通過(guò)縱橫向限位凸臺(tái)限制道床板與底座的縱橫向位移。

圖1 單開(kāi)道岔道床板布置示意

為保證道床板在溫度作用下能夠自由伸縮，在道床板與底座水平接觸面鋪設(shè)“兩布一膜”滑動(dòng)層。

1.2 底座設(shè)計(jì)

底座為分塊式結(jié)構(gòu)，底座長(zhǎng)度、寬度與道床板一致。在橋面混凝土保護(hù)層內(nèi)預(yù)埋門(mén)型鋼筋與底座連接。

在底座上與道床板限位凸臺(tái)對(duì)應(yīng)設(shè)置凹槽，并在凹槽四周粘貼彈性橡膠墊板。

1.3 限位凸臺(tái)設(shè)計(jì)

縱橫向限位凸臺(tái)布置及結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 限位凸臺(tái)剖面示意(單位:mm)

圖2中底座凹槽高度100 mm，寬度分別為500 mm及800 mm。凹槽側(cè)面設(shè)置厚度不等的橡膠墊板。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

現(xiàn)場(chǎng)施工中部分道岔縱橫向限位凸臺(tái)側(cè)面橡膠墊板與底座接觸面之間增加了一層厚度5～10 mm的泡沫板，使縱橫向凸臺(tái)失去限位功能。

2 方案研究

2.1 銷(xiāo)釘限位方案

采用兩種銷(xiāo)釘限位，一種為縱橫向均可限位的抗剪銷(xiāo)釘;另一種為一向可滑動(dòng)，另一向限位的長(zhǎng)圓孔抗剪銷(xiāo)釘。在每塊道床板中部區(qū)域采用縱橫向均可限位的銷(xiāo)釘;道床板端部區(qū)域采用縱向可滑動(dòng)、橫向限位的長(zhǎng)圓孔抗剪銷(xiāo)釘(圖3)?；瑒?dòng)銷(xiāo)釘縱向滑動(dòng)距離不小于±4 mm。銷(xiāo)釘直徑40 mm，長(zhǎng)380 mm，植入底座深度為190 mm。

圖3 道床板銷(xiāo)釘布置示意

固定銷(xiāo)釘安裝時(shí)，道床板和底座鉆孔直徑48 mm，鉆入底座深度190 mm;滑動(dòng)銷(xiāo)釘施工時(shí)在道床板上鉆孔直徑122 mm，直到鉆穿道床板，再在孔底部中心位置向下鉆孔，孔直徑48 mm深190 mm，取出鉆芯后用壓縮空氣清孔。固定銷(xiāo)釘周?chē)⑷胫步钅z，滑動(dòng)銷(xiāo)釘下部采用植筋膠固定，上部滑槽周?chē)捎没旌瞎酀{料，灌漿料具有高強(qiáng)、無(wú)收縮的特性。

單開(kāi)道岔A、B、C、D型四塊道床板中部各設(shè)固定銷(xiāo)釘16個(gè)，兩側(cè)設(shè)滑動(dòng)銷(xiāo)釘12個(gè)。

2.2 銷(xiāo)釘配合側(cè)向擋臺(tái)限位方案

每塊道床板中部區(qū)域采用縱橫向均可限位的銷(xiāo)釘，兩端不設(shè)銷(xiāo)釘，采用鋼筋混凝土側(cè)向擋臺(tái)限位。側(cè)向擋臺(tái)與道床板接觸面，設(shè)置彈性橡膠支座(見(jiàn)圖4)。側(cè)向擋臺(tái)內(nèi)的鋼筋分別與橋面混凝土保護(hù)層、混凝土底座及防撞墻內(nèi)的鋼筋連接，通過(guò)側(cè)向和豎向的連接，保證側(cè)向擋臺(tái)的穩(wěn)定。

圖4 道床板擋臺(tái)限位方案示意

2.3 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

全部采用銷(xiāo)釘限位方案施工方便，不改變?cè)韰^(qū)無(wú)砟軌道的基本尺寸，缺點(diǎn)是銷(xiāo)釘為隱蔽工程，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中如出現(xiàn)不可見(jiàn)外力破壞或意外出現(xiàn)失效現(xiàn)象，銷(xiāo)釘可修復(fù)性較差。

側(cè)向擋臺(tái)配合銷(xiāo)釘限位方案受力明確，擋臺(tái)橫向承載力大，使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可及時(shí)修補(bǔ)。缺點(diǎn)是在底座、橋梁保護(hù)層及防撞墻內(nèi)植筋，對(duì)其結(jié)構(gòu)有一定影響，施工周期長(zhǎng)，整治后外觀較差。

綜合考慮建設(shè)工期等因素，采用全銷(xiāo)釘限位方案進(jìn)行整治。

3 縱向限位方案受力分析

3.1 計(jì)算理論

橋上無(wú)砟道岔縱向力計(jì)算時(shí)存在以下幾種關(guān)鍵的縱向相互作用關(guān)系。

3.1.1 鋼軌與道床板相互作用關(guān)系

道岔鋼軌與道床板之間通過(guò)扣件阻力產(chǎn)生相互作用，道岔鋼軌內(nèi)的縱向力除固定區(qū)的溫度力影響外，還受道岔與道床板之間的縱向相互作用影響。

3.1.2 道床板與底座相互作用關(guān)系

道床板與底座主要存在兩種聯(lián)結(jié)方式:一種是道床板與底座間“兩布一膜”的摩擦阻力;另外一種是在底座上按一定方式布置銷(xiāo)釘或擋臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與道床板的剛性聯(lián)結(jié)。

為方便計(jì)算，道床板與底座間“兩布一膜”的摩擦阻力可采用雙線(xiàn)性阻力來(lái)模擬。

3.1.3 底座與橋梁縱向相互作用關(guān)系

底座與橋梁間縱向相互作用通過(guò)兩個(gè)途徑:一個(gè)是底座與橋梁間的滑動(dòng)層摩擦作用;另一個(gè)途徑是底座和橋梁之間的門(mén)型鋼筋聯(lián)結(jié)，這兩個(gè)途徑在底座和橋梁間實(shí)現(xiàn)了剛性聯(lián)結(jié)。

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)岔、橋相互作用建立“岔—板—梁—墩”一體化計(jì)算模型(圖5)分析橋上無(wú)砟道岔縱向受力和變形。該模型中考慮每根鋼軌在軌溫變化、軌面作用制(啟)動(dòng)力、橋梁產(chǎn)生縱向位移時(shí)所承受的縱向力，并按岔枕支點(diǎn)劃分單元節(jié)點(diǎn)。將鋼軌和岔枕相連，岔枕和橋梁相連，并考慮道岔中每一個(gè)限位器、間隔鐵在鋼軌間所傳遞的縱向力。

橋梁按岔枕支點(diǎn)劃分單元，在溫度力、列車(chē)荷載作用下將產(chǎn)生縱向位移，同時(shí)將橋面所承受的縱向力通過(guò)固定支座傳遞給墩臺(tái)。模型中不考慮固定支座的變形及活動(dòng)支座的摩阻力。

3.3 計(jì)算工況

重點(diǎn)分析道床板與底座之間的傳力聯(lián)結(jié)是否可靠，因而最不利工況的設(shè)置主要考慮道床板與底座之間的溫度變化差異以及軌面制動(dòng)力。溫度變化計(jì)算有以下三種工況:

1)溫度1工況為日照形成的溫度梯度引起的附加力。岔區(qū)道床板和底座的溫度梯度取20℃。

圖5 橋上無(wú)砟道岔縱向力計(jì)算模型

2)溫度2工況為降雨等因素造成無(wú)砟軌道表面溫度降低引起的附加力。岔區(qū)道床板和底座的溫度梯度按10℃取值。

3)溫度3工況為橋梁伸縮引起的附加力。橋梁的溫度變化幅度按20℃取值。

4)制動(dòng)1工況為按一線(xiàn)制動(dòng)另一線(xiàn)啟動(dòng)加載，制動(dòng)力16 kN/m，加載長(zhǎng)度300 m;啟動(dòng)力26.64 kN/m，加載長(zhǎng)度30 m。制動(dòng)荷載作用在道岔所在連續(xù)梁固定支座的兩邊。

3.4 主要檢算標(biāo)準(zhǔn)

1)鋼軌強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足:σd+σt+σf≤［σ］，其中，σd為鋼軌彎應(yīng)力，σt為鋼軌基本溫度應(yīng)力，σf為鋼軌附加應(yīng)力，［σ］為鋼軌容許應(yīng)力，取351.5 MPa。

2)科吉富道岔尖軌尖端相對(duì)伸縮位移不超過(guò)40 mm，心軌尖端相對(duì)伸縮位移不超過(guò)20 mm。

3)單根錨固銷(xiāo)釘疲勞強(qiáng)度56 kN，極限強(qiáng)度150 kN。假設(shè)橫向一排的銷(xiāo)釘平均受力。

3.5 銷(xiāo)釘限位方案縱向力分析

3.5.1 鋼軌應(yīng)力與梁軌相對(duì)位移

各種工況下的最大附加縱向力和梁軌相對(duì)位移匯總?cè)绫?所示。

經(jīng)計(jì)算，軌頭最大壓應(yīng)力134.1 MPa，軌底最大拉應(yīng)力114.8 MPa，與上表溫度力、附加力相加，鋼軌最大拉應(yīng)力332.8 MPa，最大壓應(yīng)力289.2 MPa，小于鋼軌容許應(yīng)力;尖軌尖端最大位移27.36 mm，小于限值40 mm;心軌尖端最大位移7.83 mm，小于限值20 mm。

從上述可知，銷(xiāo)釘限位方案道岔鋼軌的強(qiáng)度和變形能夠滿(mǎn)足使用要求。

表1 鋼軌最大縱向力和梁軌相對(duì)位移

3.5.2 道床板與底座間的相對(duì)位移及銷(xiāo)釘受力

圖6 道床板與底座的相對(duì)位移

表2 各工況下銷(xiāo)釘最大受力統(tǒng)計(jì)

溫度1工況單開(kāi)道岔道床板與底座之間的相對(duì)位移如圖6所示。各種工況下銷(xiāo)釘?shù)淖畲笫芰η闆r見(jiàn)表2。道床板與底座的最大相對(duì)位移:溫度1工況為1.81 mm，溫度2工況為0.79 mm，溫度3工況為1.87 mm，制動(dòng)1工況為0.88 mm。

從表2可看出:在制動(dòng)和溫度作用下，所有銷(xiāo)釘?shù)氖芰Χ迹?50 kN，限位方案銷(xiāo)釘強(qiáng)度能滿(mǎn)足使用要求，可以有效限制道床板相對(duì)于底座的水平位移。

4 橫向限位方案受力分析

4.1 計(jì)算工況、計(jì)算參數(shù)

軌道結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需承受3種橫向荷載:一是列車(chē)上的風(fēng)荷載，根據(jù)京津城際的研究結(jié)果，風(fēng)荷載可按6.50 kN/m考慮;二是列車(chē)蛇形運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的搖擺力，根據(jù)道岔動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果，單個(gè)車(chē)輪作用在鋼軌上的橫向力極值為50 kN，一個(gè)車(chē)輛8個(gè)車(chē)輪，按車(chē)輛長(zhǎng)26 m進(jìn)行分配，則車(chē)輪動(dòng)態(tài)搖擺力可按15.39 kN/m考慮;三是未被平衡的離心力，18號(hào)道岔導(dǎo)曲線(xiàn)半徑為1 100 m，不設(shè)超高，側(cè)向最高通過(guò)速度為80 km/h，則離心加速度最大為0.45 m/s2，車(chē)輛重量為6.4 t/m，則橫向離心力可按2.88 kN/m考慮。

對(duì)橫向限位銷(xiāo)釘進(jìn)行檢算時(shí)，考慮風(fēng)荷載、搖擺力和離心力三者的組合作用。根據(jù)德國(guó)DIN101專(zhuān)業(yè)報(bào)告，組合時(shí)風(fēng)荷載和離心力可按1.67的動(dòng)態(tài)系數(shù)考慮，蛇形運(yùn)動(dòng)搖擺力不考慮動(dòng)態(tài)系數(shù)，對(duì)三者組合后的值按1.5倍的安全系數(shù)考慮。

4.2 橫向力檢算

單開(kāi)道岔橫向銷(xiāo)釘最不利受力位置出現(xiàn)在第二塊板(B板)上，在該塊板上離尖軌方向板端5.93mm處布設(shè)的2根橫向銷(xiāo)釘，一側(cè)距縱向銷(xiāo)釘5 920 mm，另一側(cè)距前一組橫向銷(xiāo)釘2 400 mm，以中心為界，這2根銷(xiāo)釘?shù)氖芰Ψ秶鸀? 160 mm，范圍最長(zhǎng)，所以橫向受力最為不利。因此對(duì)單開(kāi)道岔檢算時(shí)就以B板上的這2根銷(xiāo)釘為對(duì)象。表3為單開(kāi)道岔最不利滑動(dòng)銷(xiāo)釘位置承受的橫向力。

根據(jù)表3可知:考慮風(fēng)荷載、搖擺力和離心力三者的組合作用，最終計(jì)算結(jié)果可得46.58 kN/m，這樣單根銷(xiāo)釘就能承受3.22 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的橫向力，2根銷(xiāo)釘就能承受6.44 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的橫向力。表3中單開(kāi)道岔最不利位置的2根銷(xiāo)釘承受橫向力長(zhǎng)度范圍為4.16 m，＜6.44 m。另一方面，單開(kāi)道岔單根橫向限位銷(xiāo)釘承受的最大橫向力為97.06 kN，小于其極限承載能力150.00 kN，這就表明滑動(dòng)銷(xiāo)釘能滿(mǎn)足道床板橫向限位和受力要求。

表3 橫向力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1)各種工況下銷(xiāo)釘限位方案鋼軌部件強(qiáng)度都可以滿(mǎn)足使用要求，尖軌、心軌的伸縮位移小于轉(zhuǎn)換機(jī)械容許值。

2)各種工況下銷(xiāo)釘限位方案能夠有效限制道床板與底座的縱向相對(duì)位移，并保證銷(xiāo)釘?shù)膹?qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

3)在風(fēng)力、列車(chē)蛇形搖擺力和離心力的動(dòng)態(tài)組合作用下，橫向限位銷(xiāo)釘能滿(mǎn)足使用要求。

2009年11月至2010年1月聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，心軌一動(dòng)處鋼軌動(dòng)位移在0.48～1.05 mm之間，岔前鋼軌動(dòng)位移在0.09～0.62 mm之間;直向過(guò)岔時(shí)道床板加速度在1.53g～5.39g之間，側(cè)向過(guò)岔加速度在0.33g～1.77g之間。道床板各項(xiàng)指標(biāo)正常，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10020—2009 J971—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:人民鐵道出版社，2009.

［2］王平，劉學(xué)毅.無(wú)縫道岔理論與設(shè)計(jì)方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)函［2003］205號(hào) 新建鐵路橋上無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:人民鐵道出版社，2003.