橋墩縱向水平剛度對橋上無縫道岔的影響

荊 果，王 平

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

橋上無縫道岔是跨區(qū)間無縫線路的一項關鍵技術。分析各種因素對道岔和橋梁的受力與變形的影響，總結出連續(xù)梁橋上無縫道岔受力與變形規(guī)律，是關系到客運專線運營安全的重要問題。其中，橋墩剛度是影響橋上道岔和橋梁受力、變形的重要因素之一，因此有必要對其進行進一步的研究。本文以250 km/h、350 km/h客運專線鐵路60 kg/m鋼軌18號單開道岔為例(兩道岔尺寸相同)，通過建立“岔—橋—墩”縱向相互作用一體化計算模型，分析橋墩縱向水平剛度對有砟軌道連續(xù)梁上無縫道岔與橋梁的受力和變形規(guī)律的影響。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 計算模型

連續(xù)梁橋上鋪設無縫道岔是國內(nèi)外高速鐵路采用的主要結構形式。這是因為連續(xù)梁橋整體性好，在橫向上若也采用整體結構，則可為無縫道岔提供一個整體連續(xù)、各向穩(wěn)定的鋪設平臺;通過優(yōu)化布置岔橋相對位置，可將橋梁伸縮對無縫道岔的影響降低至最低程度，確保道岔的穩(wěn)定性和良好的幾何狀態(tài)。

本文以連續(xù)梁上鋪設無縫單開道岔為例，建立“岔—橋—墩”縱向相互作用一體化模型如圖1所示，模型對道岔結構作如下假定:

1)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。

2)不考慮轍叉角大小的影響，假設導軌與長軌條平行。

3)鋼軌按支承節(jié)點劃分有限桿單元，只發(fā)生縱向位移;岔枕按鋼軌支承點劃分有限長梁單元，可發(fā)生縱向位移和轉角。

4)扣件阻力與鋼軌、岔枕或道岔板的相對位移為非線性關系，作用于鋼軌節(jié)點和岔枕節(jié)點上，方向為阻止鋼軌相對岔枕位移。

5)不考慮鋼軌與岔枕或道岔板間的相對扭轉。

6)軌道道床阻力以單位岔枕長度的阻力計，與岔枕的位移呈非線性關系。為簡化計算，也可將道床阻力視為常量。道床阻力沿岔枕長度方向均勻分布。

圖1 岔—橋—墩一體化計算模型

7)假設橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，活動支座抵抗伸縮的阻力可略而不計，暫不考慮支座本身的縱向變形，固定支座承受的縱向力全部傳遞至墩臺上。梁在支座外的懸出部分，計算伸縮量時不考慮。

8)在計算伸縮力時，梁的溫度變化僅為單純的升溫或降溫，不考慮梁溫升降的交替變化，一般取一天之內(nèi)的最大梁溫差計算梁的伸縮量。

9)橋上無縫道岔的伸縮力、撓曲力、斷軌力均以最大軌溫變化幅度作為計算條件;對撓曲力、伸縮力、斷軌力、制動力分別計算，不考慮疊加影響。

10)橋梁墩臺頂縱向剛度假定為線性，包含在支座頂面縱向水平力作用下的墩身彎曲、基礎傾斜、基礎平移及橡膠支座剪切變形等引起的支座頂面位移。橋梁墩臺及基礎的豎向剛度即為橋梁支座豎向剛度。

1.2 計算參數(shù)

以一組60 kg/m鋼軌客運專線18號可動心軌道岔布置在(32+48+32)m連續(xù)梁上為例，橋梁與道岔布置情況如圖2所示。該無縫道岔全長69 m，位于連續(xù)梁正中，道岔頭尾距離連續(xù)梁兩端均為21.5 m。連續(xù)梁固定支座位于道岔前端;道岔兩邊各布置3跨32 m簡支梁。

圖2 橋梁與道岔布置示意

有砟軌道線路縱向阻力按12 kN/枕計算，岔區(qū)每枕縱向阻力按枕長分布為4.6 kN/m，軌枕間距為0.6 m?？奂枇θ棰蛐涂奂Ｗ枇χ?2.5 kN/組。道岔采用雙限位器，其阻力取為分段線性阻力，當限位器子母塊貼靠，兩軌相對位移 ＜1 mm時，限位器阻力取為1.5×105kN/m;當兩軌相對位移 ＞1 mm時，限位器阻力取為6×104kN/m，限位器子母塊間隙取為7 mm。道岔長翼軌間隔鐵阻力采用線性阻力，取為5×104kN/m。橋梁溫度變化幅度15℃。各梁跨均為雙線整體箱梁，截面形心距上翼緣為1.626 6 m，距下翼緣為1.577 4 m，截面慣性矩為3.704 4 m4/線。

2 計算結果及分析

2.1 計算工況

以圖2中三跨連續(xù)梁為例，道岔布置于連續(xù)梁正中，考慮如表1所示的四種橋墩縱向水平剛度對連續(xù)梁橋上無縫道岔受力與變形的影響，其它計算參數(shù)同前。

表1 橋墩縱向水平剛度計算工況

2.2 基本軌的伸縮附加力

圖3 基本軌伸縮附加力曲線

不同橋墩剛度的連續(xù)橋上無縫道岔基本軌伸縮附加力比較如圖3所示。圖中，鋼軌縱向力以壓力為正。由圖3可見，隨著連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度的增大，基本軌的伸縮附加力會逐漸減小。這主要是由于道岔里軌傳遞至連續(xù)梁橋墩上的縱向力與里軌伸縮方向相同，均向左，當連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度增大時，橋梁向左的整體位移有所降低，與道岔里軌同向伸縮的范圍縮短，反向伸縮的范圍增加，減緩了道岔里軌傳遞至基本軌上的縱向力，相當于將連續(xù)梁固定支座向左移動了。道岔前后簡支梁橋墩剛度變化對基本軌伸縮附加力影響不顯著，岔前基本軌伸縮附加力隨簡支梁橋墩剛度的降低僅略有減小。從降低無縫道岔基本軌伸縮附加力的角度考慮，宜增大連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度。

2.3 基本軌的伸縮位移

不同橋墩剛度的連續(xù)橋上無縫道岔基本軌伸縮位移比較如圖4所示。圖中，鋼軌位移以向右為正。由圖4可見，隨著連續(xù)梁、簡支梁橋墩縱向水平剛度的增大，無縫道岔轉轍器部分基本軌向左的伸縮位移逐漸減小，轍叉部分基本軌向右的伸縮位移逐漸增大。這主要是由于連續(xù)梁橋墩剛度增大后，連續(xù)梁橋面隨橋墩向左的平移量有所減小，帶動基本軌向左伸縮的位移也相應減小所致。從保持無縫道岔縱向穩(wěn)定性角度考慮，也宜增大連續(xù)梁、道岔前后簡支梁橋墩的縱向水平剛度。

圖4 基本軌伸縮位移曲線

2.4 計算結果

不同縱向水平剛度的連續(xù)梁橋上無縫道岔及墩臺受力與變形的計算結果比較如表2所示，表中鋼軌位移及墩臺縱向力以向右為正。

表2 計算結果比較

從表2中可見，隨著連續(xù)梁橋橋墩剛度的增大，基本軌伸縮附加力、伸縮位移、岔前梁端鋼軌斷縫、岔前梁端一根鋼軌折斷時另一根鋼軌的附加縱向力、連續(xù)梁前后簡支梁橋墩縱向力均減小，而連續(xù)梁橋墩的縱向力、尖軌跟端限位器與翼軌末端間隔鐵所受縱向力增大，尖軌尖端相對于岔枕的伸縮位移變化不大，心軌尖端相對于岔枕的伸縮位移增大。連續(xù)梁固定墩的縱向剛度越大，其墩臺力也越大。由于連續(xù)梁的固定墩承擔了較多的道岔傳給橋梁的力，所以與其相鄰的簡支梁的墩臺力有所減小。連續(xù)梁固定墩縱向剛度對簡支梁的影響一般在與其相鄰的兩跨范圍內(nèi)。簡支梁橋墩剛度的增大，對連續(xù)梁橋上無縫道岔的受力與變形略有影響，簡支梁橋墩受力有所增大，連續(xù)梁橋墩受力略有降低。

3 結論及建議

由以上的計算結果及分析可以得出如下幾條結論:

1)從降低無縫道岔基本軌伸縮附加力的角度考慮，宜增大連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度。連續(xù)梁橋墩剛度增大，對減緩基本軌伸縮附加力十分有利，因道岔傳力部件所受縱向力均較小，即使隨著連續(xù)梁橋墩剛度的增大而增大，也遠在其容許強度范圍內(nèi)，影響不大。

2)從保持無縫道岔縱向穩(wěn)定性角度考慮，也宜增大連續(xù)梁、道岔前后簡支梁橋墩的縱向水平剛度。

3)連續(xù)梁橋墩剛度的增大，對橋墩受力不利，連續(xù)梁橋墩剛度從1 000kN/cm/線增大一倍，橋墩縱向力增加約19.5%，縱向力增幅遠低于其剛度的增幅，也應低于其承載力的增幅，從這點看，增大連續(xù)梁橋墩縱向剛度是可行的。

綜合來看，增大連續(xù)梁橋墩縱向水平剛度對鋪設于其上的無縫道岔的受力與變形是有利的，雖然會導致該橋墩所承受的縱向力的增大，但只要能滿足橋梁設計要求，應盡可能采用較大的橋墩縱向剛度。

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