（道路与铁道工程专业论文）无砟轨道桥上无缝道岔交叉渡线纵向力研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无缝道岔和桥上无缝线路是高速、重载铁路强化轨道结构的关键技术。 其力学机理比较复杂，历来是铁路现代化技术研究中的热点和难点。新建铁 路和城市高架线路，由于受到地形或环保等条件的制约，不可避免的要将无 缝道岔铺设在桥上，而交叉渡线是使机车车辆由一条线路即可进入又可越过 另一条线路的轨道设备，可以缩短场地长度，减少占地面积，在城市轨道交 通建设中，铁路上得到广泛的应用。本文以海南东环线桥上无缝道岔交叉渡 线无碴轨道为例，把6 0 k g m 钢轨9 2 改进型1 2 号固定辙岔5 m 间距交叉渡线 的结构布置在连续梁上，建立有限元模型。其结构形式和工作特点较为复杂， 其温度力与位移的计算在国内都尚无见到相关资料，相关的理论储备也非常 少。为了用科学的理论指导未来的工程实践，本文进行了如下一些开创性的 理论研究。 ( 1 ) 针对无砟轨道结构，将“钢轨一轨枕一道床板一桥梁一墩台 视为一 个系统，建立了计算桥上无缝道岔交叉渡线伸缩力与位移的有限元力学模型。 钢轨和轨枕简化为梁单元，轨道板和桥梁为实体单元，固定支座处桥梁墩台 视为线性弹簧单元，扣件纵向阻力、限位器阻力、间隔铁阻力用非线性弹簧 模拟。利用有限元分析软件a n s y s 建立模型，根据牛顿迭代法求解。 ( 2 ) 运用所建立的桥上无缝道岔交叉渡线伸缩力与位移计算模型，分析了 连续梁桥上无缝道岔交叉渡线的伸缩力与位移的分布规律，主要包括在温度 力作用下的基本轨纵向力和纵向位移、道岔传力部件受力、道岔尖轨位移、 墩台纵向力和纵向位移、轨道板及桥梁应力和位移以及凸台和“门”型钢筋 的受力，研究了影响桥上无缝道岔伸缩力与位移的参数，如轨温变化幅度、 扣件阻力、梁跨长度、桥墩刚度等、凸台刚度、不同支座的布置形式，不同 基础的连接形式，并对参数的合理取值提出了建议，通过分析得出，采用凸 台型基础优于“门型筋基础。 本文的研究成果对桥上无缝道岔的设计、施工和养护具有重要的指导意 义。 关键词：桥上无缝道岔i 交叉渡线；无砟轨道；有限元；凸台 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b o t hs e a m l e s st u r n o u ta n dc o n t i n u o u s l yw e l d e dr a i l ( c w r ) t r a c ko n b r i d g ea r ek e yt e c h n i q u e sf o rh i g hs p e e dr a i l w a ya n dh e a v yh a u lr a i l w a yt o s t r e n g t h e nt r a c ks t r u c t u r e t h em e c h a n i c a lm e c h a n i s m so fb o t hs e a m l e s st u r n o u t a n dc w rt r a c ko nb r i d g ea r ev e r yc o m p l e xa n dt h e yh a v ea l w a y sb e e nt h ef o c a l p o i n t sa n dd i f f i c u l t yp o i n t so fr a i l w a ym o d e r n i z a t i o nt e c h n i q u er e s e a r c h b e c a u s e o ft h er e s t r i c t i o no fl a n d f o r mo re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，s e a m l e s st u r n o u tw i l l b eu n a v o i d a b l yl a i do nb r i d g ei nn e w l y - b u i l tr a i l w a yo rc i t ye l e v a t e dr a i l w a y s e a m l e s st u r n o u ts c i s s o r sc r o s s i n gi so n eo ft r a c ke q u i p m e n tm a d ee n g i n eb l o c k a n dr o l l i n gs t o c kf r o mo n er o u t ec r o s s o v e rt oa n o t h e rr o u t e ，c a ns h o r t e ns t a t i o n a n dy a r da r e aa n dl e n g t h ，a n da b r o a da p p l i c a t i o ni nt r a c kt r a f f i co fc i t ya n d r a i l w a y i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h er o u t eo fh a i n a ne a s t - l o o pt h es e a m l e s s t u r n o u ts c i s s o r sc r o s s i n go nb a l l a s t l e s sb r i d g e ，u s i n g6 0 k g mr a i l ，n o 12f i x e d f r o g a n d5 0 mb e t w e e nc e n t e r so fr a i l ss c i s s o r sc r o s s i n gs t r u c t u r ed i s p o s a lo n c o n t i n u o u s b e a m ，t h e m o d e i s e s t a b l i s h e d b y a d o p t i n g f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( f e m ) t h ef o r mo fs t r u c t u r ea n dw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ca r em o r ec o m l e x ，t h ea c c o u n t d a t eo fl o n g i t u d i n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n tw a sn o ts e e n ，t h e r ei sn oe n g i n e e r i n g e x p e r i e n c eo fs e a m l e s st u r n o u to nb r i d g ei nc h i n a ，a n dt h er e l a t e dt h e o r y r e s e a r c hi sa l s ov e r yf e w i no r d e rt og u i d et h ef u t u r ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ew i t h s c i e n t i f i ct h e o r y , t h i sp a p e rf i n i s h e ds o m ep i o n e e rt h e o r yr e s e a r c h e sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a i m i n ga t b a l l a s t l e s st r a c k ，af i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sm o d e lw a s e s t a b l i s h e dw h i c hc a nc a l c u l a t et h et e n s i l ea n d c o m p r e s s i v e f o r c ea n d d i s p l a c e m e n to fw e l d e dt u r n o u ts c i s s o r sc r o s s i n go nb r i d g e i nt h em o d e l ，t h e r a i l s s l e e p e r s l a b b r i d g e - p i e rw e r ec o n s i d e r e da sas y s t e m ；s t e e lr a i la n ds l e e p e r i ss i m p l i f i e dt ob e a me l e m e n t s ；b a l l a s tb e ds l a ba n db r i d g ei ss o l i de l e m e n t s ；p i e r o ra b u t m e n ti nf i x e d b e a r i n gw a s c o n s i d e r e da sl i n e a r s p r i n ge l e m e n t ； l o n g i t u d i n a lb a l l a s tr e s i s t a n c e ，s p a c e rp i e c e sr e s i s t a n c ea n ds p a c i n gi r o nb l o c k s w e r ec o n s i d e r e da sn o n l i n e a rs p r i n ge l e m e n t t h em o d e lw e r ee s t a b l i s h e db y a n s y s a c c o r d i n gt on e w t o n i t e r a t i v er u l et os o l v e ( 2 ) t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft e n s i l ea n dc o m p r e s s i v ef o r c ea n d d i s p l a c e m e n t o fs e a m l e s st u r n o u ts c i s s o r sc r o s s i n go nb r i d g ew a sa p p l i e d t h ed i s t r i b u t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 r u l e s o ft h et e n s i l ea n dc o m p r e s s i v ef o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fs e a m l e s st u r n o u t o nc o n t i n u o u sb e a mb r i d g e ，w h i c hm a i n l yc o m p r i s e sl o n g i t u d i n a lf o r c ea n d d i s p l a c e m e n t so fs t o c kr a i l s ，f o r c eo ft h ep a s s - f o r c ec o m p o n e n t s ，p o i n tt o n g u e d i s p l a c e m e n t ，l o n g i t u d i n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n t so fp i e r , t h e s t r e s s e sa n d d i s p l a c e m e n t st ot r a c ks l a ba n db r i d g e ，a n dt h ec a ma n dd o o r - s t y l er e i n f o r c e m e n t b a r sf o r c e su n d e rt h ec o n d i t i o no f t e m p e r a t u r e f o r c e s o m e p a r a m e t e r s i n f l u e n c i n gt h et e n s i l ea n dc o m p r e s s i v ef o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fs e a m l e s s t u r n o u to nb r i d g ew e r es t u d i e d ；s u c ha st h ea l g e b r a i cd i f f e r e n c eb e t w e e nr a i l t e m p e r a t u r ea n dt h es t r e s s - f r e et e m p e r a t u r e ，f a s t e n e rr e s i s t a n c e ，t h el e n g t h o f b e a m ，t h es t i f f n e s s o fp i e r ，c a mr i g i d n e s s ，d i f f e r e n ts u p p o r t s a r r a n g e m e n t t y p e ，d i f f e r e n tf o u n d a t i o nc o n n e c tt y p e ，t h er e a s o n a b l ev a l u e so fp a r a m e t e r s w e r e s u g g e s t e d ，b ya n a l y s i s ，i t c o n c l u d e st h ec a mb a s e m e n ti sb e t t e rt h a n d o o r - s t y ler e i n f o r c e m e n tb a rb a s e m e n t t h e r es e a r c hf i n d i n g so ft h i sp a p e ra r ei m p o r t a n tt og u i d et h ed e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n dm a i n t a i n i n go fs e a m l e s st u r n o u to nb r i d g e k e yw o r d s ：s e a m l e s st u r n o u t o n b r i d g e ；s c i s s o r sc r o s s i n g ；b a l l a s t l e s s t r a c k ；f i n i t ee l e m e n t ；c a m 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本学术论文编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不傈密囤，适用本授权书。 学位睁文作者签名： 猥世鸯天 日期 彤产 f 指导教师签名：彭争 日期醒多罗 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本文在研究计算理论的基础上，利用有限元分析软件a n s y s ，把一组混 凝土岔枕6 0 k g m 钢轨9 2 改进型1 2 号固定辙岔5 m 间距无缝道岔交叉渡线，铺 设在一座( 3 2 + 4 8 + 3 2 ) 混凝土连续梁上，建立了有限元计算模型，并确定了合 理的计算参数。 2 本文利用该计算模型，对温度力作用下凸型挡台基础连接形式桥上无砟 道岔交叉渡线进行了分析，主要包括：基本轨纵向力、基本轨纵向位移、道岔 传力部件受力、道岔尖轨尖端位移、墩台纵向力和纵向位移、轨道板应力和位 移、桥梁板应力和位移以及凸台受力。通过数据分析，得出了凸型挡台基础连 接形式桥上无砟道岔交叉渡线的受力和变形特征。 3 本文在了解了凸型挡台基础连接形式桥上无砟道岔交叉渡线受力和变形 特征以后，改变各种结构参数，主要包括：轨温变化幅度、扣件阻力、凸台刚 度、墩台纵向刚度、不同支座布置形式和桥跨长度，分析对道岔和桥梁各部分 的受力和变形。 4 本文在对桥上无缝道岔无砟轨道采用凸型挡台和门型筋的基础连接形式 进行了对比分析，主要包括：基本轨纵向力、基本轨纵向位移、道岔传力部件 受力、道岔尖轨尖端位移、墩台纵向力和纵向位移、轨道板应力和位移、桥梁 板应力和位移以及凸型挡台和门型筋的受力变形。通过数据对比分析，得出桥 上无缝道岔无砟轨道采用凸台的基础连接型式，轨道和桥梁的各个部分受力和 变形情况优于采用“门 型钢筋的型式。本文的研究成果对桥上无缝道岔的设 计、施工和养护具有重要的指导意义。 声明人：张世杰 日期：2 0 0 8 6 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 无缝道岔是发展超长无缝线路的一项关键技术，由于无缝道岔与其两端 的区间无缝线路实施焊接或胶接，当轨温相对于锁定轨温变化时，道岔区钢 轨承受的温度力以及产生的变形，将直接影响到道岔的强度和稳定性以及行 车的安全性。因此，研究无缝道岔设计计算方法具有十分重要的意义。 随着高速铁路、客运专线、快速客货混跑铁路和城市轨道交通的建设和 发展，由于环保要求和地形的限制，出现了无缝道岔全部或部分设置在大桥、 特大桥和高架桥上。过去在城市轨道的高架线路上，若出线这种情况，一般 在无缝道岔的前后设置伸缩调节器或采用有缝普通道岔，但对于客运专线或 高速铁路，桥上铺设普通有缝道岔难以满足高速行车的要求。 在桥上铺设无砟轨道无缝道岔，综合了无砟轨道、桥上无缝线路、无缝 道岔的技术特点和难点，涉及到比较复杂的桥梁与道岔的相互关系。虽然国 内外都对桥上无缝线路、无缝道岔和无砟轨道做了较多的研究，但都是对三 者相对独立的研究。到目前为止，只有日本和德国在桥上无砟轨道无缝道岔 有所应用，铺设于试验线桥上，但也未投入运营，对桥上无缝道岔的系统研 究也很少，所以还没有可用的计算理论与相应的设计方法。在我国也没有应 用的实例，只是在城市轨道交通中铺设过桥上无砟道岔，但是其速度低、轴 重轻而且不采用无缝线路的模式，不能满足我国高速重载铁路的建设需要。 因此，桥上铺设无砟轨道无缝道岔是无缝道岔发展史中遇到的又一个重 大技术难题，不能单独用桥上无缝线路或无缝道岔的理论来分析解决桥上无 砟轨道无缝道岔的问题。桥上无砟轨道无缝道岔的研究，可以搞清楚桥上无 砟轨道无缝道岔的受力和变形规律，以及桥上无砟轨道无缝道岔的计算理论 和设计方法，用于指导桥上无砟轨道无缝道岔的设计、铺设及养护维修。此 次研究成果对进一步扩大无缝线路的铺设范围和我国无缝线路的发展有着重 要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 桥上无缝道岔的研究集中了无缝道岔，桥上无缝线路，无砟轨道研究的 重点和难点，因此有必要从以上方面的研究现状入手，分析桥上无缝道岔的 特点和研究方向。 1 2 1 无缝道岔的研究现状 无缝道岔是跨区间无缝线路的一项关键技术。它可显著提高道岔的运营 功能，保持列车高速运行的平稳性和舒适性。由于无缝道岔与其两端的无缝 线路实施焊接或胶接，无缝道岔在温度效应作用下轨条形成附加纵向力，并 导致有关部件产生附加纵向位移，过量的钢轨附加纵向力及其变形易于丧失 无缝道岔的几何平顺性并导致其结构部件的破损，因此跨区间无缝线路无缝 道岔设计方法的研究成为国内外铁路部门关注的课题。它对于保证列车高速 运行的平稳性、舒适性和安全性均有重要意义。 国外有关无缝道岔的计算理论尚缺乏全面系统的研究资料。德国在铁 路轨道道岔一书中介绍了德国铁路有关道岔的研究成果，其基本轨附加纵 向力与温度力叠加值为二倍钢轨温度力。国际铁道联盟委托欧洲铁道研究所 研究了纵向列车荷载下无缝线路的爬行机理、建立了无缝道岔有限元分析模 型。1 9 8 4 年日本铁道综合技术研究所进行了温度效应作用下的道岔附加纵向 力的试验。1 9 8 9 年柳川秀明与三浦重等提出了计算模型和计算方法。该方法 通过导轨与基本轨位移量的差值建立了两者之间的传力约束表达式。 近年来，我国在京广线、大秦线、滨洲线和兰新线等线路铺设了无缝道 岔并开展了相应的试验研究。一批专家学者及工程技术人员对于无缝道岔的 分析计算进行了可贵的探索和研究，并相继发表了论文或专题研究报告，推 动了我国跨区间无缝线路的发展。 许实儒教授于1 9 9 4 年提出了计算无缝道岔温度力和位移的三节点力学 模型及二次松弛法，对固定辙叉无缝道岔进行了分析。该发的基本思想是对 无缝道岔建立了具有三个节点的力学模型，经过两次放松节点约束，通过递 推试算，求出两尖轨跟端和辙叉的位移以及各轨节的温度力分布。 1 9 9 5 年铁道部科学研究院卢耀荣研究员运用“两轨相互作用原理 ，提 出了无缝道岔纵向力计算方法，考虑了导轨与基本轨的相互作用，并根据实 测线路阻力给出了阻力一位移表达式。所谓“两轨相互作用原理”，即：无缝 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 道岔的基本轨和导轨分别处于无缝线路的固定区和伸缩区，随着轨温的变化， 导轨克服阻力而伸缩，同时通过联结件和岔枕对基本轨施加纵向力，因而基 本轨除产生由温度力产生的“虚应变外，还由于承受导轨施加的附加纵向 力而产生“实应变”，导轨因伸缩而放散部分温度力，并受到基本轨、岔枕和 扣件所施加的反作用力。如此，导轨、基本轨因相对位移且通过联结件、岔 枕相互作用和约束组成一个力学平衡体系。 1 9 9 6 年北方交通大学范俊杰教授提出了计算无缝道岔的“当量参数计算 法 ，并确定了相应的计算参数。“当量参数法 的基本原理是：岔枕因其位 置不同，而有不同的道床纵向阻力、不同的扣件阻矩，同时，岔枕的弯曲变 形也不同，因此，岔枕传给基本轨的附加温度力应逐根计算，分段叠加，再 加上辙跟或限位器传递的力，这一计算过程相当复杂，为简化计算，引入“当 量参数”综合考虑道床纵向阻力、扣件阻矩以及岔枕弯曲变形的影响。 1 9 9 7 年，西南交通大学蔡成标发表了计算无缝道岔纵向力与位移的研究 论文，随后又对3 0 号道岔进行温度力与位移计算分析，并于1 9 9 8 年提出了 无缝道岔的多轨相互作用计算法及应用绪论软件，该法同时考虑了道床阻力 随岔枕长度的变化及基本轨与导轨间的相互作用力，建立了分析无缝道岔钢 轨温度力与位移的力学模型： 2 0 0 1 年，西南交通大学王平，王平提出了“可动心轨无缝道岔的非线性 计算理论研究 一文，考虑扣件阻力、扣件阻矩、道床阻力以及间隔铁阻力 的非线性，建立了可动心轨无缝道岔钢轨附加温度力及位移的分析模型和计 算方法。 2 0 0 2 年，中南大学陈秀方等基于广义变分原理的无缝道岔计算理论，将 轨枕视为纵向连续弹性基础上的有限长梁，钢轨和轨枕之间通过扣件的纵向 弹簧联结，将广义变分原理应用于铁路无缝道岔结构体系的分析，在假设钢 轨纵向位移函数的基础上，计算了无缝道岔结构体系各部分的能量。 2 0 0 3 年，徐庆元基于有限单元法建立了无缝道岔( 群) 钢轨纵向力和位移 的力学模型，分析了道床阻力、扣件阻力和限位器间隙等参数对无缝道岔( 群) 钢轨纵向力和位移的影响。 2 0 0 5 年，王树国确定了无缝道岔各部分在有限元模型中的合理模拟方 式，并建立计算无缝道岔温度力与变形的有限元模型，探讨了温度变化幅度、 道岔号码、半焊与全焊等因素对无缝道岔受力与变形的影响。 当前我国正在进行客运专线建设，铁路建设的发展需要有一个切实可行 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的无缝道岔设计方法。既有的试验研究成果在设计参数的取值及计算方法等 方面有待完善，需要进一步的试验研究。 1 2 2 桥上无缝线路的研究现状 桥上铺设无缝线路，可以减小列车动力作用，改善桥梁运营条件，减少 轨道维修工作量，延长轨道部件和桥梁的使用寿命可降低桥梁结构的振动与 噪音，提高列车运行的平稳性和安全性，已在国内外铁路桥梁与城市轨道高 架线路上得到广泛应用。据实测和调查资料，在京沈巨流河桥跨度3 1 7 m 简 支无砟梁上，铺设无缝线路后，冲击系数减小1 0 - - , 2 0 ；京广线的沙河、流 锈、连接构件裂纹明显减少，混凝土梁防水层损坏得到缓减；南京、武汉长 江大桥铺设无缝线路后，列车通过时噪声显著减轻。长期运营实践证明，桥 上铺设无缝线路能取得极为显著的综合技术经济效益。 无缝线路由于大量消灭钢轨接头，减少了列车的冲击与振动，而具有行 车平稳，延长轨道、机车车辆的使用寿命，降低养护维修费用等显著优点。 同时也给列车运营和行车安全带来诸多好处。 但在铺设初期，由于绝缘接头、小半径曲线、桥梁、隧道、道岔等设备 的影响，限制了长轨条的长度。长轨条的长度多为1 ，- - 2 k m ，为设置轨缝的需 要，在长轨条间铺设2 4 根标准轨，形成缓冲区。在一个区段内，无缝线路 中尚有1 0 的有缝轨道存在，无缝线路的优越性未能得到充分发挥。 随着科学技术的进步和施工工艺的改进，无缝线路技术也有很大突破， 胶接技术、焊接工艺、施工方法都有了长足发展，重型钢轨、弹性扣件、提 速道岔、混凝土岔枕、i 型轨枕等设备的使用，加强了轨道结构，长轨条的 长度也由几公里延长至几十公里、数百分里。无缝线路正逐渐发展为其理想 结构形式一区间无缝线路和全区间超长无缝线路。 桥上无缝线路按有无道砟可分为有砟轨道桥上无缝线路及无砟轨道桥 上无缝路，两者各有优缺点。有砟轨道桥上无缝线路的优点是具有良好的弹 性和抗振结构简单，便于维修，造价低廉，梁的上拱度可随时用道砟调整， 缺点是养维修工作量大，对于城市轨道交通，捣固作业引起的噪音还会影响 居民休息。无砟轨道桥上无缝线路的优点是轨道建筑高度小，自重轻，整体 性强，能减少养维修工作量，缺点是整体道床刚度大，弹性差，混凝土梁的 上拱度及桥墩基础不均匀沉降，容易使整体道床开裂，同时轨道水平也难于 保持，需高质量的扣提供弹性及调整轨道尺寸的变化，造价较高，施工工艺 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 复杂。目前，有砟轨道构在中国铁路桥梁上使用较普遍，近年来虽研制了各 种类型的无砟轨道结构，铺设并不多。城市轨道高架线路由于建筑净空及养 护维修方面的原因，一般多用无砟轨道结构。但是，传统的有砟轨道在一些 国家的城市轨道高架线路中仍采用，如德国汉堡3 7 k m 高架线路采用轨枕碎石 道床，菲律宾马尼拉轻轨铁路高线路，全长1 4 5 k m ，采用双块式预应力混凝 土枕、硬质碎石道床，韩国首尔城轨道交通高架线路也采用有砟轨道结构。 桥上无缝线路不同于一般铺设在路基上的无缝线路，桥跨结构因温度变 化而缩，同时受到列车荷载作用而挠曲，在桥梁与无缝线路的相互作用下，形 成伸缩附加力和挠曲附加力。另外，列车在桥上制动及钢轨在低温下折断， 也会形成梁、轨相互作用力。铺设无缝线路的桥梁及其轨道结构，应考虑上 述附加力的最不利组合，保证轨道级桥跨结构安全及正常运营。因而桥上无 缝线路附加力的计具有重要的工程实用意义。针对以上工程涉及要求，德国、 日本等国以及国内科研机构及高等院校开展了广泛的研究，取得了可喜的成 果。在工程应用方面，德国、日本高速铁路的桥梁上已采用无缝线路；中国 的特大桥、大桥、城市高架线路，如：九江长江大桥、南京长江大桥、广深 准高速线路石龙大桥以及上海明珠线高架线路等都广泛采用无缝线路。在理 论方面，对桥上无缝线路钢轨附加纵向力及其传递规律有着较多的论文发表。 下面就各国桥上无缝线路的发展状况简介绍： 国外很早就发展了无缝线路，但对桥上无缝线路的纵向力问题未作深入 研究，都从偏于安全考虑，制定了主要干线桥上无缝线路的技术条件，这说 明国外铁路对桥上铺设无缝线路的重视程度。 日本铁路6 0 年代初期就开始研究桥上钢轨伸缩力的计算，引起了各国 关注。日本铁路规定了各种跨度桥梁铺设无缝线路的技术条件，且在桥梁墩 台的设计中就考虑了无缝线路纵向力的作用，其新干线的各桥都铺设了无缝 线路。 德国是率先发展高速铁路的国家之一。其高速铁路跨越山谷的桥梁，为 适应列车高速运行的需要，规定在桥上不得设置钢轨接头，否则桥梁跨度不 能超过3 0 m 。并且对主要参数和铺设条件做了详细的规定。 美国铁路规定，桥上铺设无缝线路时，跨度大于或等于3 0 0 英尺( 9 1 4 m ) 的钢梁桥，或总长大于5 0 0 英尺( 1 5 2 3 9 m ) 。曲线转角为2 。，在梁的活动端， 应设置钢轨伸缩调节器：桥上轨道要安设弹簧防爬器，其数量视桥梁长度而 定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 前苏联规定，在跨度大于3 3 m 的桥上铺设无缝线路时，桥上线路要使用 一定数量的k 型扣件扣紧钢轨。在单跨超过5 5 m 和多跨总长超过6 6 m 的桥上 铺设无缝线路时，要按交通部的有关规定办理。 我国铁路对桥上无缝线路的“梁轨相互作用原理 ，从2 0 世纪6 0 年代 开始做了大量试验研究，对中、小跨度桥梁、大跨度桥梁的桥上无缝线路的 受力机理，进行了深入的探讨，为桥上铺设无缝线路提供了理论和方法，为 完善无缝线路的理论和扩大无缝线路的铺设作出了贡献。 6 0 年代至7 0 年代初，以跨度3 2 m 梁为主要研究对象。在上承板梁和预 应力混凝土梁上铺设了无缝线路，进行了伸缩力、挠曲力、各种计算参数的 实桥测试和模拟试验。试验结果表明，伸缩力不仅受梁温度变化、线路纵向 阻力的影响，还与桥梁跨度有关，但不随桥跨数量的增加而无限增加。这一 发现，为研究两轨相互作用理论，拟定伸缩力计算方法提供了依据。试验还 发现，梁因列车荷载而挠曲，梁的上翼缘产生纵向位移，使钢轨产生挠曲力。 跨度3 2 m 的上承板梁，固定端的位移量为7 m m ，该处钢轨约产生i o o k n 的纵 向拉力，活动端纵向力较小。桥跨两端钢轨纵向力之差反作用于桥梁，并传 给支座和墩台。因此，挠曲力的作用在轨道和桥梁的设计中不可忽视。通过 纵向力的测试，在研究梁、轨相互作用原理的基础上，建立了中、小跨度桥 上无缝线路伸缩力、挠曲力的计算理论和方法。经过实际铺设的检验，这一 原理和方法于8 0 年代获得了普遍采纳和应用。 我国铁路于8 0 年代开始研究高墩桥上发生墩项位移时，对无缝线路纵 向力的影响，进行了对梁、墩、支座、钢轨纵向力和位移的实桥综合测试， 完成了墩顶位移、列车制动或牵引等情况下荷载组合计算方法的研究，为解 决高墩、大垮度桥梁纵向力的计算奠定了基础。 在此之前，6 0 年代开始在大跨度桥上铺设了无缝线路，并对大跨度桥面 系在温度变化和列车荷载作用下的变形和轨道产生纵向力的关系进行了研 究，拟定了挠曲力、伸缩力的计算方法。以后相继在武汉、南京、九江的长 江大桥上铺设了无缝线路。 在上述对桥上铺设无缝线路的试验研究和实践的基础上，我国铁路对简 支梁和连续梁已经提出了较完整的桥上无缝线路的纵向力计算和结果设计方 法，还总结了大、中跨度桥上铺设无缝线路的科研成就和实践经验，至今已 在大、中跨度桥上广泛铺设了无缝线路。 9 0 年代以来，按照可靠度理论编制桥梁设计规范时，对大量的挠曲力、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 伸缩力实桥测试资料进行了统计分析，得到了挠曲力、伸缩力以及有关设计 参数的统计特征，为桥梁设计预留无缝线路荷载值提供了依据。 近年，我过铁路还结合实际工程，对新建重要干线铁路的桥梁预留无缝 线路荷载及桥上无缝线路轨道结构进行了研究。由于新建桥梁不断采用新的 桥式，给桥上无缝线路的研究带来了新的课题，同时也推动了桥上无缝线路 技术向更深层次发展。钱塘江二桥是多联、预应力混凝土连续梁桥，为铺设 无缝线路，并降低制动墩的负荷，提出了利用焊接护轨产生的逆向纵向力来 平衡主轨纵向力的构思。这一构思，是桥上无缝线路技术的新突破。这些成 果己在时速2 0 0 k m 客运专线铁路线、桥、隧、站设计暂行规定中和时 速3 0 0 k m 高速铁路线、桥、隧、站设计暂行规定应用。 桥上无缝线路经过3 0 多年的实践，证明技术经济效果明显，其安全、 可靠的程度已为运营部门所公认。我国桥上无缝线路在研究和应用方面虽然 起步较早，但未能即时纳入规范，因而影响了无缝线路在桥梁上的广泛应用。 不少新线桥梁的设计，均未考虑铺设无缝线路时产生的纵向力。相比之下， 国外由于高速铁路的大发展，桥上也要铺设无缝线路，因而十分重视桥上无 缝线路的纵向力问题，并在有关规范中都规定了桥上无缝线路纵向力的计算 方法。 1 2 3 桥上无缝道岔的研究现状 桥上铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路和无缝道岔的技术特点和难 点，涉及到比较复杂的桥梁与道岔的相互作用关系。桥上无缝道岔的研究， 可以搞清楚桥上无缝道岔的受力和变形规律，以及桥上无缝道岔的计算理论 和设计方法，用于指导桥上无缝道岔的设计、铺设及养护维修。 目前，国内外还没有较成型的桥上无缝道岔的经验，日本在试验线上铺 设了一段桥上无缝道岔，但没有正式投入运营，我国的台湾省也准备在桥上 铺设无缝道岔。国内对桥上无缝道岔的研究如火如荼，多家高校、科研单位 都对桥上无缝道岔进行了不同程度的研究，比较有代表性是，西南交通大学 的有限元方法、北京交通大学的有限元方法和中南大学的广义变分原理等。 但由于各理论相差很大，计算结果也有很大差别，因此有必要进一步完善计 算理论和方法。 西南交通大学和北京交通大学都采用有限元方法建立了桥上有砟轨道 无缝道岔的纵向伸缩力模型，通过与普通路基上无缝线路的对比，以及对各 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 种影响因素的对比研究，分析出了桥上有砟轨道无缝道岔伸缩力的一般规律。 对于桥上无缝道岔的设计和研究都有相当的参考意义。主要可以考虑以下因 素的影响：温度变化幅度，包括轨温变化以及桥梁温度变化：扣件类型，扣 件扭矩及阻力位移特性曲线；道床阻力特性，包括纵向阻力、横向阻力( 以及 道床单位枕长阻力值随枕长的不同而不同) ；限位器数量、子母块间隙、限位 器的阻力位移特性曲线；间隔铁数量、阻力位移特性曲线；桥梁支座布置顺 序；桥跨结构等，分析了桥上无砟轨道无缝道岔受力和变形的一般规律。 从以上文献综述中可以看出，目前无缝道岔和桥上无缝线路的研究较 多，但对桥上无砟轨道无缝道岔的研究还很少，关于桥上无砟轨道无缝道岔， 问题主要在以下几个方面： 1 虽然对桥上有砟轨道无缝道岔的伸缩力研究已经基本完善，但是桥 上无砟轨道无缝道岔的伸缩力的研究还几乎处于空白阶段，有待进一步研究。 2 桥上有砟轨道无缝道岔有限元模型已做部分研究，但空间模型还没 有涉及。 3 虽然桥上无砟轨道无缝道岔有限元模型已做部分研究，但对桥上无 砟轨道无缝道岔交叉渡线这一渡线形式研究的却很少。 因此，本文本文将采用有限元分析的方法通过建立桥上无砟轨道6 0 k g m 钢轨9 2 改进型1 2 号固定辙岔5 m 间距交叉渡线有限元纵向力分析模型，来研 究桥上无砟轨道无缝道岔交叉渡线的受力和变形规律。此次研究成果对桥上 无缝道岔的设计和铺设都有一定的参考意义。 1 3 本文的主要研究工作 本文在分析研究现有无缝道岔、桥上无缝线路和桥上有砟无缝道岔计算 理论的基础上，就跨区间无缝线路中桥上无砟轨道无缝道岔交叉渡线的设计 进行研究，其主要内容如下： 1 随着高速铁路和城市轨道交通建设的需要，桥上铺设跨区间无缝线 路已成为必然。本文将建立桥上无砟轨道无缝道岔交叉渡线的纵横垂向耦合 有限元模型，分析桥梁和无缝道岔相互作用下，桥梁和无缝道岔的受力和变 形，得出桥上无缝道岔受力和变形的变化规律。 2 分析影响桥上无缝道岔交叉渡线受力和变形的主要因素：轨温变化幅 度、扣件阻力、凸台钢轨、桥墩钢度、桥跨长度、支座布置型式等。 3 分析在温度荷载或制动荷载作用下，采用凸型挡台和“门”型钢筋 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 两种基础连接形式对钢轨、轨道板和桥梁的应力和位移影响。 通过这些分析和计算，得出各因素对桥上无缝道岔交叉渡线的影响规 律，优化桥上无缝道岔交叉渡线的基础选型，对桥上无缝道岔交叉渡线的设 计、铺设及养护维修提出一些建议，为跨区间无缝线路的发展作出一定的贡 献。研究成果对进一步扩大无缝线路的铺设范围和我国跨区间无缝线路的发 展有着一定的参考意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章无砟轨道桥上无缝道岔交又渡线结构 无砟轨道桥上6 0 k g m 钢轨1 2 号道岔5 m 间距交叉渡线的整体结构比较 复杂，因而，在研究其力学特性以前有必要对其整体结构做出比较深入的认 识。本文在研究桥上无缝道岔交叉渡线过程中采用r h e d a 2 0 0 0 型桥上岔区无 砟轨道结构，这一轨道结构由于自身结构的优越性在德国的到了比较广泛的 应用，另外，在我国的台湾高铁台北到高雄捷运项目中也有应用，桥上无缝 道岔技术是r h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道结构中一个十分重要的方面。 2 1r h e d a 2 0 0 0 型无砟轨道系统组成 德国是世界上发展无砟轨道较早的国家之一，r h e d a ( 雷达) 型无砟轨 道因最初铺设在德国雷达车站而得名，在使用过程中得到不断的改进，已从 最初的整体轨枕埋入式无砟轨道，发展到柏林成为由钢筋桁架连接的 r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道。成为了目前世界先进无砟轨道结构型式的代表之一。 r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道使用范围广泛，路基、桥梁、隧道以及道岔区都可 以使用，德国铺设的无砟轨道线路5 0 以上为雷达型无砟轨道，此外，该结 构在世界其它国家和地区也得到认同和使用：印度河荷兰新建铁路中的无砟 轨道采用了德国的r h e d a 2 0 0 0 型；我国台湾高铁在岔曲采用了雷达型无砟轨 道结构，我国在秦沈客运专线的沙河特大桥和渝怀线鱼嘴2 号隧道都铺设了 长枕埋入式无砟轨道，武广客运专线也采用了雷达2 0 0 0 型无砟轨道结构，其 桥上无缝道岔技术就是其中一个十分重要的方面。 r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道系统由钢轨、高弹性扣件、改进的带有桁架钢筋的 双块式轨枕、现浇混凝土板和下部支撑体系组成。 2 1 1m o s slo h 钢轨扣件结构组成 r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道主要使用的v o s s l o h 扣件由轨枕螺栓( 1 ) 、弹条( 2 ) 、 轨距挡板( 3 ) 、垫片( 4 ) 、底板( 5 ) 、高弹性垫片( 6 ) 、塑料套管( 7 ) 组成， 如图2 - 1 、图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 嚣鼍。4 二。善囊 嗡薯& 8 。二 图2 一lv o s s l o h 扣件组成图2 2v o s s l o h 扣件组装图 1 钢轨扣件结构的功能 钢轨与混凝土轨枕之间由上而下为垫片、底板、高弹性垫片、平面呈w 型的预应力卡件在两侧固定钢轨，轨枕螺栓拧紧时通过预应力卡件加以预应 力。在预应力作用下，即使在车轮经过时扣件也能正常扣紧钢轨，扣件结构 的功能如下： 钢轨两侧通过上图2 1 所示的角挡板来确保钢轨定位。为避免在轨枕 螺栓上产生附加的弯距和剪切力，因此作用在钢轨上的侧向荷载将经过两侧 角挡板传递到下部混凝土轨枕。 当钢轨发生位移时，会导致预应力卡件发生塑性变形，考虑到该效应， 钢轨扣件的刚度计算成非线性，即为两段或多段刚度。实际结构中，预应力 卡件中部会高出钢轨脚部。当钢轨向上位移大于1 8 m m 时，钢轨脚部即与预应 力卡件中部相接触，从而使得结构的弹性刚度陡增。同时，预应力卡件也能 防止钢轨发生倾覆。 钢轨扣件应保证钢轨与下部结构的紧密结合和钢轨侧向的固定，并具 有一定的弹性。具有一定弹性的扣件不仅能有效地使钢轨保持原位，还具有 很高的抗剪强度。 区别与传统的有砟轨道，无砟轨道采用高弹性的垫片来代替道砟。该 垫片的弹性指数为2 2 5 2 5 k n m m ，保证钢轨受压后下沉量为1 5 m m 。为保 证机车车轮的高速运行时的稳定性，对钢轨轨头的滑移必须进行有效控制。 作用于扣件上的垂直荷载通过下部的弹性垫片得到减振，作用于钢轨的横向 荷载因其动力效应，对钢轨的影响很大，该横向荷载一部分通过下部的弹性 垫片向下传递，剩余部分则通过侧面垂直的角撑直接传给混凝土轨枕。扣件 必须能承受非常大的由于高速作用与钢轨上的剪力所引起的动力学分量，否 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 则钢轨很可能会被破坏掉。 通过预应力卡件，使螺栓在拧紧时被施加了预应力。由于螺栓中的预 应力，使扣件能牢固地固定着钢轨，即使在列车驶过时也不例外。所施加的 力由钢轨的抗纵向滑动阻力决定。 2 扣件基本要求 依据a k f f v 4 钢轨扣件应在竖向和侧向都可以进行调节，基本要求如下： 弹性垫片上的预应力通过钢轨支撑点的构造形式予以约束，所以该 处构造应具备一定程度的调节性以保证垫片在实际施工及使用的过程中都能 满足t l 9 1 82 3 5 的要求。 钢轨扣件在竖向及横向的调节应简单易行。验收以后钢轨和岔道的 调节量根据规范应满足横向大于4 m m 和竖向大于+ 2 0 m m 的要求。遇特殊地质 条件( 如膨胀性土) 应对扣件做特殊处理。 道岔处的支撑结构应做特殊处理，以保证整段钢轨有一个相对均匀 的沉降变