纵横垂向耦合的高速铁路高架车站上无缝道岔的设计方法

摘要

本发明公开了属于铁道工程技术应用与设计领域的一种纵横垂向耦合的高速铁路高架车站上无缝道岔的设计方法。所述设计方法是在考虑桥梁结构、支座布置方式、和轨道结构形式因素，牵引点之间的位移耦合以及钢轨的纵向位移对尖轨钢轨横向变形的影响的实际情况下，作出基本假定，采用3D梁单元模拟钢轨，尖轨和心轨根据实际截面建立变截面梁单元；钢轨按实际截面属性进行建模，采用有限元法根据桥上无缝道岔的不同工况完成相应的计算分析。本发明真实的反映了桥梁、轨道与道岔的相互耦合作用，所得结果更加精确，符合实际情况；效率高，灵活性强，适用于各种桥上无缝道岔或道岔群的设计与检算，为桥上无缝道岔的设计提供了可靠的工具。

说明书

技术领域

本发明属于铁道工程技术应用与设计领域，特别涉及一种纵横垂向耦合的高速铁路高架车站上无缝道岔的设计方法。

背景技术

现有桥上无缝道岔计算方法仅考虑了桥梁的表面而忽视了桥梁本身的挠曲变形，仅能计算钢轨伸缩力及纵向变形，不能计算桥上无缝道岔的挠曲力、制动力及空间变形情况。目前，我国新建高速铁路及客运专线有很多道岔将要铺设于高架桥上，形成桥上无缝道岔结构，桥上无缝道岔必须满足高速列车的平稳及安全运行、无缝道岔结构本身正常安全的使用、桥梁结构受力合理等需要，桥上无缝道岔的变形必须满足相关的要求，而传统的计算方法并不能考虑桥梁及道岔本身的细部空间结构，因此不能给出桥上无缝道岔在荷载作用下的空间变形结果，无法满足设计需要。

新建高速铁路及客运专线桥上无缝道岔的设计，要求一种建模思路清晰，操作简便，能够准确反映桥上无缝道岔空间力学特性的计算与设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纵横垂向耦合的高速铁路高架车站上无缝道岔的设计方法。其特征在于，所述设计方法是在考虑桥梁结构、支座布置方式、和轨道结构形式因素，考虑了尖轨、心轨截面的实际变化、限位器安装误差、牵引点之间的位移耦合以及钢轨的纵向位移对尖轨钢轨横向变形的影响，及考虑了行车方向对道岔尖轨、心轨尖端位移的影响和基本轨前侧部分仅单侧有扣件的实际情况下，作出以下基本假定：

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)钢轨按支承节点划分有限长梁单元，可发生纵向、横向及垂向位移及转角；对于桥上有砟轨道无缝道岔，岔枕按钢轨支承节点划分为有限长梁单元，可发生纵向、横向及垂向位移及转角；不考虑钢轨与岔枕或桥梁的相对扭转；

3)扣件纵、横向阻力分别用纵、横向弹簧模拟，作用于钢轨支承节点上，可阻止钢轨相对于岔枕或桥梁的纵、横向位移，扣件纵、横向阻力可按常量或变量形式输入；扣件垂向刚度用垂向弹簧模拟，其值取扣件的支点刚度；

4)对于桥上有砟轨道无缝道岔，道床纵、横向阻力分别用纵、横向弹簧模拟，阻力值取单位岔枕长度的阻力，可按常量或变量形式输入；道床垂向刚度用垂向弹簧模拟，其值取道床支承刚度；

5)考虑限位器与间隔铁对道岔钢轨伸缩位移的影响，限位器及间隔铁阻力用非线性弹簧单元模拟，阻力值采用相关试验取得的数据；

6)桥梁支座考虑纵向固定横向固定、纵向固定横向活动、纵向活动横向固定、纵向活动横向活动四种形式；固定支座可以完全阻止桥梁的伸缩，不考虑活动支座的摩擦阻力及支座本身的变形；固定支座承受的纵横向力全部传递至墩台；

7)桥梁墩台顶纵横向刚度为线性，考虑在墩顶面纵横向水平力作用下的墩身弯曲、基础倾斜、基础平移及橡胶支座剪切变形引起的墩顶位移；

8)梁的温度变化仅为单方向的升温或降温，不考虑梁温升降的交替变化，以梁一日内可能出现的最大温差计算伸缩力；

9)桥上无缝道岔的伸缩力以最大轨温变化及最大梁温变化幅度为计算条件，挠曲力、制动力考虑实际情况采用规范规定的荷载计算，断轨力以最大降温幅度为计算条件；对伸缩力、挠曲力、断轨力、制动力分别计算，不考虑叠加影响；

具体设计步骤如下：

1)结合线路平、纵面设计及各专业设计原则(无缝道岔或渡线宣布置在一联梁上，中心位置应尽量靠近固定墩；转辙器部分、辙叉部分不得跨越梁缝；道岔导曲线及护轨不宜跨越梁缝；采用单箱双线梁、双箱或三箱四线梁时，梁上道岔应尽可能对称布置；道岔不应布置在路桥(涵)、路隧、堤堑等过渡段上；无缝道岔梁的结构形式应优先考虑连续梁桥，不宜将无缝道岔铺设在简支梁上；八字渡线区两联连续梁之间宜布置一孔以上简支梁；梁体应采用整体箱梁结构，尽量不采用T型梁；桥梁墩台纵向水平刚度不宜低于普通桥上无缝线路的要求等)，由线路、桥梁、站场及轨道各专业共同研究确定桥上无缝道岔初步设计方案(桥梁结构；桥墩刚度；支座布置形式；梁岔相对位置；扣件阻力；道岔类型；尖轨跟端传力结构形式；锁定轨温等)；

2)根据拟定的桥上无缝道岔设计方案，考虑尖轨、心轨截面的实际变化、牵引点之间的位移耦合、钢轨的纵向位移对轨距的影响、行车方向对尖轨和心轨尖端位移的影响、道岔基本轨前侧仅单侧有扣件扣压的情况等细部因素，利用有限元软件完成计算模型的建立；

3)根据计算条件(轨温变化幅度、桥温变化幅度、轨道结构温度变化幅度、车辆荷载、制动荷载)，完成以下计算内容：

◆桥上无缝道岔钢轨附加力和位移的计算

钢轨伸缩力和位移计算

钢轨挠曲力和位移计算

钢轨制动力和位移计算

◆墩台附加力及梁体位移的计算

墩台伸缩力的计算

墩台挠曲力的计算

墩台制动力的计算

墩台断轨力的计算

梁体位移的计算

4)根据计算结果及相关规范的要求，完成以下项目的检算：

◆桥上无缝道岔钢轨检算

钢轨强度检算

桥上无缝道岔基本轨处于无缝线路固定区，当轨温变化时，基本轨不仅要承受温度力的作用，而且由于道岔里轨伸缩以及桥梁伸缩、挠曲等的影响，还要承受较大的附加力作用。因此，必须对梁端、梁缝、尖轨跟端、夹直线等钢轨应力可能出现最大值处的钢轨强度进行检算。

钢轨强度检算公式为：

式中σ_d——基本轨的动弯应力，可按轨道强度计算法算得，当轨温下降时，取轨底拉应力，当轨温上升时，取轨头压应力；

σ_t——基本轨最大温度应力(基本轨基本温度应力与挠曲应力之和大于最大温度应力时，取基本轨基本温度应力与挠曲应力之和)；

σ_c——制动应力，一般取σ_c＝10MPa，也可取计算值；

[σ]——钢轨容许应力，[σ]＝σ_s/K，σ_s为钢轨屈服强度，K为安全系数。

道岔转辙器、辙叉部分钢轨允许位移检算

尖轨及心轨各牵引点伸缩位移不得超过电务转换系统的容许值，对于桥上有砟轨道无缝道岔，电务转换系统一般安装在轨枕上，因此需要对尖轨及心轨相对轨枕的位移进行检算；对于桥上无砟轨道无缝道岔，电务转换系统一般安装在无砟轨道板上，因此需要对尖轨及心轨相对无砟轨道板的位移进行检算。

由于尖轨相对基本轨及心轨相对翼轨的位移一方面可能引起不密贴，另一方面可能造成轨距发生较大变化，因此需要对尖轨与基本轨及心轨与翼轨的相对位移进行检算。

岔区无缝线路稳定性检算

对于桥上有砟轨道无缝道岔，可采用基于统一公式的无缝道岔稳定性计算方法进行稳定性检算；

对于桥上无砟轨道无缝道岔，目前尚无相应的标准，但可依据无砟轨道无缝线路压弯变形计算理论及其公式对其进行检算。

限位器及间隔铁螺栓强度检算

在纵向力作用下，由于钢轨间产生相对位移，限位器及间隔铁承受作用力，该力主要由摩阻力及螺栓剪力组成。假定螺栓平均受力，结构单根螺栓承受的剪应力为：

$\tau =\frac{(T-T^{\prime })/n}{\pi d^2/4}$

式中T——间隔铁或限位器结构受力；

T′——摩阻力；

d——螺栓直径；

n——结构所含螺栓数量。

钢轨断缝检算

低温下钢轨发生折断，如果断缝过大，将严重威胁行车安全，因此，必须对钢轨断缝值进行检算。

道岔钢轨横向变形的静动力检算(碎弯、轨距、密贴等)

当钢轨轨温发生变化时，桥上无缝道岔钢轨会产生一定的横向变形。如果道岔内的钢轨横向变形过大，将导致密贴不足和轨距及轨向变化超过限值，影响旅客舒适性和行车安全性。因此，必须对道岔钢轨的横向变形进行检算。

扣件抗拔力检算

对于无砟轨道而言，由于其轨道结构基础均为刚性混凝土道床板，桥梁梁端产生转角变形时，扣件也将承受较大力的作用，一旦扣件被拔起失效，轨道几何形位就会发生变化，影响行车安全。

◆墩台及梁体检算

墩台检算

由桥梁专业根据墩台荷载的组合原则，对各种墩台力进行组合后进行墩台的检算。

桥梁变形检算

包括梁端转角、竖向挠度、横向挠度、扭转角、梁端竖向折角、梁端水平折角、梁缝两侧钢轨支承点间的相对位移；

◆动力学指标检算

包括脱轨系数、轮重减载率、轮轨作用力、车体振动加速度、尖轨心轨最大开口量及动应力、桥梁动位移及振动加速度；

5)对检算结果进行评价。

如果各项检算均通过，则设计方案可行，设计过程结束；如果某项检算没有通过，则需对设计方案进行调整，重复整个设计过程，直至方案可行。

本发明有益效果：对道岔与桥梁结构设计比较详尽，可按实际情况考虑道岔、下部轨道结构与桥梁间的相互作用关系，各种阻力均可按实测值输入；不仅可以计算桥上无缝道岔的伸缩力及位移，还可以计算桥上无缝道岔的挠曲力、制动力、断轨力及位移、桥梁的变形、桥墩的纵、横向受力及道岔本身的横向变形等。

附图说明

图1为扣件单元模型图示

图2为限位器单元模型图示。

图3为间隔铁单元模型图示。

图4为纵横垂向空间耦合的高速铁路高架车站桥上无缝道岔整体计算模型图示。

图5为桥上有砟轨道无缝道岔理论计算模型图示(纵向)。

图6为桥上有砟轨道无缝道岔理论计算模型图示(横、垂向)。

图7为桥上无砟轨道无缝道岔理论计算模型图示(纵向)。

图8为桥上无砟轨道无缝道岔理论计算模型图示(横、垂向)。

图9为渡线平面图示，其中No.1至No.10为钢轨编号，I、II为组成单渡线的道岔编号。

图10为桥梁支座布置图示。

图11为ZK标准活载图示。

图12为钢轨温度力分布图示；注：由于规律相似，No.1-No.4、No.9与No.10温度力曲线基本重合，No.5与No.6温度力曲线基本重合，No.7与No.8温度力曲线基本重合。

图13为钢轨位移分布图示，注：由于规律相似，No.1-No.4、No.9与No.10纵向位移曲线基本重合，No.5与No.6纵向位移曲线基本重合，No.7与No.8纵向位移曲线基本重合。

图14为桥梁位移分布图示。

图15为直基本轨与直尖轨轨距变化量图示。

图16为直基本轨与曲尖轨密贴变化量图示。

图17为直基本轨与直尖轨轨向变化量图示。

图18为钢轨挠曲力分布图示。

图19为钢轨纵向位移分布图示。

图20为钢轨垂向位移分布图示。

图21为钢轨制动力分布图示。

图22为钢轨制动位移分布图示。

具体实施方式

本发明的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

1)采用3D梁单元模拟钢轨，尖轨和心轨根据实际截面建立变截面梁单元；钢轨按实际截面属性进行建模，考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩等参数，钢轨按照支承节点划分单元，可全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。在计算道岔尖轨横向变形时，考虑尖轨的实际截面积和惯性矩的变化、牵引点之间的横向位移耦合以及钢轨纵向位移对尖轨横向变形的影响等因素。

2)可全面考虑扣件1的纵向阻力、横向阻力和垂向刚度。扣件1纵向阻力采用非线性弹簧单元模拟，扣件横向和垂向刚度采用线性弹簧单元模拟。扣件单元模型如图1所示。

3)限位器的结构为非绝对刚性构件，随着相对位移的不同，其阻力也是非线性的，故尖轨跟端限位器2采用非线性弹簧单元进行模拟。无缝道岔尖轨跟端参照CAD详图设置限位器。在计算钢轨尖轨横向变形时，考虑限位器2在轨温变化时实际接触位置的最不利影响。限位器的纵向阻力参数依照室内试验确定，限位器单元模型如图2所示。

4)翼轨末端以及辙叉跟端通过间隔铁3固定，间隔铁3的阻力也是非线性的，因此采用非线性弹簧单元对其进行模拟。间隔铁3的纵向阻力参数依照室内试验确定。无缝道岔尖轨跟端和翼轨末端参照道岔详图设置间隔铁。间隔铁单元模型如图3所示。

5)桥上无缝道岔的桥梁结构采用实体单元进行模拟。桥梁墩顶刚度根据设计参数，采用线性弹簧单元模拟；图中No.1至No.10为钢轨编号，I、II为组成单渡线的道岔编号。

6)通过对道岔及桥梁各个部件的模拟和组合，建立纵横垂向空间耦合的桥上无缝道岔整体计算模型，如图4所示。

基于上述计算模型的设计方法的主要特点在于：道岔与桥梁结构均较为详尽，可按实际情况考虑道岔、下部轨道结构与桥梁间的相互作用关系，各种阻力均可按实测值输入；不仅可以计算桥上无缝道岔的伸缩力及位移，还可以计算桥上无缝道岔的挠曲力、制动力、断轨力及位移、桥梁的变形、桥墩的纵、横向受力及道岔本身的横向变形等。

本发明的基本思路是：依照道岔与桥梁的实际布置情况，充分考虑道岔与桥梁之间的相互作用，采用有限单元法，建立桥上无缝道岔纵横垂向耦合的空间有限元计算模型，其基本计算理论为：考虑道岔钢轨的实际参数，将钢轨按扣件支承点划分为空间梁单元，可发生纵向、横向和垂向位移；钢轨节点两端纵向力与扣件纵向阻力相平衡，钢轨两相邻节点纵向位移差与该钢轨单元释放的纵向力成正比；钢轨与桥梁节点的横向及垂向力与扣件横垂向阻力相平衡；限位器或间隔铁的阻力与位移关系采用实测值，将该力视为作用于钢轨相应位置处的集中力；梁体为支承于桥墩上的实体，考虑具有不同纵横向线刚度的各桥墩对梁体的实际约束作用。桥上无缝道岔理论计算模型如图5至图8所示。

实施例：

本实施例以60kg/m钢轨客运专线18号无砟轨道无缝单渡线，尖轨跟端采用两组限位器结构(限位值分别为7.0mm、6.5mm)，双线线间距5.0m为例给出本方法的计算结果(根据APDL参数化设计语言，编写相应程序在计算完成后提取结果)，渡线平面如图9所示。渡线位于6×32.0m连续梁上，连续梁两侧为3×32.0m简支梁，连续梁及简支梁的支座布置情况如图10所示。渡线位于连续梁联长正中，两道岔岔心距离90m。连续梁桥墩顶纵向刚度为3000kN/cm，简支梁桥墩顶纵向刚度为1000kN/cm，各墩顶横向刚度为1000kN/cm。

进行桥上无砟轨道无缝渡线温度荷载作用(伸缩力)计算时，轨温变化幅度取50℃，混凝土梁的梁温变化幅度取20℃；进行车辆荷载作用(挠曲力)计算时，车辆荷载采用ZK标准活载，如图11所示；进行车辆制动荷载作用计算时，制动荷载取为标准活载的10％。

(1)温度荷载作用：

桥上无缝道岔最大温度力1303.63kN，附加温度力344.03kN，温度力增幅35.85％。尖轨跟端限位器2最大受力值为50.94kN，翼轨末端间隔铁3最大受力值为154.06kN。桥上无缝道岔温度力分布如图12所示。

桥上无缝道岔尖轨尖端相对基本轨的最大位移为17.17mm，相对桥梁的最大位移为14.67mm；心轨尖端相对翼轨的最大位移为4.60mm，相对桥梁的最大位移为4.97mm。钢轨纵向位移如图13所示，桥梁纵向位移如图14所示。

就桥墩受力而言，简支梁固定墩最大受力值为354.68kN，连续梁固定墩纵向受力为0.12kN，各桥墩横向受力最大值为29.25kN。

就道岔的横向变形而言，桥上无缝道岔的最大轨距变化量为0.444mm，最大轨距变化率为0.262‰，最大密贴变化量为0.050mm，最大轨向变化量为0.272mm，最大轨向变化率为0.041‰，最大轨距时变率为25.5mm/s，最大轨向时变率为4.0mm/s。以道岔I的横向变形情况为例，直基本轨与直尖轨轨距变化量、直基本轨与曲尖轨密贴变化量及直基本轨与直尖轨轨向变化量分别如图15、图16和图17所示。

(2)车辆荷载作用：

桥上无缝道岔最大挠曲力为23.06kN。桥上无缝道岔挠曲力分布如图18所示。

桥上无缝道岔最大垂向位移为2.73mm，最大挠跨比为1/11721，最大梁端转角为0.17‰，最大扭转角为0.32‰。桥上无缝道岔钢轨纵向位移如图19所示，钢轨垂向位移如图20所示。

(3)制动荷载作用：

桥上无缝道岔最大制动力为167.07kN。桥上无缝道岔最大制动位移为4.01mm。桥上无缝道岔制动力分布如图21所示，钢轨纵向位移如图22所示。