市域(郊)铁路桥上无缝道岔至梁缝距离研究

韩志刚

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063; 2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室,武汉 430063)

引言

市域(郊)铁路一般桥梁占比较高,结合车站配线设计,道岔不可避免需要设置在高架站前后道岔连续梁上。考虑市域(郊)铁路设计速度100～160 km/h介于地铁和高铁之间,相对地铁而言,其速度较高,轮轨动力作用较大,振动和冲击对周围环境影响大,因此,市域(郊)铁路桥上道岔设计不宜采用地铁传统的“有缝+冻结接头”模式,将道岔无缝化采用跨区间无缝线路技术是市域(郊)铁路道岔区设计的首选[1-2]。

地铁正线一般采用9号道岔,而高速铁路正线一般采用18号道岔,结合温州、台州等市域(郊)铁路项目道岔技术研究及应用,市域(郊)铁路桥上推荐采用12号可动心轨道岔。该道岔具有良好的平顺性,可动心轨辙叉不存在“有害空间”,能大幅降低列车过辙叉时产生的振动冲击和噪声,提高列车运行的平稳性,减少对周边环境的影响[3-5]。

由于TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[6]中对桥上道岔布置规定:“正线道岔不应跨越梁缝,道岔始端、终端至梁缝距离不应小于18 m”,考虑此规定要求严格,限制市域(郊)铁路道岔连续梁及高架站布置设计。基于“道岔-桥梁”相互作用原理,建立“岔-板-梁-墩”一体化12号无砟轨道、无缝道岔有限元模型,考虑我国温暖及寒冷地区温度差异特点,针对常用12号单开道岔及4.3 m线间距渡线道岔至梁缝距离进行研究分析[7-8]。

1 桥上无缝道岔计算模型

建立市域(郊)铁路无砟轨道“岔-板-梁-墩”相互作用的一体化有限元模型[9-11],模型平面及立面分别如图1、图2所示。桥上无缝道岔结构由道岔、轨道板、梁体、桥墩四部分组成,道岔和轨道板之间的扣件采用弹簧模拟,轨道板和梁体通过弹簧连接。模型中道岔钢轨、桥梁均采用Beam3梁单元模拟;桥梁固定支座采用Combin14弹簧单元模拟;轨道板与桥梁之间纵向连接采用Combin39非线性弹簧单元模拟[12-13]。

图1 桥上无砟轨道无缝道岔模型平面Fig.1 Model plane of continuous welded turnout ballastless track on bridge

图2 桥上无砟轨道无缝道岔模型立面Fig.2 Model elevation of continuous welded turnout ballastless track on bridge

2 桥上无缝道岔设计技术要求

参照TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》,以道岔钢轨强度、尖轨、心轨、转辙机处位移及钢轨断缝值作为有限元计算分析限值条件[14-15]。

(1)钢轨轨底动弯应力、钢轨温度应力、钢轨附加应力及钢轨制动力之和小于钢轨容许应力。

[σd]+[σt]+[σf]+[σz]<[σ]

(1)

式中,[σ]为钢轨容许应力;[σd]为钢轨动弯应力;[σt]为钢轨温度应力;[σf]为钢轨附加应力;[σz]为牵引(制动)应力。道岔钢轨采用U75V,钢轨允许应力363.08 MPa。

(2)尖轨尖端绝对位移允许值40 mm,尖轨尖端相对基本轨伸缩位移允许值20 mm,心轨尖端绝对位移允许值20 mm,心轨尖端相对翼轨伸缩位移允许值6 mm,转辙机处基本轨与桥梁相对位移允许值5 mm。

(3)钢轨折断允许断缝值,一般取70 mm,困难条件下取90 mm。

3 计算工况和计算参数

对市域(郊)铁路桥上常用的单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔建立有限元模型,分别计算道岔钢轨纵向附加力、尖轨、心轨及转辙机位移、道岔钢轨断缝值[16-17],提出市域(郊)铁路桥上无缝道岔至梁缝合理距离限值。

3.1 计算工况

(1)单开道岔桥跨布置采用5-35 m简支梁+(4×L)的道岔连续梁+5-35 m简支梁[18-19],如图3所示,其中道岔始终端距梁缝的取值x分别为6,8,10,12 m和18 m 五种工况,对应的梁长L分别为13.8,14.8,15.8,16.8 m和19.8 m。

图3 单开道岔平面及桥跨布置Fig.3 Layout of single turnout plane and bridge span

(2)4.3 m线间距渡线道岔桥跨布置采用5-35 m简支梁+(4×L) m的道岔连续梁+5-35 m简支梁,如图4所示,其中道岔始终端距梁缝的取值x分别为6,8,10,12 m和18 m五种工况,对应的梁长L分别为24.2,25.2,26.2,27.2 m和30.2 m。

图4 4.3 m线间距渡线道岔平面及桥跨布置Fig.4 Layout of 4.3 m spacing crossover turnout plane and bridge span

3.2 计算参数

(1)道岔参数:采用60 kg/m U75V钢轨,直向允许过岔速度160 km/h,侧向过岔速度50 km/h。道岔尖轨为复曲线型,R1为450 717.5 mm,R2为350 717.5 mm,R1相离9.5 mm,R2相离25 mm,R1实际起点在曲线尖轨33.08 mm断面处,公切点处支距为79.3 mm。采用弹性可弯尖轨,尖轨尖端为藏尖式,跟端采用限位器传力机构。扣件采用弹条Ⅱ型扣件,岔区整体刚度为22.5～27.5 kN/m。道岔平面布置如图5所示,全长43.2 m。

图5 12号道岔平面布置(单位:mm)Fig.5 General layout of No.12 turnout (unit: mm)

(2)温度参数:无砟道岔梁年温差取值30 ℃;根据秦岭—淮河分为温暖及寒冷两大区域,以北为寒冷地区,以南为温暖地区。道岔钢轨温差按30 ℃、40 ℃(温暖地区),50 ℃(寒冷地区)取值。

4 无缝线路计算结果

鉴于两种道岔计算工况共30种结果较多,仅以单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔第二股道为例,取道岔始终端距梁缝6,12 m和18 m三种工况的计算结果为例进行规律分析。

(1)纵向伸缩附加力

不同道岔始终端距梁缝距离工况,降温30 ℃下单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔钢轨伸缩力分别如图6所示。

图6 钢轨纵向伸缩力Fig.6 Longitudinal expansion and contraction force of rail

由图6(a)可以看出,单开道岔钢轨降温30 ℃纵向伸缩附加力最大值均出现在第一个道岔梁的右端梁缝处。由图6(b)可以看出,4.3 m线间距渡线道岔降温30 ℃钢轨伸缩附加力最大值均出现在第一个道岔梁的左端梁缝处。

当最大温降取值分别为30 ℃、40 ℃和50 ℃时,单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔不同道岔始终端距梁缝距离钢轨最大伸缩附加力分别如表1、表2所示。

表1 单开道岔钢轨纵向伸缩附加力 kNTab.1 Additional longitudinal expansion and contraction force on rail for single turnout

表2 4.3 m线间距渡线道岔轨纵向伸缩附加力 kNTab.2 Additional longitudinal expansion and contraction force on rail for 4.3 m spacing crossover turnout

(2)制动附加力

列车从右向左入桥制动,车头位于第一跨连续梁最右端,制动加载长度140 m,设计荷载取ZS标准荷载[20],制动力率取 0.164,列车制动加载图示如图7所示。

图7 列车制动加载图示Fig.7 Train brake loading diagram

不同道岔始终端距梁缝距离工况,降温30 ℃下单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔钢轨制动力分别如图8所示。

图8 制动工况下制动附加力Fig.8 Additional braking force on rail under braking conditions

由图8(a)可以看出,单开道岔钢轨降温30 ℃钢轨制动附加力最大值均出现在第一个道岔梁的右端梁缝处。由图8(b)可以看出,4.3 m线间距渡线道岔降温30 ℃钢轨制动附加力最大值均出现在第一个道岔梁的左端梁缝处。

当最大温降取值分别为30 ℃、40 ℃、50 ℃时,单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔不同道岔始终端距梁缝距离钢轨最大制动附加力如表3、表4所示。

表3 单开道岔钢轨制动附加力 kNTab.3 Additional braking force on rail for single turnout

表4 4.3 m线间距渡线道岔钢轨制动附加力 kNTab.4 Additional braking force on rail for 4.3 m spacing crossover turnout

(3)纵向位移

不同道岔始终端距梁缝距离工况下,单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔降温30 ℃钢轨纵向位移、桥梁纵向位移、梁轨相对位移分别如图9、图10所示。

图9 单开道岔钢轨、桥梁位移(温降30 ℃)Fig.9 Displacement of single turnout rail and bridge( rail temperature drop 30 ℃)

图10 4.3 m线间距渡线道岔钢轨、桥梁位移(温降30 ℃)Fig.10 Displacement of 4.3 m spacing crossover turnout rail and bridge (rail temperature drop 30 ℃)

由图9、图10可知,靠近梁缝处,相对位移最大,自梁缝向桥跨中心,梁轨相对位移逐渐减少,如果桥跨长度足够,梁轨相对位移减小至0,即钢轨和桥梁在纵向上同步伸缩。对于道岔连续梁而言,其左端的温度跨度较大,因此,左端梁缝处,钢轨的纵向力、纵向位移,桥梁的纵向位移,梁轨相对位移均比右端梁缝处大。

当最大温降取值分别为30 ℃、40 ℃和50 ℃时,单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔不同道岔始终端距梁缝距离曲尖轨、心轨位移分别如表5、表6所示,转辙机处基本轨与桥梁相对位移分别如表7、表8所示。

表5 单开道岔曲尖轨、心轨位移 mmTab.5 Displacement of single turnout curved switch rail and point rail

表6 4.3 m线间距渡线曲尖轨、心轨位移 mmTab.6 Displacement of 4.3 m spacing crossover turnout curved switch rail and point rail

表7 单开道岔转辙机基本轨与桥梁相对位移 mmTab.7 Relative displacement of basic rail at switch machine and bridge for single turnout

表8 4.3 m线间距渡线转辙机基本轨与桥梁相对位移 mmTab.8 Relative displacement of basic rail at switch machine and bridge for 4.3 m spacing crossover turnout

由表5可以看出,当最大温降取50 ℃时,单开道岔始终端距梁缝6,8,10 m和12 m的心轨尖端相对于翼轨伸缩位移均大于6 mm,不满足限值要求;且道岔始终端距梁缝6 m和8 m的心轨尖端绝对位移大于20 mm,不能满足限值要求。

由表6可以看出,4.3 m线间距渡线道岔各项位移指标均满足限值要求。

由表7可以看出,当最大温降取30 ℃、40 ℃时,单开道岔始终端距梁缝6 m和8 m时,第一处转辙机处基本轨与桥梁相对位移均大于5 mm,不能满足限值要求。当最大温降取50 ℃时,单开道岔始终端距梁缝6,8 m和10 m时,第一处转辙机处基本轨与桥梁相对位移均大于5 mm,不能满足限值要求。

由表8可以看出,当最大温降取30 ℃、40 ℃、50 ℃时,4.3 m线间距渡线道岔始终端距梁缝6 m时,第一处转辙机处基本轨与桥梁相对位移均大于5 mm,不能满足限值要求。

(4)钢轨断缝计算结果

单开道岔钢轨最大伸缩附加力出现在道岔连续梁的右端梁端处,在此处进行断轨计算。当最大温降取值分别为30 ℃、40 ℃和50 ℃时,单开道岔不同道岔始终端距梁缝距离钢轨断缝值如表9所示。

表9 单开道岔钢轨断缝值 mmTab.9 Rail broken gap value for single turnout

4.3 m线间距渡线道岔钢轨最大伸缩附加力出现在道岔连续梁的左端梁端处,在此处进行断轨计算。当最大温降取值分别为30 ℃、40 ℃和50 ℃时,4.3 m线间距渡线道岔不同道岔始终端距梁缝距离钢轨断缝值如表10所示。

表10 4.3 m线间距渡线道岔钢轨断缝值 mmTab.10 Rail broken gap value for 4.3 m spacing crossover turnout

由表9、表10可以看出,当最大温降取30 ℃、40 ℃、50 ℃时,单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔钢轨断缝值均不大于90 mm,满足限值要求。

(5)道岔钢轨强度计算结果

根据《铁路无缝线路设计规范》,当最大温降取值分别为30 ℃、40 ℃、50 ℃下的钢轨最大温度拉应力分别为72.9,97.3,121.5 MPa。钢轨轨底动弯拉应力为[σd]=103.264 MPa。结合前面计算的伸缩附加力及制动附加力结果,当最大温降取值为30 ℃、40 ℃和50 ℃时,单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔不同道岔始终端距梁缝距离钢轨强度计算均小于363.08 MPa,满足限值要求。

5 结语

针对市域(郊)铁路线常用桥上12号单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔,当最大温降分别取30 ℃、40 ℃、50 ℃时,道岔至梁缝的距离分别取6,8,10,12 m和18 m五种工况,以道岔钢轨强度条件、尖轨、心轨、转辙机处位移及钢轨断缝值为判定条件,研究了市域(郊)铁路桥上无缝道岔至梁缝合理距离限值,得到以下结论。

(1)道岔始终端与梁缝距离越大,尖轨尖端绝对位移、心轨尖端绝对位移均明显减小,转辙机处基本轨与桥梁相对位移值也随着道岔始终端与梁缝距离的增加而减小。

(2)道岔始终端距梁缝6,8,10,12 m和18 m等工况,钢轨伸缩力和制动力结果差别不大,钢轨强度及断缝值不是限制因素。

(3)温暖地区道岔始终端距离梁缝不小于10 m时各项位移指标均能满足限值要求,寒冷地区道岔始终端距离梁缝不小于18 m可以满足限值要求,相关研究成果纳入TB10624—2020《市域(郊)铁路设计规范》。