曲 村 韩海燕 刘 薇

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037; 2. 北京市轨道结构工程技术研究中心,北京 100037;3. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心,北京 100037)

1 研究背景

目前,城市轨道交通已经成为解决大中城市交通拥堵问题的主要方式。 截至2021 年12 月31 日,我国大陆地区已有51 座城市、共计269 条线路建成并投入运营,总里程达8 708 km。 线路里程的增长导致城市轨道交通系统形式呈现多样化,除传统的地铁系统外,城际间的市域铁路也正在蓬勃发展[1-3]。

在京津冀、长三角、粤港澳等主要都市圈,市域铁路在设计方案上主要采用取消钢轨接头的跨区间无缝线路技术,无缝线路技术具有行驶稳定性好、旅客舒适度高、维修量减少、振动与噪声小、轨道结构使用寿命长等优点。 由于市域铁路连通不同城市,经常需要跨越大江大河,会采用大量长大桥梁并铺设桥上无缝道岔。 因此,相较于普通城市轨道交通,又产生一系列技术难点:如道岔无缝化设计[4-7]、长大桥梁对无缝道岔的影响[8-12]、道岔群之间的相互影响[13-14],以及道岔结构优化设计[15-16]等。

目前,针对高速铁路桥上无缝道岔力学特征的相关研究较多,但针对市域铁路桥上无缝道岔群的研究尚属空白,设计依据和实践经验较为缺乏。 随着我国各大都市圈交通建设的开展,凾需结合市域铁路建设的特点及需求,开展市域铁路桥上无缝道岔群关键技术研究。

以下将针对市域铁路的特点,通过建立完善的市域铁路连续梁桥上无缝道岔耦合仿真分析模型,考虑无缝道岔型式、细部构造、间隔铁或限位器阻力、扣件阻力、道岔间相互作用、桥梁型式和结构尺寸、桥墩刚度和支座布置方式等,研究分析温度场作用下市域铁路桥上无缝道岔单渡线的力学特性,对轨道、桥梁、线路等专业提出合理的设计优化建议。

2 建立仿真模型

2.1 整体结构布局

以铺设市域铁路用60 kg/m 钢轨12 号无砟轨道可动心轨无缝道岔4.6 m 线间距单渡线的(48.85+80+48.85) m 连续梁为例,连续梁两侧各考虑5 跨32.7 m 简支梁作为辅助跨。 第一组道岔端部距离最近的连续梁端40.0 m,两组道岔的岔心之间沿线路方向距离为55.2 m。

道岔编号、桥梁支座布置方式及单渡线与桥梁之间关系见图1,单渡线中各线钢轨编号见图2。

图1 市域铁路桥上无缝道岔单渡线布置情况

图2 市域铁路桥上无缝道岔单渡线钢轨编号

2.2 钢轨和扣件

采用非线性弹簧单元进行模拟。 路基地段和桥上非岔区,采用 WJ - 8B 型扣件, 扣件纵向阻力参考TB10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[17],扣件横向刚度参考相关试验和研究报告,取50 kN/mm;桥上道岔区采用Ⅱ型弹条扣件,扣件阻力参考试验得到的扣件位移-纵向阻力曲线。

2.3 道岔转辙器

市域铁路用60 kg/m 钢轨12 号无砟轨道可动心轨无缝道岔尖轨跟端传力结构按照2 螺栓限位器考虑。

根据室内实验,含2 螺栓的限位器(间隙值按10 mm 考虑)的位移-纵向阻力曲线见图3。

图3 限位器位移-纵向阻力曲线

尖轨跟端的2 螺栓限位器采用非线性弹簧单元进行模拟,见图4。

图4 尖轨跟端限位器弹簧单元模型

模型中,60 kg/m 钢轨采用梁单元进行模拟;扣件

2.4 可动心轨辙叉

市域铁路用60 kg/m 钢轨12 号无砟轨道可动心轨无缝道岔翼轨前端设置2 螺栓间隔铁,翼轨末端设置3 螺栓间隔铁。

根据室内实验,含2 螺栓的间隔铁的位移-纵向阻力曲线见图5,含3 螺栓的间隔铁的位移-纵向阻力曲线见图6。

图5 间隔铁位移-纵向阻力曲线

图6 间隔铁位移-纵向阻力曲线

翼轨前端的2 螺栓间隔铁和翼轨末端的3 螺栓间隔铁均采用非线性弹簧单元进行模拟,见图7、图8。

图7 翼轨前端2 螺栓间隔铁弹簧单元模型

图8 翼轨末端3 螺栓间隔铁弹簧单元模型

2.5 道岔整体有限元模型

由以上钢轨、扣件、限位器、间隔铁等组成的市域铁路用60 kg/m 钢轨12 号无砟轨道可动心轨无缝道岔整体有限元模型见图9。

图9 单开道岔整体有限元模型

由两组60 kg/m 钢轨12 号无砟轨道可动心轨无缝道岔组成的4.6 m 线间距单渡线整体有限元模型见图10。

图10 单渡线整体有限元模型

2.6 桥上无缝道岔单渡线空间耦合模型

桥梁混凝土强度等级为C50,采用实体单元进行模拟,见图11。

图11 连续梁实体单元模型

以上各部分组成市域铁路桥上无缝道岔单渡线空间耦合有限元模型。

2.7 温度荷载

我国幅员辽阔,温度幅度差异较大,根据既有观测数据及研究成果,主要考虑钢轨温度变化幅度最大60 ℃工况,后续再与钢轨变化幅度55 ℃和50 ℃工况进行比较。 桥梁温度变化幅度参考TB10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[17],最大年温差取30 ℃。

3 温度场作用下的力学特性分析

3.1 钢轨温度力计算结果

为方便对市域铁路桥上无缝道岔钢轨受力与变形的表示,对全部钢轨进行编号,见图2。

在温度场作用下,钢轨温度力分布见图12。 钢轨温度力最大值为1 569.118 kN,位于连续梁右端远离固定支座一侧的梁缝处,该处梁轨相对位移也最大。钢轨伸缩附加力最大值为417.591 kN,达到基本温度力(1 151.527 kN)的36.26%。

图12 桥上无缝道岔单渡线钢轨温度力分布

相同计算参数条件下,桥上无缝线路的钢轨温度力最大值为1 562.016 kN,略小于桥上无缝道岔单渡线计算结果,同样位于连续梁右端远离固定支座一侧的梁缝处。 钢轨伸缩附加力最大值为410.489 kN,也略小于桥上无缝道岔单渡线计算结果。

由此可知,在温度场的作用下,由于市域铁路无缝道岔铺设位置距离连续梁端部较远,参考TB 10624—2020《市域(郊)铁路设计规范》[18]规定(“道岔始端、终端至梁缝距离”温暖地区不小于10 m、寒冷地区不小于18 m),第一组道岔端部距离连续梁端40 m,第二组道岔端部距离连续梁端也有将近50 m。 因此,钢轨伸缩附加力最大值受无缝道岔单渡线影响较小,受固定支座位置至活动支座端距离影响较大。

3.2 钢轨纵向位移计算结果

在温度场作用下,钢轨纵向位移分布见图13。 两组道岔的尖轨尖端绝对位移和相对位移最大值、心轨尖端绝对位移和相对位移最大值见表1。

图13 桥上无缝道岔单渡线钢轨纵向位移分布

表1 桥上无缝道岔钢轨纵向位移计算结果对比 mm

由表1 可知,由于2 组道岔铺设在连续梁桥上的位置不同,受桥梁不同位置伸缩变形量的影响,道岔尖轨和心轨的绝对位移差距较大,距离固定支座位置越远,绝对位移越大;而尖轨尖端与对应基本轨或心轨尖端与对应翼轨的相对位移差距不大。 后续计算分析以2 组道岔的计算结果中较大值进行。

3.3 道岔传力结构受力计算结果

在温度场的作用下,尖轨跟端限位器和翼轨末端间隔铁等道岔传力结构的纵向力计算结果见表2。

表2 桥上无缝道岔传力结构纵向受力计算结果对比kN

由表2 可知,虽然2 组道岔铺设在连续梁桥上的位置不同,但由于尖轨跟端与对应基本轨或心轨跟端与对应翼轨的相对位移差距不大,所以对应位置处的传力结构纵向受力相差不大。 后续计算分析以2 组道岔的计算结果中较大值进行。

3.4 桥墩纵向受力计算结果

在温度场的作用下,连续梁固定支座所在桥墩纵向受力为599.150 kN,两侧简支梁固定支座所在桥墩纵向受力最大值为371.060 kN。

相同参数条件下,桥上无缝线路的连续梁固定支座所在桥墩纵向受力为591.240 kN,两侧简支梁固定支座所在桥墩纵向受力最大值为365.556 kN。 略小于桥上无缝道岔单渡线的计算结果,但差距不大。 说明当市域铁路无缝道岔铺设位置距离连续梁端部较远时,桥墩的伸缩附加力最大值受无缝道岔单渡线影响较小。

3.5 梁缝变化量计算结果

在温度场的作用下,连续梁两端的梁缝变化量分别为19.777 mm 和27.126 mm。 说明梁缝变化量受到梁端与固定支座位置距离影响较大,距离固定支座越远,桥梁端部的变形量越大。

4 钢轨温差影响分析

4.1 钢轨温度力计算结果

本节主要分析市域铁路桥上60 kg/m 钢轨12 号无砟轨道可动心轨无缝道岔4.6 m 线间距单渡线各项力学特性受钢轨温差的影响,考虑以下3 种工况。

工况1:钢轨温差60 ℃(基本工况)。

工况2:钢轨温差50 ℃。

工况3:钢轨温差40 ℃。

在温度场的作用下,钢轨纵向受力计算结果对比见表3。 表3 中,“钢轨伸缩附加力”为桥梁与钢轨因温度变化产生的纵向相对位移引起的纵向力。

表3 桥上无缝道岔钢轨纵向受力计算结果对比

由表3 可知,随着钢轨温差减小,钢轨伸缩附加力最大值略有减小,结合前述3.1 节计算结果和结论,进一步验证“由于市域铁路无缝道岔铺设位置距离连续梁端部较远,钢轨伸缩附加力最大值受无缝道岔单渡线影响较小,主要受桥梁温差造成的桥梁伸缩影响更大”的结论,其受力特征与桥上无缝线路相同。

4.2 钢轨纵向位移计算结果

在温度场的作用下,钢轨纵向位移计算结果对比见表4。

表4 桥上无缝道岔钢轨纵向位移计算结果对比 mm

由表4 可知,随着钢轨温差减小,尖轨尖端和心轨尖端的绝对位移与相对位移均明显减小,说明钢轨温差对于道岔本身变形影响较大。

4.3 道岔传力结构受力计算结果

在温度场的作用下,道岔传力结构的纵向力计算结果对比见表5。

表5 桥上无缝道岔传力结构纵向受力计算结果对比 kN

由表5 可知,随着钢轨温差减小,尖轨跟端和翼轨末端传力结构的纵向力均明显减小,说明钢轨温差对道岔本身受力影响也较大。

4.4 桥墩纵向受力计算结果

在温度场的作用下,桥墩纵向力计算结果对比见表6。

表6 桥上无缝道岔桥墩纵向受力计算结果对比 kN

由表6 可知,随着钢轨温差减小,桥墩受力略有减小,基本变化大不,结合3.4 节中计算结果和结论,进一步验证“由于市域铁路无缝道岔铺设位置距离连续梁端部较远,桥墩的伸缩附加力最大值受无缝道岔单渡线影响较小,受桥梁温差造成的桥梁伸缩影响更大”的结论,其受力特征与桥上无缝线路相同。

4.5 梁缝变化量计算结果

在温度场的作用下,梁缝变化量计算结果对比见表7。

表7 桥上无缝道岔梁缝变化量计算结果对比mm

由表7 可知,随着钢轨温差减小,梁缝变化量略有减小,结合3.5 节计算结果和结论,也验证4.4 节中的结论。

5 结论

在温度场的作用下,由于市域铁路无缝道岔铺设位置距离连续梁端部较远,钢轨和桥墩伸缩附加力最大值及桥梁的变形受无缝道岔单渡线影响较小,受桥梁温差造成的桥梁伸缩影响更大,与桥上无缝线路相同;而钢轨温差对于道岔本身的受力和变形影响较大,仍然不可忽视。

在实际工程的设计工作中,如需初步提供市域铁路桥上无缝道岔单渡线的桥墩力,可先采用相同参数条件下桥上无缝线路进行计算,以简化设计过程;若需对桥上无缝道岔本身轨道结构的受力与变形进行检算,应建立详细的桥上无缝道岔仿真分析模型开展计算研究,以保证结果的真实可靠。