李秋义

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线站处，武汉 430063)

1 概述

随着铁路客运专线的建设与发展,将会有越来越多的道岔设置在桥上。建立科学合理的计算模型与计算方法是研究桥上无缝道岔受力与变形的重要手段,也是指导无缝道岔设计、施工及养护维修的理论基础。桥上无缝道岔的计算模型和计算方法研究已经引起国内外高度关注。德国和法国分别建立了轨道-桥梁有限元计算模型,国内也有相关研究成果相继发表[1～5]。

本文在充分分析道岔-桥梁相互作用原理及力学传递机理的基础上,建立了桥上有砟轨道和无砟轨道“岔-梁-墩一体化”计算模型,提出了道岔与桥梁相互作用非线性有限元计算方法,并开发相应的计算程序。通过与德国计算结果的比较，验证本计算模型的可行性和合理性。

2 道岔-桥梁相互作用原理

对于桥上无缝道岔,道岔和桥梁之间是一个相互作用、相互影响的耦合系统。在桥上轨道(包括道岔)与桥梁之间形成一个相互作用的力学平衡体系。道岔-桥梁相互作用原理是桥上无缝道岔纵向力和位移计算的理论基础。道岔与桥梁相互作用力包括伸缩力、挠曲力、断轨力、制动力。道岔与桥梁之间的相互作用如图1所示。

图1 道岔与桥梁相互作用

3 计算模型和计算方法

3.1 基本假定

(1)道岔尖轨与可动心轨前端可自由伸缩。尖轨或可动心轨尖端位移为其跟端位移与自由段伸缩位移之和。

(2)不考虑辙叉角大小的影响,假设导轨与长轨条平行。

(3)钢轨按支承节点划分有限杆单元,扣件纵向阻力模拟为纵向弹簧,道床阻力以单位岔枕长度的阻力计,道床阻力沿岔枕长度方向均匀分布。

(4)考虑辙跟限位器间隔铁阻力对钢轨伸缩位移的影响,间隔铁阻力以弹簧单元模拟。

(5)假设桥梁固定支座能完全阻止梁的伸缩,活动支座抵抗伸缩的阻力忽略不计,计算时考虑桥梁墩台顶纵向刚度。

3.2 岔-梁-墩一体化计算模型

在桥上无缝道岔结构体系中,道岔和桥梁是不可分割的两大组成部分,钢轨、岔枕、桥梁及墩台是一个相互作用、相互影响的耦合系统,必须应用系统工程的思想来研究道岔和桥梁的作用规律。

(1)有砟轨道

将道岔结构和桥梁结构作为一个总的大系统,建立“岔-梁-墩”一体化计算模型,如图2～图3所示。

图2 桥上无缝道岔模型平面

图3 桥上有砟无缝道岔模型立面

岔-梁-墩一体化模型全面反映了钢轨、岔枕、桥梁及墩台之间的相互作用关系。一体化模型系统中各种阻力按非线性阻力考虑,同时也可考虑常阻力和线性阻力；道岔可为单组或道岔群,桥梁可为简支梁、连续梁或其他梁型。为消除边界影响,桥台两端考虑一定长度的一般路基地段轨道。

(2)无砟轨道

桥上无砟轨道上铺设无缝道岔时,道岔铺设在钢筋混凝土道岔板上,道岔板和桥梁之间铺设中间垫层,允许二者之间有相对滑动,通过设置纵横向凸台传递作用力,道岔和桥梁之间的相互作用与有砟轨道明显不同。

利用有限元方法建立了“岔-梁-墩”相互作用的一体化模型,把桥上无缝道岔结构看作一个由道岔、轨道板、梁体组成的三层结构体系,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。力学分析模型如图4所示。

图4 桥上无砟无缝道岔模型立面

3.3 求解方法

本文利用ANSYS软件开放的体系结构,基于ANSYS二次开发技术编制了梁轨相互作用非线性有限元程序DCWTB,它采用APDL语言(命令流技术)来控制程序流程,自动完成有限元建模、荷载的施加、方程的求解,极大地提高了计算精度和工作效率。图5、图6为ANSYS自动建立的桥上无缝道岔有限元模型。

图5 桥上有砟无缝道岔有限元模型

图6 桥上无砟无缝道岔有限元模型立面

3.4 计算模型和计算方法的验证

(1)计算参数

高架桥的总长度为360 m,为双线桥,混凝土箱梁布置形式3-30 m简支梁+6×30 m连续梁+3-30 m简支梁。连续梁上布置1组18号单渡线(线间距5.0 m),道岔侧向过岔速度v=100 km/h。道岔与桥梁布置见图7。

图7 道岔与桥梁布置(单位：m)

桥梁温度变化ΔT=-30 ℃

制动力20 kN/mL×20 kN/m<6 000 kN

牵引力33.3 kN/mL×33.3 kN/m<1 000 kN

桥墩纵向水平线刚度：

工况一 所有桥墩都视为刚性,即不考虑桥墩的水平变形。

工况二 采用桥墩实际刚度：简支梁桥桥墩K=100 MN/m；连续梁固定墩K=5 000 MN/m。

(2)伸缩力计算结果

德国桥上无缝道岔计算模型见图8。德国采用有限元计算模型的钢轨应力(桥梁温度变化ΔT=30 ℃)计算结果见图9。本文根据道岔-桥梁相互作用有限元计算模型和计算方法的计算结果见图10。

图8 德国桥上无缝道岔计算模型

图9 德国计算结果

图10 本文计算结果

(3)牵引力+制动力+挠曲力计算结果

德国根据牵引力+制动力+挠曲力的荷载组合,计算荷载作用在x=30 m→330 m时的钢轨应力见图11。

图11 德国加速力+制动力+挠曲力计算结果

本文采用与德方相同的荷载组合、计算参数进行计算,钢轨应力计算结果见图12。

图12 德国牵引力+制动力+挠曲力计算结果

(4)结果比较

本文与德国钢轨应力计算结果最大值的比较见表1。

表1 结果比较 MPa

从以上分布图和计算结果的比较可见,本文和德国分别计算的桥上无缝道岔钢轨应力分布规律非常一致,两种方法的计算结果吻合较好,验证了本文桥上无缝道岔计算模型和计算方法可行性和合理性。

4 结语

综上所述,本文建立的桥上无缝道岔计算模型和计算计算方法具有以下特点。

(1)计算原理成熟。对于道岔-桥梁耦合系统,试图采用任何一种理论解法几乎都是非常困难的,本文选择采用了目前结构工程领域最为常用、较为成熟有限元法,在研究技术路线大方向把握上是正确性的。德国、法国桥上无缝道岔计算无一例外都采用有限元法。

(2)计算模型完备。岔-梁-墩一体化计算模型系统全面地考虑了道岔与桥梁之间的相互耦合作用,真实地反映了桥上无缝道岔的实际工况和力学传递机理。道床纵向阻力、扣件阻力、扣件阻矩、间隔铁阻力、限位器阻力采用非线性函数符合实际,提高了计算结果的准确性。

(3)计算参数可信。所有计算参数均以现场试验与试验室的试验数据为基础,采用数理统计方法进行统计分析来确定,保证了无缝道岔计算参数的准确、可信,避免了设计参数取值的主观随意性很大。

(4)计算手段先进、高效。充分利用ANSYS软件在非线性方程求解方面强大功能,ANSYS二次开发技术的引入极大地提高计算效率和准确性。

[1]王 平，杨荣山，刘学毅.无缝道岔铺设于长大连续梁桥上时的受力与变形分析[J].交通运输工程与信息学报，2004,2(3)：16-21.

[2]刘衍峰，高 亮，冯雅薇.桥上无缝道岔受力与变形的有限元分析[J].北京交通大学学报，2006,30(1)：67-70.

[3]曾志平，陈秀方，赵国藩.连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移计算[J].交通运输工程学报，2006，6(1)：35-38.

[4]曾志平，陈秀方，赵国藩.简支梁桥上无缝道岔温度力与位移影响因素分析[J].中国铁道科学,2007，6(1)：54-58.

[5]孙大新，高 亮，刘衍峰.桥上无砟轨道无缝道岔力学特性分析[J].北京交通大学学报，2007,31(1)：90-92.