高速鐵路大跨橋上無縫道岔理論研究與工程應(yīng)用

高志國

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線路站場樞紐設(shè)計(jì)研究院, 天津 300308）

1 概述

跨區(qū)間無縫線路技術(shù)的應(yīng)用為我國高速鐵路飛速發(fā)展、領(lǐng)跑世界提供了技術(shù)支撐。而無縫道岔尤其是梁軌相互作用關(guān)系復(fù)雜的橋上無縫道岔技術(shù), 是跨區(qū)間無縫線路得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。在列車高速運(yùn)行條件下, 無縫道岔與橋梁之間的靜力、動(dòng)力相互作用機(jī)理較為復(fù)雜, 大跨橋上鋪設(shè)的無縫道岔對(duì)高速行車的適應(yīng)性是制約高速鐵路建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)性難題之一[1］。TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2］規(guī)定, 道岔梁宜采用整體穩(wěn)定性好、剛度大的上部結(jié)構(gòu)形式。此外, 主跨大于48 m的連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔需進(jìn)行專項(xiàng)檢算。

針對(duì)大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔, 不同學(xué)者均開展過研究與工程應(yīng)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(xù)梁單渡線岔區(qū)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(xù)梁無縫道岔的空間力學(xué)特性。孫加林[7］基于有限元方法對(duì)主跨56 m連續(xù)梁上無縫道岔溫度場岔-梁相互作用進(jìn)行了研究。蔡小培等[8］以京雄城際鐵路黃固特大橋?yàn)槔? 研究了主跨64 m連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔的靜動(dòng)力特性。殷明旻等[9］針對(duì)廈深客專韓江特大橋最大跨度88 m連續(xù)梁橋無縫道岔, 分析了岔-橋-墩相互作用與動(dòng)力學(xué)特性。既有研究與工程實(shí)踐中, 通常將無縫道岔布設(shè)于小跨度橋上, 且橋跨布置相對(duì)簡單, 列車通過速度較低, 對(duì)于主跨100 m以上的大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔的應(yīng)用和研究相對(duì)較少。

以沈白高鐵（60+100+60）m大跨度連續(xù)梁為研究對(duì)象, 建立岔-橋-墩一體化耦合力學(xué)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(yīng)用建議, 為咽喉區(qū)大跨度橋梁鋪設(shè)無縫道岔提供設(shè)計(jì)參考, 為其他類似工程應(yīng)用提供借鑒。

2 工程概況

沈白高鐵是設(shè)計(jì)速度350 km/h的高速鐵路, 在某車站咽喉區(qū)（60+100+60）m大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)了1組5 m線間距單渡線道岔。道岔梁小里程方向?yàn)椋?6+144+76）m剛構(gòu)橋接4-32 m簡支梁, 大里程方向有（132+132）m T構(gòu)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(fù)雜。道岔均為18號(hào)單開道岔, 岔區(qū)采用軌枕埋入式無砟軌道, 非岔區(qū)鋪設(shè)CRTSⅢ型板式無砟軌道, 岔橋相對(duì)位置關(guān)系示意見圖1。岔枕間距為600 mm, 尖軌采用彈性可彎結(jié)構(gòu), 尖端為藏尖式。

圖1 岔橋相對(duì)位置關(guān)系示意圖

當(dāng)?shù)刈罡摺⒆畹蛙墱胤謩e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(jì)算梁溫差取30.0℃。根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2］, 本研究采用的計(jì)算荷載為ZK活載。

3 模型及計(jì)算參數(shù)

3.1 靜力學(xué)模型

基于梁軌相互作用原理, 建立岔-橋-墩一體化有限元計(jì)算模型, 進(jìn)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(shè)計(jì)規(guī)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(jì)算模型見圖2[10］。

圖2 岔-橋-墩一體化計(jì)算模型

3.2 動(dòng)力學(xué)模型

（1）車輛模型。模型忽略車輛結(jié)構(gòu)及部件變形, 將其簡化為多剛體系統(tǒng), 包括輪對(duì)、轉(zhuǎn)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(jìn)行模擬, 轉(zhuǎn)向架、車體考慮橫移、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭和沉浮共5個(gè)自由度, 輪對(duì)不考慮點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng), 共4個(gè)自由度。因此, 車輛模型共31個(gè)自由度。車輛模型拓?fù)鋱D見圖3。

圖3 車輛模型拓?fù)鋱D

（2）道岔模型?？蓜?dòng)變截面鋼軌及多組限位、轉(zhuǎn)換鎖閉結(jié)構(gòu)部件, 導(dǎo)致道岔模型較為復(fù)雜。模型需盡可能模擬無縫道岔各部件的力學(xué)特性與傳力機(jī)制, 以保證計(jì)算結(jié)果的精確性。

道岔轉(zhuǎn)轍器及轍叉部位的尖軌、心軌由變截面鋼軌構(gòu)成, 鋼軌軌頂面及截面尺寸沿縱向變化, 鋼軌踏面與輪對(duì)的相互作用關(guān)系也不盡相同。模型中, 通過在關(guān)鍵截面間插值, 計(jì)算得到任意斷面。通過向前后一定范圍插值足夠數(shù)量的計(jì)算斷面, 模擬列車運(yùn)行時(shí), 輪軌接觸作用在單根鋼軌與雙根鋼軌間的轉(zhuǎn)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(dòng)力分析模型（見圖4）。

圖4 道岔結(jié)構(gòu)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(yùn)行條件下的總動(dòng)能、總勢能及虛功方程, 完成無縫道岔振動(dòng)方程的建立。參考文獻(xiàn)[11］的方法, 可推導(dǎo)出道岔質(zhì)量矩陣[Mt］、剛度矩陣[Kt］、阻尼矩陣[Ct］, 進(jìn)而得到振動(dòng)方程：

式中：{u?t}、{u?t}、{ut}分別為子系統(tǒng)的加速度、速度和位移陣列, 其各行變量對(duì)應(yīng)位移變分行所描述的道岔結(jié)構(gòu)自由度；｛Pt｝為道岔系統(tǒng)荷載陣列, 根據(jù)車-岔耦合振動(dòng)關(guān)系確定, 并合并至整體系統(tǒng)荷載陣列中。

（3）橋梁模型。利用有限元方法建立橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(qū)。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí), 軌溫下降, 基本軌受拉, 此時(shí)道岔尖軌及心軌的收縮也會(huì)傳遞附加溫度拉力至基本軌, 從而導(dǎo)致基本軌承受的拉應(yīng)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(duì)基本軌的鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行檢算。影響大跨度連續(xù)梁橋上無縫道岔力學(xué)特性的主要為是否鋪設(shè)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(qiáng)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(jù)計(jì)算結(jié)果可知, 鋼軌最大伸縮壓力出現(xiàn)在距離左橋臺(tái)704 m處（即大跨道岔梁右側(cè)梁縫位置）, 最大伸縮拉力為2 213.19 kN。從左至右制動(dòng)工況下, 相同位置出現(xiàn)最大附加壓力121.51 kN, 在距離左橋臺(tái)424.90 m處出現(xiàn)最大附加拉力122.52 kN。鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果見表1, 可見不設(shè)置小阻力扣件, 鋼軌縱向拉應(yīng)力最大可達(dá)417.66 MPa, 遠(yuǎn)大于鋼軌容許應(yīng)力351 MPa。因此必須設(shè)置小阻力扣件。

表1 不設(shè)置小阻力扣件鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa

在道岔梁岔區(qū)范圍外側(cè)、連續(xù)梁邊跨及相鄰簡支梁設(shè)置小阻力扣件, 進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)橋梁及鋼軌降溫時(shí)鋼軌受力見圖5, 鋼軌最大伸縮拉力出現(xiàn)在距離左橋臺(tái)704 m處（即大跨道岔梁右側(cè)梁縫位置）, 最大伸縮拉力為1 526.50 kN。在相同位置進(jìn)行列車制動(dòng)力計(jì)算, 結(jié)果見圖6, 當(dāng)列車由右向左行駛制動(dòng)時(shí), 在道岔梁左側(cè)梁縫處鋼軌最大拉力為69.65 kN；當(dāng)列車由左向右行駛制動(dòng)時(shí), 鋼軌最大拉力為109.49 kN。鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果見表2, 鋼軌拉應(yīng)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(yīng)用中可通過調(diào)整并嚴(yán)格控制鎖定軌溫進(jìn)一步保證受力安全。

圖5 降溫工況鋼軌受力

圖6 制動(dòng)工況鋼軌受力

表2 設(shè)置小阻力扣件鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa

道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 設(shè)置有間隔鐵、限位器等傳力部件, 其結(jié)構(gòu)安全性也是道岔檢算的重要因素, 主要指標(biāo)為尖軌跟端限位器及翼軌跟端間隔鐵螺栓受力滿足其規(guī)定的抗剪強(qiáng)度要求。在結(jié)構(gòu)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(yuǎn)小于其抗剪強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(tài)的重要指標(biāo), 該指標(biāo)過大易引起轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換卡阻、尖軌側(cè)拱等無縫道岔病害。為保證無縫道岔結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)轍機(jī)滿足安全服役要求, 必須對(duì)道岔結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行分析檢算。

鋼軌相關(guān)位移計(jì)算結(jié)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(duì)于基本軌位移、心軌尖端相對(duì)于翼軌位移、轉(zhuǎn)轍器處最大梁軌相對(duì)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(guān)位移計(jì)算結(jié)果 mm

此外, 當(dāng)鋼軌材質(zhì)存在缺陷或現(xiàn)場軌縫焊接強(qiáng)度較低時(shí), 低溫季節(jié)鋼軌可能出現(xiàn)斷軌, 為保證斷軌發(fā)生時(shí)的行車安全, 必須檢算斷軌斷縫。鋼軌伸縮力最大位置出現(xiàn)斷軌時(shí), 在鋼軌降溫條件下, 鋼軌斷縫值可達(dá)74.28 mm, 小于規(guī)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(guī)范限值要求, 滿足安全服役要求。

4.2 列車過岔動(dòng)力學(xué)分析

高速鐵路橋上無縫道岔系統(tǒng)的車-岔-橋耦合振動(dòng)十分復(fù)雜, 我國專家學(xué)者曾對(duì)此開展大量研究[12］。為評(píng)價(jià)大跨度連續(xù)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(dòng)態(tài)特性, 基于建立的高速列車-無縫道岔-橋梁動(dòng)力學(xué)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(cè)向過岔時(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng), 并根據(jù)脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)無縫道岔動(dòng)態(tài)安全性[13-14］。

當(dāng)列車分別直向、側(cè)向通過道岔時(shí), 輪軌垂向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、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(jì)算結(jié)果見表5。

表5 列車側(cè)向過岔計(jì)算結(jié)果

由表5可見, 當(dāng)列車直向通過道岔時(shí), 輪軌垂向力最大值為157.82 kN, 轉(zhuǎn)轍器部分輪軸橫向力最大值為32.41 kN, 均在安全限值內(nèi)。脫軌系數(shù)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(tài), 在列車過岔的振動(dòng)作用下, 當(dāng)列車直向通過橋上道岔時(shí), 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(cè)向通過道岔時(shí), 上述指標(biāo)均能滿足安全性要求。

綜上所述, 當(dāng)列車直向、側(cè)向通過無縫道岔時(shí), 各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均能滿足安全性要求, 鋪設(shè)無縫道岔具有可行性。

5 工程應(yīng)用

考慮我國工程中缺少對(duì)大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔的工程經(jīng)驗(yàn), 運(yùn)營階段應(yīng)加強(qiáng)巡檢、監(jiān)測, 同時(shí)對(duì)道岔各項(xiàng)敏感指標(biāo)變化進(jìn)行跟蹤, 保證無縫道岔的安全健康服役狀態(tài)。根據(jù)大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔的理論研究結(jié)果, 在沈白高鐵開展了工程應(yīng)用研究。

5.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

為保證鋼軌強(qiáng)度能夠滿足規(guī)范要求, 并具有更多的安全余量, 在道岔梁非岔區(qū)地段及道岔梁兩側(cè)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(yán)寒地區(qū), 為保證道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)能夠順利轉(zhuǎn)換, 需在道岔設(shè)置融雪裝置, 在無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為融雪裝置預(yù)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(huán)作用下極易產(chǎn)生粉化、剝落等病害, 在無砟道床、底座兩側(cè)均設(shè)置至少6%的排水坡, 在大跨度橋梁設(shè)置至少3%的排水坡, 降低積水的凍融循環(huán)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)耐久性的影響。同時(shí)在伸縮縫、施工縫、結(jié)構(gòu)縫等位置采用硅酮密封膠密封, 避免雨水滲入結(jié)構(gòu), 疊加凍融循環(huán)影響結(jié)構(gòu)健康服役。

5.2 施工控制

無縫線路施工時(shí), 注意長軌條布置應(yīng)符合《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2］等的相關(guān)規(guī)定, 焊接接頭應(yīng)避開梁縫5 m以上。此外, 根據(jù)研究計(jì)算結(jié)果, 應(yīng)嚴(yán)格控制鎖定軌溫, 有條件時(shí)可適當(dāng)降低單元軌節(jié)鎖定軌溫, 以降低極端條件下的鋼軌受力。

無砟道床施工時(shí), 應(yīng)嚴(yán)格按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)尺寸, 混凝土施工時(shí)應(yīng)充分振搗保證混凝土質(zhì)量, 避免出現(xiàn)浮漿、掉塊等病害, 混凝土養(yǎng)護(hù)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)程。

無縫道岔裝鋪時(shí), 應(yīng)嚴(yán)格控制作業(yè)溫度, 保證鋪設(shè)后無縫道岔軌溫變化幅度合理。此外, 應(yīng)嚴(yán)格、精確定位限位器子母塊間的相對(duì)位置, 避免由于軌溫升降導(dǎo)致限位器受力過大。岔區(qū)鎖定軌溫與相鄰道岔、相鄰單元軌節(jié)的溫差應(yīng)嚴(yán)格控制, 并加強(qiáng)岔后線路的爬行鎖定。為降低橋梁伸縮對(duì)道岔的影響, 應(yīng)控制連續(xù)梁合龍溫度, 且應(yīng)選擇合適的溫度條件鋪設(shè)無縫道岔。

5.3 運(yùn)維監(jiān)測

我國高速鐵路對(duì)于大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔尚缺少工程經(jīng)驗(yàn), 應(yīng)配套橋上無縫道岔健康監(jiān)測系統(tǒng), 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測道岔狀態(tài), 通過數(shù)據(jù)積累指導(dǎo)工程設(shè)計(jì), 為無縫道岔應(yīng)用提供技術(shù)積累。

斷縫計(jì)算結(jié)果74.28 mm雖然小于相關(guān)規(guī)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(duì)該區(qū)域長軌條加強(qiáng)巡檢及觀測, 及時(shí)排查鋼軌傷損、扣件狀態(tài)不良等問題。維修過程中應(yīng)檢查限位器、間隔鐵聯(lián)結(jié)螺栓扭矩, 加強(qiáng)道岔卡阻、扣件狀態(tài)等問題排查, 并做好相關(guān)應(yīng)急處置預(yù)案。

6 結(jié)論

依托沈白高鐵對(duì)某咽喉區(qū)大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)無縫道岔進(jìn)行理論研究和工程應(yīng)用研究, 得出如下結(jié)論, 可為高速鐵路咽喉區(qū)大跨度連續(xù)梁無縫道岔設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

（1）小阻力扣件的應(yīng)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(yīng)力為327.31 MPa, 心軌、尖軌相對(duì)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(cè)向過岔時(shí), 脫軌系數(shù)、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(biāo)均能滿足規(guī)范要求, 說明列車過岔時(shí)的車輛、道岔安全性能夠滿足。

（3）針對(duì)大跨度橋梁鋪設(shè)無縫道岔, 應(yīng)綜合考慮嚴(yán)寒地區(qū)凍融循環(huán)、排水、施工控制等因素, 從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等多方面、多角度系統(tǒng)研究。