（道路与铁道工程专业论文）高速铁路桥上无缝道岔设计方法的研究.pdf

摘丝 摘要 跨区间无缝线路是一种新型轨道结构型式，完全消除了钢轨接头， 彻底实现了线路的无缝化，其优点十分明显。由于跨区洲无缝线路适应高 速与重载铁路的发展需要，因此，世界各国竞相发展。 道岔无缝化是跨区间无缝线路发展的难点和关键技术。无缝道岔结 构复杂，掌握其在温度力作用下的受力和变形规律是无缝道岔设计、施工 和养护维修的理沦基础。另外随着高速铁路和城市轨道交通的发展，出现 了桥梁上铺设无缝道筒的情况，使得无缝道岔的受力和变形更为复杂。桥 上无缝道岔的研究迫在眉睫。 针对高速铁路桥上多采用无碴轨道的特点，本文重点进行了桥上无 碴轨道无缝道岔的研究。在北京交通大学现有的桥上无缝道岔有限元计算 方法基础上加以完善，针对在兀碴桥上铺设无缝道岔的情况，建立了桥上 无碴轨道无缝道岔的纵横向耦合有限元模型。使用该模型考虑桥上无碴轨 道无缝道岔的各种部件的影响，分析了桥上无缝道岔的受力和变形，并和 路基上无碴轨道无缝道俞以及有碴桥上无缝道岔进行对比，得出桥上无碴 轨道无缝道岔的受力和变形的特点。分析了影响桥上无缝道俞受力和变形 的主要因素：轨温变化幅度、道岔连接方式、扣件阻力、限位器、间隔铁、 桥梁温度变化幅度、桥跨长度、支座型式等。根据分析情况，对桥上铺设 无缝道岔的设计、铺设及养护维修提出一些建 淼纳杓啤躺杓把尢岢鲆恍椤 第一章绪论第一章绪论 1 1 引言 无缝线路是轨道中最先进的结构，它是2 0 世纪轨道结构最突出的改 进和创新。跨区间无缝线路的长轨条将穿越桥隧、车站，真萨达到了“无 缝”的状态，完全消除了由钢轨接头和短轨形成的缓冲区2【3】。 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，若出现这种情 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。 在桥上铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路、无缝道岔以及无碴轨道 外都对桥上无缝线路、无缝道岔和无碴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，只是同本在试验线上铺设了一组无缝道 岔，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。 因此，桥上铺设无缝道岔是无缝道岔发展史中遇到的义一个重大技术 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缝道 岔的问题。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。卜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。此次研究成果对进一步扩大无缝线路的铺没范 围和我国无缝线路的发展有着重要意义。 目前，京沪高速及其他高速铁路拟采用跨区问无缝线路型式，铺设的 北京交通大学钡+ 学位论文 无缝道俞有1 8 号、4 2 号和6 2 号等，桥上无缝道岔的研究迫在眉睫。 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，和无碴轨道 研究的重点和难点，因此有必要从以上三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 道岔无缝化是发展跨区间无缝线路的一项重大技术环节，特别是当 轨温相对于锁定轨温变化时，道岔区钢轨承受的纵向力以及产生的位移， 将影响到道岔的强度和稳定性以及行车的安全性。由于道岔内钢轨接头焊 接或胶接，而且道岔两端与无缝线路长轨条焊连，形成直股和侧股都无轨 缝的道俞，所以无缝道岔中钢轨附加温度力和变形的分析是其设计、铺设 和维修的核心和主要难点，关系到跨区间无缝线路的成败。 国外如欧洲已有部分国家铺设了不少无缝道岔，在铺设与焊接工艺 上积累了不少成熟经验，并发展了一些无缝道岔计算理论，如国际铁道联 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。德国提出基本轨温度力峰值约为固定区温度 力的1 2 2 倍，法国在无缝道岔设计中该值采用1 4 ，日本基于两轨相 互作用原理进行计算，认为该比值应该取1 3 5 较为合理1 4 】。近年来，国内 外不少学者都对无缝道岔的受力与变形进行了试验和研究，发表了一些有 关无缝道岔计算的文献，形成了一些无缝道岔计算的理论，但是由于其力 学机理比较复杂，各理论之间的差别较大，因此到目前为止还没有一套比 较统一的理论方法。现将国内外主要计算方法的思路介绍并分析如下： 1 只本的“两轨相互作用”原理【5 l 【6 】 2 j 匕京交通大学顾士学位论文 y 轨道纵向阻力。 在计算尺d ，、6 ，三个未知量时，可利用所列的三个平衡方程并通过 计算机模拟试算求解。求得，后，再按基本轨拉压变形量相等( 6 。= 6 ，) 的原则，并结合轨道阻力y 将f 分配。计算中未考虑导轨在传力过程中首 先要将一部分纵向力通过叉枕传递至道床，仅当道床阻力不足以与导轨传 来的纵向力相互平衡时，才通过扣件将剩余的温度力传递至基本轨上，而 是将，7 全部传递至基本轨上。 2 北京交通大学范俊杰教授的“当量阻力法”1 7 l 【8 l 1 0 】 北京交大范俊杰教授在完成铁道部科研项目“无缝道岔的计算理论与 试验分析研究”中，基于非线性分析和力图叠加原理，建立了无缝道岔的 当量阻力系数法计算原理，考虑了限位器、间隔铁及岔枕弯曲的传力作用， 扣件的极限推移阻力以及道岔纵向阻力随枕长的变化。 = = 暑2 = ： 道岔是一个整体结构，无缝道岔内所有的钢轨接头都被焊接或胶接起 来，并在道岔两端与无缝线路长轨条焊在一起。这样，当轨温升降时，无 缝道岔两端将承受温度力( 图1 2 ) ，不难看出，道岔基本轨温度力是自 行平衡的，而道岔里股钢轨则只在端承受温度力，该力将使道岔里股钢 轨产生伸缩位移，同时一部分力也将通过道岔的有关部件传给基本轨，形 成基本轨附加温度力。 “当量阻力法”的基本计算步骤就是先计算道岔里轨的伸缩位移，其 j ! 羔至些查兰! 堡主兰堡堡兰 泣；o e g f g 式中耵r 表示基本轨温度附加力图面积的代数和，表示钢轨的 弹性模量，表示钢轨的截面积。 计算方法：上述数学方程中的未知量x 。，x ：，x 。及导轨与翼轨某一 端点的位移非线性方程，采用牛顿拉斐逊方法，通过编制程序求解。 4 铁道部科学研究院卢耀荣研究员的两轨相互作用原型1 4 】 r 2r 0 bb 坚垫塑垫 口 遣b 鹭鹫：b ! 垫鲨 嘲卜4 两辕捆蠢作用计算模型 计算模型如图1 - 4 所示。 图中，口为间隔铁阻力，r 、r 3 ( n c m ) 分别为导轨和辙岔阻力，h 、 r ；( n c m ) 分别为基本轨阻力及导轨通过岔枕、扣件对基本轨施加的纵向 力。 原理：道岔的基本轨和导轨分别处于无缝线路的固定区与伸缩区， 随着轨温的变化，导轨克服阻力而伸缩，同时通过连接构件和岔枕对基本 轨施加纵向力，因而基本轨除产生因温度力而产生的“虚应变”外，还承 受导轨施加的附加纵向力，而产生“实应变”，导轨因位移而放散部分温 度力，并受到基本轨，岔枕和扣件相互作用和约束，组成一个力学平衡体 系。根据摹本轨，导轨的平衡关系及位移条件，建立方程，可以求解以下 未知量：基本轨最大位移量；导轨最大位移；基本轨及导轨纵向力作用范 围以及间隔铁阻力q 。 第一章绪论 5 兰州铁道学院许实儒、童本浩教授的超静定二次松弛法 ” 1 2 3 4 5 6 它是用一种基于结构力学基础上的三节点力学模型和二次松弛法来分 析无缝道贫的受力与变形特性。其三节点力学计算模型如图1 5 所示。 按照结构力学解超静定结构的松弛法原理，首先将各节点锁住，求出此时 各轨节温度力，然后将轨节点放松，节点产生位移，随着位移的发展，道 床纵向阻力将发挥作用，直到节点受力平衡为止。按此条件即可求出各节 点位移和各杆的温度力，后再将尖轨跟部和基本轨问的约束去掉，导轨将 产生相对基本轨的位移，引起各轨内力分布，从而求得最终分析结果。 在求解过程中假设钢轨杆件a 1 、a 3 、a c 在节点a 处的位移相等，即 6 。= 6 。= 6 。，= 6 。，同时，又设a 1 、a 3 、a c 在a 截面上的附加纵向力 叱。= 必，= 必。= 最3 ，计算时为使假设条件满足，必须对基本轨、导 轨所受的纵向阻力加以限制，这样将使道床纵向阻力的取值有了一定的局 限性。该方法适用于道岔直股为无缝线路、侧股为普通线路的固定式辙岔 道岔，对于可动心轨式无缝道岔则不能用此模型来计算。 6 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【1 q 【1 7 l 【1 8 】 将轨枕视为纵向连续弹性基础上的有限长梁如图卜6 所示，其位移曲 线微分方程如下： 盟+ 4 v ：! 盟 第章绪论 建模思路清晰简单，道岔结构详尽，可以考虑多种影响因素，尽可能降低 计算假定的影响，计算结果合理，通过与当量阻力法的计算结果对比，验 证了该方法的正确性，使用该方法，有利于指导结构设计、养护维修，针 对于道岔的各种连接型式，也比较容易建立起计算方法。 1 2 2 桥上无缝线路的研究现状 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，大都从偏于安全考虑，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【列。 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 了兀缝线路。 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 39 1 1 1 ) 。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。 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l 二铺设无缝线路提供了理论和方 。q 望二至丝堡 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、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。这些成果已在时速2 0 0 k 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，均末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翁的受力和变形规律，以及桥上无缝道翁的计 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，r 本在试验线 上铺设了段桥上无缝道岔，但没有正式投入运营，我国的台湾省也准备 一1 1 北京交通人掌硕上学位论文 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，比较有代表性是北京 交通大学的有限元方法，西南交通大学的有限元方法”3 1 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。 北京交通大学采用有限元方法率先建立了有碴桥上无缝道岔的纵向 伸缩力模型，通过与普通路基上无缝线路的对比，以及对各种影响因素的 对比研究，分析出了有碴桥上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。 日日口我们的研究还有以下不足： 对有碴桥上无缝道贫的规律研究较多，对于桥上无碴轨道无缝道岔 的研究不足，其规律和有碴桥上无缝道岔有很大不同，设计和施工中注重 的问题也有很大不同，因此有必要对桥上无碴轨道无缝道岔进行系统研 究。 现有的无缝道岔有限元方法主要研究道岔在纵向的受力和变形，对 于横向的受力和变形没有涉及，而道岔在横向的受力和变形对于无缝道岔 的强度和稳定性都有重要的影响，因此对无缝道岔横向受力和变形的研究 也很有必要。 对钢轨受力和变形研究较多，对桥梁的研究相对较少，特别是墩台 受力对桥梁设计有很大影响，需要重点研究。 因此，根据高速铁路桥上多采用无碴轨道的特点，本文将采用有限 元分析的方法建立纵横向耦台模型来研究桥上无碴轨道无缝道岔的受力 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。 第一章绪论 1 - 3 本文的丰要研究工作 本文在分析研究现有无缝道岔计算理论的基础e ，就跨区间无缝线路 中桥上无缝道岔的设计计算进行研究，其主要内容如下： 1 针对目前高速铁路发展需要，桥上铺设跨区间无缝线路己成为必 然。本文将建立桥上无缝道岔的纵横向耦合有限元模型，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，并同普通无缝道翁的受 力和变形进行对比，得出桥上无缝道岔受力和变形的规律。 2 分析影响桥上无缝道岔受力和变形的主要因素：轨温变化幅度、 桥梁温度变化、扣件阻力、限位器、| 日j 隔铁、桥跨长度、支座型式、桥梁 与道岔的相对位置以及道岔的连接方式等。根据分析情况，得出各因素对 桥上无缝道岔的影响规律，对桥上无缝道岔的设计、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。 北京交通大学硕士学位论史 第二章模型的建立与验证 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。 本章将采用有限元分析的方法来研究桥上无碴轨道无缝道岔的受力 和变形。此次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。 2 1 有限元分析简介 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代 计算方法。它是5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性 分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传 导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下： 1 ) 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单 元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来：单元节点 的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度 而定( 一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形， 但计算量越大) 。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物， 而是相同材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限 元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合 理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 】4 第二苹模型的建立i 2 ) 单元特性分析 a 、选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为摹本未知量时称为位移法；选 择节点力作为基本未知量时称为力法：取一部分节点力和一部分节点位移 作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有 限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化 之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表 示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以 描述。 b 、分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等， 找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时 需要应用弹性力学巾的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从 而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 c 、计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。 但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。 因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移 到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元卜的力。 3 ) 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连 接起来，形成整体的有限元方程。 4 ) 求解未知节点位移解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方 程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有 限单元法的基本思想是分一合”，分足为了就进行单元分析，合则为了 对整体结构进行综合分析。 1 5 北京变通太学顿士学位论文 由美国a n s y s 公司丌发的a n s y s 大型通用有限元软件，经过三十 余年的发展，已经成为业界最为流行的分析软件之一。它在结构分析、电 磁场分析、立体力学分析以及耦合场分析方面都有着不错的表现。 a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析 到复杂非线性动态分析。本文将以a n s y s 软件为基础，分析桥上无碴轨 道无缝道岔的伸缩力力学特性。 2 2 桥上无碴轨道无缝道岔纵横向耦合模型的建立 在桥上无碴轨道无缝道岔的温度力传递过程中，参与传力作用的主要 有钢轨、轨枕、扣件、道床、限位器、间隔铁、螺栓和桥梁等部件，现对 各部件利用a n s y s 单元模型分别进行模拟。此处以在4 2 4 m 筒支梁上铺 设改进型1 8 号长翼轨可动心轨为例将建模的过程介绍如下。 2 2 1 无缝道岔主要殴计参数 道岔类型：1 8 号长翼轨可动心轨道岔 钢轨类型：6 0 k g m 岔枕：按照布置图，短枕。 辙跟结构：限位器结构，位于第3 5 、3 6 和第3 7 、3 8 岔枕之间， 心轨跟端结构：长短心轨跟端各布置4 块间隔铁，每根间隔铁由2 根螺栓组成。 扣件：i i l 型弹条扣件。 区j 日j 线路混凝土枕，每公里铺设轨枕1 6 6 7 根。道岔内岔枕间距除特 殊位置外皆为6 0 c m ，道岔轨距1 4 3 5 m m ，岔枕按垂直于正线方向布置。道 佾尖轨长2 1 4 5 0 m ，导曲线半径1 l o o 7 1 7 5 m ，尖轨尖端位于第4 号俞枕上， 尖轨根端位于第3 9 和4 0 号岔枕之间，在第3 5 号岔枕上开始有扣件联结， 心轨长1 4 0 2 5 m ，心轨尖端位于第9 2 号岔枕上，长翼轨末端位于l j 4 号 岔枕上，最后一根长岔枕编号为1 2 4 号。 第二章模型的建立与 2 2 2 模型的建立 桥上无缝道岔部件众多，主要参与传力的有钢轨、轨枕、扣件、辙根 结构、桥跨结构，这些部件之间有着复杂的相互作用关系，针对各部分分 别利用a n s y s 单元模型进行模拟。 1 钢轨 对于钢轨模型，通过c a l ) 软件绘出钢轨截面形状，然后导入a n s y s 。 建立的钢轨模型如图2 1 所示。 6 0 k g m 钢轨截面面积爿= 7 7 4 5 咖2 弹性模量e = 2 1 1 0 “m 2 线膨胀系数为： a ：1 1 8 x 1 0 “晰 泊松比5 0 3图2 1 钢轨模型 2 混凝土俞枕和整体道床 对于无碴轨道线路，岔枕一般分为长枕埋入式和弹性支撑块式，在分 析伸缩力时，考虑到岔枕材料性质、下面的整体道床或者无碴轨道板等和 桥梁材料性质相似，在只考虑平面受力和变形上差别不大，因此为建模方 便，忽略岔枕和整体道床、无碴轨道板的影响，认为钢轨和桥梁通过扣件 直接相连，实际试算这种假设是合理的。 3 扣件 由于扣件的纵向阻力也是非线性，故模拟扣件时采用非线性弹簧。由 室内试验得出扣件阻力和位移的关系确定非线性弹簧的参数，按表2 一l 取值f 2 5 】。横向阻力参数由于数据不全，因此借鉴动力学中采用的横向刚 度系数，除以动力系数得出，这里取每组扣件横向静刚度k = 5 1 3 ：3 8 4 e 7 p a l 2 6 】。 1 7 第二章模型的建立l j 6 桥跨结构 对于桥跨结构，可以采用梁板单元进行模拟，只考虑桥跨的伸缩变形。 每跨梁设置4 个支座，其中包括2 个固定支座，限制横向和纵向位移，2 个活动支座，限制横向位移。 表2 4 为无缝道岔模型中各部件的单元、实常数列表。 表2 4 单元实常数设置列表 单元号名称实常数备注 lb e a m l 8 81钢轨 3 c o m b i n 3 9 3扣件纵向阻力 4 c o m b j n j 44扣件横向阻力 5c o m b i n 3 95心轨跟端问隔铁 6c o m b i n 3 96 辙跟间隔铁( 或限位器) 9 p l a n e 4 2 9桥梁 根据以上建模方法，以在4 跨2 4 米简支梁上铺设改进型1 8 号可动心 轨无缝道俞为例进行建模分析，建立桥上无碴轨道无缝道前的整体模型如 图2 3 所示。图中黑色部分代表桥跨结构，以左端做为坐标系零点，第 一根岔枕在模型的第4 8 m 处，桥跨最左端位于模型的第4 0 m 处。 图2 3 桥上无碴轨道无缝道岔整体模型 北京交通大学顺士学位论文 2 2 - 3 计算条件及假定 1 桥梁的温度变化，仅为单纯的升温或降温，不考虑梁温升降的交 替变化，一般取一天内可能出现的最大温差，混凝土无碴梁一般取2 0 。 2 桥梁在受力过程中，只考虑桥跨的伸缩，不考虑桥跨结构在垂向 上的位移。 2 2 4 计算结果分析 以下各图中，横坐标表示沿线路纵向坐标，单位为m ，第一根岔枕对 应纵坐标为4 8 m ，当纵坐标大于4 8 m 时，表示已经进入道岔内部。从图中 我们可以比较直观的看出各个岔枕处钢轨的温度力和位移的大小。 以轨温变化幅度降温5 5 ，4 2 4 m 简支梁均采用左端固定支座，右 端活动支座型式为例，采用以上方法建立的模型及计算条件，进行计算分 析得出桥上无缝道岔的钢轨纵向温度力如图2 4 所示，纵向位移如图2 5 所示。 1 纵向温度力和位移分析 从图2 3 中可以看出，桥上无缝道岔中基本轨、里轨的纵向温度力图 有较大差异，同普通无缝道岔一样，主要是由于它们的受力特点不同所造 成的，而直基本轨与曲基本轨的温度力基本相同，可见，在全焊情况下直 侧股的受力基本上是对称的。 口oo2 口4 06 0 0 0 1 0 0 1 2 01 4 01 6 01 b o x 图2 4 桥上无碴轨道无缝道岔纵向温度力 nlr蜊弱厦蒜 第_ 章模型的建立与 - 2 0o2 04 06 00 0 o o1 2 01 4 01 6 01 8 0 x - 图2 5 桥上无碴轨道无缝道岔纵向位移图 降温5 5 时，固定区温度力为1 0 3 4 3 k n ，桥上无碴轨道无缝道岔的 基本轨附加温度拉力和压力显著增加，且对丁如本文情况的4 2 4 简支 粱，明显出现了4 个附加拉力峰值点和4 个附加压力峰值点，规律与桥上 无缝线路相似。附加拉力峰值点基本上位于桥梁活动端，是因为桥梁活动 端的伸缩位移大，对道岔影响显著。最大附加温度拉力位于最后一跨活动 端，为2 7 2 7 k n ，增加2 6 4 。最大附加温度压力为1 5 3 7 k n ，减小1 4 9 ，出现在第一跨范围内。限位器位于第2 跨范围内，由于限位器的作用， 在第2 跨简支梁范围内铡轨温度力有突变。第2 跨和第3 跨范围内温度力 幅值基本相等，该特点与桥上无缝线路对于多跨简支梁受力特点的描述很 相似。 桥上无碴轨道无缝道岔的罩轨温度力变化梯度较大。在导轨范围内， 峰值为8 6 5 5 l k n 。在桥梁最后跨的活动端附近，心轨还有一个较明显的 拉力峰值点，幅值为1 2 9 0 9 k n ，与基本轨在该处的最大温度力很接近， 是受桥梁影响显著的标志。 从图2 4 可以看出，桥上无碴轨道无缝道岔的位移有着很明显的受桥 梁影响的标志。在降温5 5 的情况下，桥 = 无碴轨道无缝道分的基本轨 ! ! 塞茎望查兰堕主望垡堡兰 位移全部为负值，且对应4 跨简支梁，出现了4 个位移峰值点，各峰值基 本相等，最大位移值为1 9 1 8 4 姗。 桥上无碴轨道无缝道岔导轨正负位移幅值大体相等，在心轨后部，心 轨位移出现了反向，是因为桥梁和道岔伸缩方向相反，而桥梁的伸缩起了 主导作用的缘故。 2 横向温度力和位移分析 与桥上无缝道岔纵向温度力相比，横向温度力和位移要小很多，因此 其结果更容易受到各种因素影响，不像纵向温度力和位移那样，有很明显 的特点，但是，通过建模计算，还是可以发现其中的一些规律。 图2 6 至图2 8 为基本轨和里轨横向温度力图。 暮 r 倒 娟 厘 舞 j l 一：一一一一一 5 07 0 0 09 01 0 01 1 01 2 0 i ，_ 图2 7 导轨横向温度力 ：=：暑”帖柚 蚕r燃珥匠蜒 第二章模型的建矗与 1 1 01 2 013 01 4 01 5 01 6 0f 7 01 日o x ，- 图2 8 心轨横向温度力 由以上几图可以看出，在桥梁两端，无论是基本轨还是里轨，温度力 都有峰值，但其值不大，基本轨最大温度力值1 7 2 2 k n ，导轨最大值 7 7 3 8 k n ，心轨最大值3 7 3 2 k n 。在跨中位置，横向力很小，接近于零， 说明在跨中，桥梁横向伸缩和钢轨横向伸缩相差很小。 图2 9 至图2 1 1 为基本轨和里轨横向位移。 摹本鼽 2 口o 2 0 4 0 6 08 01 0 012 0 x ，- 图2 9 基本轨横向位移 蝴 一 一 o 1 2 3 s o 0 0 o o o 哪蒋犁 掉 北京交通大学碘：卜学位论文 1 1 01 2 01 3 01 o1 5 0 5 01 7 0 a o x ，- 斟2 1 1 心轨横向位移 由以上几图可以看出，基本轨横向位移很明显的显示出桥梁作用的结 果，对应4 跨简支梁，有4 个位移波形，且幅值依次增加，第一跨固定端 位移值最小，最后一跨活动端位移值最大，为0 4 1 4 m m 。 导轨受桥梁的影响不显著，在岔心导轨位移有较大变化。 由于心轨位于最后跨简支梁上，因此心轨及其后钢轨也表现出一定 的受桥梁影响的特征，在最后一跨梁范围内，也出现了与基本轨类似的位 移波形，幅值稍小，最大值为o 1 8 8 7 m m 。 3 限位器和间隔铁受力 枷弋 一 一 j 耋 一 一 _i静掣毽颦 第二章模型的建缸与 表2 5 限位器和问隔铁受力表 位置 限位器间隔铁 觑股侧股 卣股侧股 i 受力( k n ) 7 9 5 7 97 9 j 8 5 1 8 9 9 21 8 5 1 31 8 5 1 8 98 21 8 6 5 01 8 1 4 l1 8 09 01 8 5 1 5 由表2 5 可以看出，限位器直、侧股受力大小基本相等，两组限位 器中，有一组受力为零，说明该组限位器了母块并末贴靠，实际应用中应 适当减小该组限位器间隙，使两组限位器同时发挥作用，均匀分摊阻力。 间隔铁受力情况，对应位置的直股间隔铁阻力略大于侧股间隔铁阻 力，但是差别并不大。 4 桥梁受力 四组固定支座纵向受力如表2 6 所示。由该表可以很明显看到第二跨 的固定支座反力明显大于其他三跨，丽第三跨国定支座反力最小，说明第 三跨范围内钢轨与桥梁伸缩的相对位移值最小，而第二跨范围内钢轨与桥 梁的相对位移最大。 表2 6 崮定支座纵向受力表 【k n ) i 第一跨第二跨第三跨第四跨 i5 9 2 6 51 6 3 4 3 i2 0 6 7 2 98 3 4 9 9 横向受力如表2 7 所示。其中正负号表示桥梁支座受力与坐标轴的 方向，当支座受力与坐标轴正方向相同时，为正值，反之则为负值。 表2 7 桥梁支座横向受力表 ( k n ) i 第一跨第一跨第二跨第二跨第三跨第三跨第四跨第四跨 i 固定端活动端固定端活动端固定端活动端固定端活动端 。1 7 63 4 74 0 79 8 21 0 13 7 30 6 2 0 3 由上表可以看出，与桥梁支座受纵向力相比，桥梁支座横向受力在数 值上要小的多，两者已经不在一个数量级上。这说明相对于支座横向受力， 纵向力应该受到更大的重视。 在四跨简支梁中，第二跨梁支座所受横向力最大，说明在桥梁设计的 时候对该跨支座也应该更加重视。 综上所述，以本模型为例，第二跨桥梁支座受力最人，设计中应该与 第二章模型的建立与 唳型燮丝鲥 j，一 心 1f j 。l 。i 一一 6 口d u1 帅1 z u4 口1 6 ui u z ，- 图2 一1 3 里轨纵向温度力对比图 由以上两图可以看出，路基上无碴轨道无缝道岔基本轨温度力影响 范围很小，峰值点基本上就在限位器所处的两个轨枕中间，且峰值很小， 这是因为无碴轨道板的刚度太大，接近完全刚性基础，因此里轨的温度力 几乎完全由刚性基础承担，而没有传到基本轨上。里轨的温度力很大，位 移很小，心轨末端温度力出现峰值点，是间隔铁作用的结果。 相比于普通无碴轨道无缝道岔，桥上无碴轨道无缝道岔的基本轨附 加温度拉力和压力显著增加，且对于如模型布置的4 2 4 简支梁，明显出 现了4 个附加拉力峰值点和4 个附加压力峰值点，规律与桥上无缝线路极 其相似。附加拉力峰值点基本上位于桥梁活动端，是因为桥梁活动端的伸 缩位移大，对道岔影响 以及限位器及间隔铁受力等比较 北京交通大学倾士学忙论文 显著的标志。 2 钢轨位移的对比 直基本轨位移比较如图2 1 4 所示，里轨位移比较如图2 1 5 。 昌 静 趔 坦 蠢 - 2 0o2 04 0o o8 01 a o1 2 01 o1 曲 i o 1 - 图2 1 4 直基本轨纵向位移对比图 ； 桥上无碴轨道无缝道岔 无碴轨道尤缝道岔 。、 由南1 掂、湎 ；r 晶1 如 t 一7 、 、 x 图2 一1 5 里轨纵向位移对比图 由图2 一1 4 ，图2 1 5 可以看出，相对于路基上无碴轨道无缝道岔基本 轨微小的位移来况，桥上无碴轨道无缝道岔基本轨的位移显得很大。在降 温5 5 的情况下，桥上无碴轨道无缝道岔的基本轨位移全部为负值，且 对应4 跨简支梁，出现了4 个位移峰值点，是受桥梁影响的标志。受桥梁 收缩方向与里轨伸缩方向相反的影响，与路基上无碴轨道无缝道岔的里轨 位移相比，桥上无碴轨道无缝道岔罩轨位移向负方向增加，尖轨尖端收缩 ：； j薄犁厘i捧 第二幸模型的建立与 位移值变小。心轨处出现了位移值反向。 2 3 2 横向温度力和位移分析 1 钢轨温度力对比 图2 1 6 为基本轨横向温度力对比图，图2 一1 7 为导轨横向温度力对比 图，图2 一1 8 为 萤 r 世 薅 _ 叵 蜒 0 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 i 矧2 1 6 基本轨横向温度力对比 6 07 0b o9 010 0o1 2 d z ，- 图2 1 7 导轨横向温度力对比 ojii讣叭叭川 一 阙， 一 00 一 一 iiii ， ：jiiiiiiii 一 4_一 ：懈一 一 第二章模犁的建立与 6 07 00 09 01 0 01 1 01 2 0 j - 图2 2 0 导轨横向位移对比 1 1 01 2 0t 4 01 s o，1 7 0 1 - 图2 2 l 心轨横向位移对比 由以上3 图可知，路基上无碴轨道无缝道岔的基本轨横向位移很小， 几乎可以忽略不计，而桥上无碴轨道无缝道翁的基本轨横向位移表现出明 显的受桥梁影响的特征。里轨在两种情况下的变化曲线很相近，但是幅值 有所不同，与路基上无碴轨道无缝道岔相比，桥上无碴轨道无缝道岔钢轨 位移值向负方向增大。同样受桥梁影响，心轨后部出现了类似基本轨的位 移曲线。 2 3 3 限位器和间隔铁受力分析 两种情 _ _ - _ _ _ _ 一 _ i i 一! l x 北京交通大学硕十学位论文 裘2 8 限位器和间隔铁受力表 位置限位器闻隔铁 类秋直般侧股直股侧股 桥上 07 9 j 7 907 吼5 8 5 1 8 9 9 2 1 8 5 1 31 8 5 1 l1 8 9 8 21 8 6 j 01 8 1 4 l1 8 09 01 8 5 1 5 路基 9 2 2 1 1 741 7 7 01 2 4 21 6 7 6 71 6 3 _ 3 l1 6 3 3 l1 6 7 “1 6 7 m 71 6 2 7 21 6 27 21 6 7 0 5 计算表明，同路基上无缝道岔相比，此种桥跨结构的桥上无缝道岔， 限位器受力变小，问隔铁所受剪力变大。 2 3 4 小结 由以上分析可知，与路基上无碴轨道无缝道岔相比，桥上无碴轨道 无缝道岔的基本轨温度力和位移增大，里轨纵向位移减小，横向位移增大。 限位器受力减小，间隔铁受力增大。 2 4 与有碴桥上无缝道岔的对比 按照相同的建模方法，建立有碴桥上无缝道岔的纵横向耦合模型， 采用同样的参数和温度变化进行分析，同桥上无碴轨道无缝道岔的计算结 果进行对比，以得出桥上无碴轨道无缝道岔的一般规律。 2 4 1 纵向温度力和位移分析 图2 2 2 至图2 2 5 为钢轨纵向温度力和位移图。 2 0o 2 0 o6 db o1 0 01 2 01 4 01 6 0 1b o x ，- 图2 2 2 基本轨纵向温度力图 蚕、r埘霸足1捧 第二章模型的建靛与 逞 静 掣 迢 蒜 旨 渣 坦 匠 蠢 例2 2 3 里轨纵向温度力图 x 图2 2 4 基本轨纵向位移图 桥上无碴轨道无缝道岔 1i 有碴桥上无缝道岔 心 南 由睁、遍= 二，符j j 鬲 1 扣 、j “ 图2 2 5 里轨纵向位移图 3 3 o 8 6 4 2 o 2 4 6 北京交通大学硕+ 学位论文 看 静 捌 足 据 逞 鼬 趟 厘 挺 6 口7 08 00 01 0 do1 2 0 x 图2 3 0 导轨横向温度力图 1 1 01 1 1 4 01 1 1 ”1 x 2 3 l 心轨横向位移图 由以上几图可以看出，与有碴桥上无缝道葫钢轨横向温度力相比， 桥上无碴轨道无缝道岔钢轨横向温度力显著变小，基本轨和导轨位移显著 增大，心轨位移变小。因此从减小横向力，增加横向稳定性来说，桥上无 碴轨道无缝道岔更有利。 2 4 3 限位器和间隔铁受力分析 表2 9 限位器和间隔铁受力表 洪 限位器间隔铁 直股侧股直股侧股 ? ， 一 1j1jl1nj|l 咖 一 一 心 一 第一章模型的建立与 无碴桥 o7 95 7 907 95 8 51 8 9 蛇1 8 5 1 3l 龉j i 1 8 98 21 8 09 0i1 舒1 5i 有碴桥 08 6 7 7 88 6 9 6 71 7 l m1 7 0 6 61 6 66 51 6 6 4 51 6 6 6 2 1 7 101 6 64 411 7 06 3i 由上表可以看出，与有碴桥上无缝道岔相比，桥上无碴轨道无缝道 岔限位器受力减小，间隔铁受力增大。 2 4 4 桥梁支座受力分析 表3 6 支座受力对比 ( k n ) 位置第一跨第二跨第三跨第四跨 无碴桥上无缝道岔 5 9 2 6 51 6 3 4 3 12 0 6 7 2 98 3 4 9 9 有碴桥上无缝道岔 5 3 3 5 47 7 0 7 95 1 8 3 95 5 3 6 5 可见，桥上无碴轨道无缝道岔支座受力与有碴桥上无缝道岔有很大 差别，突出特点就是支座受力大小很不均匀，各跨支座受力大小相差很大， 且支座受力最大值很大，远远超出其他各跨值，同时电远远超出有碴桥上 无缝道岔的支座受力值。 2 4 5 小结 由于道岔与桥梁的连接形式不同，桥上无碴轨道无缝道俞的受力和 变形与有碴桥上无缝道岔有很大不同，集中表现在道岔受桥梁的影响显 著，基本轨温度力和位移与桥上无缝线路的特点相似。与有碴桥上无缝道 岔相比，桥上无碴轨道无缝道岔的基本轨温度力增大2 5 ，而里轨位移 减小较多，达2 5 m m 。限位器受力减小，间隔铁受力增加，桥梁支座受 力增加较多。因此两种桥上无缝道岔形式各有优缺点，实际应用中应综合 考虑各种因素，选取最佳方案。 2 5 本章小结 通过本章的分析可知，桥上铺漫无缝道岔，由于桥梁和道岔的相互作 用，无缝道岔钢轨的受力和变形、限位器、间隔铁螺栓剪力等等同路基上 第三章轨道结构爹数影响分析 由表3 一l 和图3 1 、3 2 可以看 | ，随着轨温变化幅度的增加，由 于固定区温度力增加，所以基本轨温度力增加，但是基本轨附加温度力的 变化不大，由图中可以看出，在1 5 4 5 之间的附加力变化曲线基本 相同，5 5 时基本轨附加温度力变化曲线稍有差别，是因为在5 5 时， 限位器子母块闭合，限位器承受了力的作用，而在4 5 以下时限位器并 没有承受作用而引起的。 随着轨温变化幅度的增大，里轨的温度力逐渐增大，导曲线处温度力 变化的梯度逐渐增大。 由以上规律可以分析，对于桥上无碴轨道无缝道岔，由于扣件阻力较 人，使得钢轨与桥梁之间的连接很紧密，因此，轨温变化幅度对附加温度 力的影响并不显著，对钢轨温度力的影响较显著。 2 钢轨位移的比较 随轨温变化的不同，各钢轨位移的计算结果如表3 2 所示，位移图如 33 与3 4 所示。 表3 2 不同轨温变化条件下钢轨伸缩位移比较 降温( ) 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 直基本轨最大负位移( m m ) 一1 9 1一1 9 11 9 1一1 9 11 9 1 直基本轨最大正位移( m m ) 00000 直尖轨跟端位移 一0 2 60 5 22 0 74 3 36 6 8 长心轨跟端位移一1 0 7 0 5 60 0 40 4 5 0 9 0 量 镄 划 匣 劁3 3 基本轨纵向位移与轨温变化幅度 北京交通大学坝十学位论史 逞 潍 趟 星 圜 扩遵南 图3 4 里轨纵向位移与轨温变化幅度 由表3 2 和图3 3 、3 4 可以看出，基本轨负位移随轨温变化幅度 的增加而减小，但是其中差别较小，几乎可以认为相等。5 5 时的曲线在 道分前端限位器处与其他曲线差别较大，同样也是冈为限位器受力的影 响。在道岔后端，轨温变化对基本轨位移影响很小。 轨温变化幅度对里轨位移影响较大，轨温变化较小时，导轨和心轨位 移基本都为负值，变化曲线较为平缓，随着轨温变化幅度的增大，导轨和 心轨位移值逐渐增大，曲线变化梯度增加，位移幅值增大。 3 1 2 横向温度力和位移分析 1 钢轨温度力对比 直基本轨附加温度力变化如表3 3 所示，基本轨附加温度力图如图 3 5 ，导轨温度力如图3 6 ，心轨温度力如图3 7 。 表33 钢轨横向温度力表 降温( ) 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 基本轨最大温度力( k n )1 7 7 3 41 7 7 3 3 1 7 7 31 7 7 2 8 1 7 7 2 2 导轨晟大温度力( k n ) 2 5 5 7 73 6 9 3 34 5 8 9 76 0 1 3 57 6 3 6 7 心轨最人温度力( k n ) 1 4 3 1 72 0 5 0 72 6 2 7 43 1 7 3 7 3 7 3 2 3 第三章轨道结构参数影响分析 罨 r 型 赠 霍 墨 - 2 0 0 2 0 4 0 6 08 0 o o 1 2 0 1 4 0 t 6 0 1 0 0 x 图3 5 基本轨横向温度力图 07 009 0 0 01 l o1 2 0 x ， 图3 6 导轨横向温度力与轨温变化图 o1 2 01 3 01 4 01 5 01 b o1 7 01 8 0 i - 图3 7 心轨横向温度力与轨温变化图 由表3 3 及图3 5 、图3 6 、图3 7 可以看出，桥上无碴轨道无 圜寸_ 一 侣 仙 晕r馘埔足鼙 n】ir鹊霹疽颦 北京交通大学硕十学位论文 缝道岔摹本轨横向温度力随轨温变化的改变很小，相差不到1 。 随着轨温变化幅度的增加，里轨横向温度力值幅值增加。 2 钢轨位移比较 直基本轨横向位移变化如表3 4 所示，基本轨横向位移变化图如图 3 8 ，导轨横向位移变化如图3 9 ，心轨横向位移变化如图3 一1 0 。 表3 4 不同轨温变化条件f 钢轨横向伸缩位移比较