文 妮

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，430205，武漢∥副教授）

市域軌道交通的設(shè)計(jì)時(shí)速一般為100～160 km/h，是一種介于高速鐵路和地鐵之間的一種軌道交通制式，因此其軌道設(shè)計(jì)不能完全參考高速鐵路和地鐵等相關(guān)規(guī)范。市域軌道交通相對(duì)地鐵而言，速度較高，輪軌動(dòng)力作用較大，因此其橋上道岔設(shè)計(jì)不宜采用地鐵傳統(tǒng)的“有縫+凍結(jié)接頭”［1］?？鐓^(qū)間無縫線路是市域軌道交通的基本技術(shù)要求之一，而橋上道岔的無縫化是實(shí)現(xiàn)跨區(qū)間無縫線路的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于高速鐵路橋上的無縫道岔已有系統(tǒng)性研究，研究成果納入了相關(guān)規(guī)范［2］。但高速鐵路橋上無縫道岔布設(shè)對(duì)橋梁和布置方式要求比較嚴(yán)格，其布置方式不適用于市域軌道交通。為了滿足市域軌道交通橋上道岔無縫化要求，本文針對(duì)市域軌道交通高架橋上單渡線道岔無縫化開展橋梁和軌道合理布置形式研究，以供類似工程設(shè)計(jì)參考。

1 計(jì)算模型與方案

1.1 工程背景

某市域軌道交通4×30 m連續(xù)梁上布置9號(hào)道岔的單渡線，其橋上采用雙塊式無砟軌道，為雙線道岔梁，線間距4.2 m，位于直線段。線路設(shè)計(jì)最高速度為120 km/h。

橋上道岔區(qū)軌下基礎(chǔ)為桁架式長(zhǎng)枕式整體道床，道岔采用60 kg/m鋼軌9號(hào)道岔。道岔全長(zhǎng)為28.3 m（前后長(zhǎng)度分別為12.57 m和15.73 m），采用相離線型曲線尖軌、高錳鋼整鑄式轍叉及槽型護(hù)軌；其直向最大通過速度為120 km/h，側(cè)向通過速度為35 km/h。

1.2 計(jì)算模型

在溫度作用或列車制動(dòng)作用下，橋梁與軌道將產(chǎn)生相對(duì)位移，在橋梁與軌道之間形成一個(gè)相互作用的力學(xué)平衡體系。由于桁架式長(zhǎng)枕式整體道床的長(zhǎng)枕澆筑在道床內(nèi)，而道床通過預(yù)埋鋼筋直接與橋面連接在一起，所以可以把高架橋上無縫道岔結(jié)構(gòu)模擬成一個(gè)由梁體與軌道組成的兩層結(jié)構(gòu)體系，建立“軌道-橋梁-墩臺(tái)”相互作用的一體化模型［3-8］（如圖1所示）。

圖1 無砟軌道橋上無縫道岔模型示意圖

應(yīng)用ANSYS軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算分析。鋼軌、軌枕和橋梁采用梁?jiǎn)卧M；扣件縱向阻力采用彈簧單元模擬，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)和岔枕節(jié)點(diǎn)上；限位器采用彈簧單元模擬，作用于鋼軌節(jié)點(diǎn)上；固定墩采用彈簧單元模擬，作用于橋梁上。

1.3 計(jì)算參數(shù)

市域軌道交通的4×30 m連續(xù)梁固定支座設(shè)在中間墩上，連續(xù)梁橋墩剛度取500 kN/cm，相鄰簡(jiǎn)支梁橋墩剛度取250 kN/cm。箱梁結(jié)構(gòu)為等高、等寬度連續(xù)箱梁，梁高1.8 m，箱梁頂板全寬10.6 m。箱梁橫截面為單箱單室斜腹板，頂板厚度0.28 m，腹板厚度0.35 m，底板厚度0.28 m。建模時(shí)，在連續(xù)梁左端考慮5孔30 m簡(jiǎn)支梁作為邊界條件，右端的車站模擬為剛度無窮大的基礎(chǔ)?；炷亮旱臏囟茸兓热?5℃。

9號(hào)單開道岔轉(zhuǎn)轍器跟端設(shè)置限位器，間隙值為7 mm，限位器水平螺栓采用高強(qiáng)度螺栓及高強(qiáng)度螺母。道岔總長(zhǎng)為60個(gè)枕跨，導(dǎo)曲線半徑為200.717 m，岔枕間距取0.6 m。道岔直股和側(cè)股均采用凍結(jié)接頭。當(dāng)?shù)刈罡哕墱?1.9℃，最低軌溫-19.6℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫取25.0℃，鎖定軌溫變動(dòng)范圍按±5℃考慮，最大軌溫變化幅度取49.6℃。

1.4 計(jì)算方案

參考《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)橋上道岔布置的規(guī)定，以及城市軌道交通高架橋上道岔布置情況，本文對(duì)市域軌道交通4×30 m連續(xù)梁上單渡線的布置情況進(jìn)行計(jì)算分析，分析不同方案下橋上無縫道岔受力和變形情況，方案設(shè)定為：方案1——道岔1的始端距梁縫為2 m；方案2——道岔1的始端距梁縫為6 m；方案3——道岔1的始端距梁縫為10 m；方案4——道岔1的始端距梁縫為14 m；方案5——道岔1的始端距梁縫為18 m。各方案的道岔布置示意圖如圖2所示。

圖2 橋上道岔不同布置方案示意圖

2 對(duì)比計(jì)算分析

2.1 對(duì)鋼軌溫度力的影響

對(duì)5種方案進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)比連續(xù)梁橋上道岔不同布置方案對(duì)鋼軌溫度力的影響。圖3～4分別給出了右線直基本軌、左線直基本軌的鋼軌溫度力。可以看出：道岔不同布置方案對(duì)右線直基本軌伸縮附加力幾乎無影響，左線直基本軌伸縮附加力受固定墩的影響略有變化。該市域軌道交通正線鋼軌采用了U75V軌，其屈服強(qiáng)度為472 MPa。表1給出了各方案鋼軌強(qiáng)度值、鋼軌溫度應(yīng)力、動(dòng)彎應(yīng)力、伸縮附加力和制動(dòng)［9］，可見各應(yīng)力疊加后的鋼軌強(qiáng)度小于鋼軌容許應(yīng)力，所以鋼軌強(qiáng)度不是限制市域軌道交通橋上道岔無縫化的關(guān)鍵因素。

圖3 橋上道岔右線直基本軌伸縮附加力

圖4 橋上道岔左線直基本軌伸縮附加力

表1 橋上道岔不同方案的鋼軌強(qiáng)度表MPa

2.2 對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移的影響

圖5為連續(xù)梁上道岔不同布置方案時(shí)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移。可以看出：隨著距梁縫距離的增大，道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移逐漸減小，變化規(guī)律近似呈線性。

市域軌道交通高架橋橋墩剛度較小，梁軌相對(duì)位移較大。參考《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定：為滿足道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備正常轉(zhuǎn)換和鎖閉，在伸縮力和制動(dòng)力作用下轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移量不大于5 mm。表2為橋上道岔的伸縮工況和制動(dòng)工況下5種布置方式轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移值，向右為正，向左為負(fù)。可以看出：道岔1始端距離梁縫為2、6、10 m時(shí)，伸縮工況和制動(dòng)工況作用下道岔1轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移大于5 mm；道岔1始端距離梁縫14 m和18 m時(shí)，伸縮工況和制動(dòng)工況作用下道岔1轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移總和分別為4.975、4.185 mm，均小于5 mm。

圖5 橋上道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移

表2 橋上道岔不同方案的轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移mm

2.3 對(duì)道岔尖軌位移的影響

表3給出了連續(xù)梁上道岔不同布置方案時(shí)道岔尖軌相對(duì)于基本軌的位移值?？梢钥闯觯旱啦砑廛壪鄬?duì)于基本軌的位移隨道岔1距梁縫距離的增大而減小。

表3 橋上道岔不同方案的尖軌相對(duì)于基本軌位移mm

2.4 橋墩縱向水平線剛度對(duì)道岔位移的影響

為進(jìn)一步探討市域軌道交通高架橋上道岔無縫化的布置，針對(duì)方案4，分析了連續(xù)梁橋墩縱向水平線剛度分別為 400、500、600、700、800、1 500、2 500 kN/cm時(shí)道岔1的位移情況（見表4）?？梢钥闯觯弘S著連續(xù)梁橋墩剛度的增大，道岔各部位相對(duì)基本軌的位移逐漸減小，但影響較小。

表4 不同橋墩剛度下道岔1各部位相對(duì)基本軌位移

3 結(jié)論

（1）隨著單渡線道岔始端距梁縫距離的增大，右線鋼軌伸縮附加力基本不變，左線鋼軌伸縮附加力受固定墩影響略有變化。

（2）隨著單渡線道岔始端距梁縫距離的增大，道岔各部位的位移值均減小，變化規(guī)律近似呈線性。

（3）根據(jù)道岔位移隨道岔始端距梁縫距離的變化規(guī)律可知：當(dāng)連續(xù)梁橋上單渡線道岔始端距梁縫大于14 m時(shí)，在伸縮力和制動(dòng)力作用下轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移小于5 mm，道岔鋼軌強(qiáng)度和道岔位移滿足無縫道岔布置要求，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

（4）隨著連續(xù)梁橋墩剛度的增大，道岔各部位相對(duì)基本軌的位移逐漸減小，但影響較小。