（道路与铁道工程专业论文）郑西线渭河特大桥桥上无砟轨道的道岔板限位方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着跨区间无缝线路的推广应用，无缝道岔开始铺设于桥梁上，无缝 道岔一桥梁一墩台的相互作用较桥上无缝线路和路基上无缝道岔更为复 杂，其力学机理和轨道几何形位的保持都是当今轨道技术研究上的难点和 热点。本文就以桥上无缝道岔的道岔板为切入点，就其限位问题进行相关 的计算分析并作出相应的总结报告。 本文开篇概述了桥上无砟轨道和桥上无缝道岔的技术特点，并着重对 岔一桥一墩一体化纵向相互作用原理给出较为详细的介绍。论文的主体部 分是以郑西客运专线上的新渭南高架车站为工程对象，将站内各道岔板分 别做出纵向的限位分析和横向的限位分析。纵向限位方案有两种，分别为 凸台限位方案和销钉限位方案。横向有两种限位方案：方案一是在道床板 中部采用横向限位螺栓，道床板两侧设置纵向可伸缩、横向限位锚固螺栓： 方案二是在道床板中部采用四向限位的螺栓，道床板两侧设置限位挡块， 以限制道床板横向位移。 利用基于a n s y s 二次开发技术编制的梁轨相互作用非线性有限元程 序q s z l b d c e x e ，完成桥上无缝道岔有限元方法下的建模、荷载的施加、 方程的求解。根据求解的结果，对各种方案进行对比、优化，并对计算结 果中出现的最大受力销钉单独进行a n s y s 环境下的建模分析，探讨该销钉 处于最大受力状态时，与销钉接触的混凝土是否已被压溃。 纵向限位的两种方案中，凸台限位方案和销钉限位方案的钢轨纵向力、 道岔传力部件受力和尖轨心轨的伸缩位移均相当，两种方案的钢轨和道岔 传力部件强度都可以满足使用要求，尖轨、心轨的伸缩位移小于转换机械 容许值。横向限位方案的两种方案中，销钉和侧向挡块两种限位方案均能 满足道岔板横向限位的需要。销钉方案的优点是施工方便、造价低，缺点 是可修复性较差。侧向挡块方案优点是受力明确，可承受很大的横向力， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 在长期使用过程中可以进行修补，缺点是施工较为困难，用料较多，造价 较高。在销钉与混凝土接触处，混凝土的最大受力小于c 4 0 混凝土的极限 压力，即混凝土不会被压溃。 在计算分析过程中所要解决的关键问题包括：钢轨与道床板相互作用 关系、道床板与底座板相互作用关系、底座板与桥梁纵向相互作用关系。 关键词：桥上无缝道岔、道岔板、销钉、挡台 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s tr a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft r a n s s e c t i o nc o n t i n u o u s l y w e l d e dt r a c k , w e l d e dt u r n o u tb e g i n st ob ec o n s t r u c t e do nb r i d g e ，t h ei n t e r a c t i o n o fw e l d e dt u r n o u t - b r i d g e - - p i e ri sm o r ec o m p l i c a t e dt h a nc o n t i n u o u s l yw e l d e d r a i l so nb r i d g eo rw e l d e dt u m o u to ns u b g i a d e 。m e c h a n i c a lm e c h a n i s ma n d g e o m e t r i c a lf o r ma n dp o s i t i o na r ed i f f i c u l t i e sa n dh o ts p o to f t r a c kt e c h n o l o g y i n t h i st h e s i s ，a sas t a r t i n gp o i n tt ot u r n o u ts l a bo fw e l d e dt u r n o u to nb r i d g e ，1w i l l t a k et h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i sr e l a t e dt oi ta n dp u b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n g s u m m a r yr e p o r t a tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，i tg i v e sa l la c c o u n to ft h et e c h n i c a lf e a t u r e s o fb a l l a s t l e s st r a c ka n dc o n t i n u o u sw e l d e dt u r n o u to nb r i d g e ，a tt h es a m et i m e ，i t h i g h l i g h t si n t e r a c t i o np r i n c i p l e so ft u r n o u t - b r i d g e - p i e r t h em a i nb o d yo ft h e s i s i st h ea n a l y s i so fe n g i n e e r i n go b je c t st ox i n w e i n a ns t a t i o no nz h e n g x i p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e i th a sa n a l y z e dt h ev e r t i c a lr e s t r i c t i o n s1 0 c a t i o na n dt h e h o r i z o n t a lr e s t r i c t i o n sl o c a t i o nt ot h et u r n o u ts l a bo ft h es t a t i o n t h ev e r t i c a l r e s t r i c t i o n s1 0 c a t i o n ：i nt h em i d d l eo ft h eb a l l a s ti sv e r t i c a lr e s t r i c t i o n sl o c a t i o n b o l t t h e r ea r et w op r o g r a m si nt h en e wr e s t r i c t i o n sl o c a t i o np l a n ：f i x e db o l ta n d t r a v e l i n gb o l t t h ef i x e db o l tc a nr e s t r i c t1 0 c a t i o na tv e r t i c a la n dh o r i z o n t a l i ti s l o c a t e di nt h em i d d l eo ft h eb a l l a s t ( c l o s i n gt h ev e r t i c a lr e s t r i c t i o n sl o c a t i o nc a m o ft h eo r i g i n a ld e s i g n ) ；t h et r a v e l i n gb o l ti sf i x e do nh o r i z o n t a la n dm o t i v eo n v e r t i c a l t h e yl a yo ne n d so ft h eb a l l a s t t h e r ea r et w op r o g r a m si nh o r i z o n t a l r e s t r i c t i o n sl o c a t i o n ：t h ef i x e db o l t sa r ea p p l i e di nt h em i d d l eo ft h eb a l l a s ta n d t h et r a v e l i n gb o l t sa r ea p p l i e di ne n d so ft h eb a l l a s to ft h ep r o g r a m1 ：t h ef i x e d b o l t sa r ea p p l i e di nt h em i d d l eo ft h eb a l l a s ta n dt h eh o r i z o n t a lr e s t r i c t i o n s l o c a t i o nc a m sa r ea p p l i e ds i d e st h eb a l l a s to ft h ep r o g r a m2 b a s e do nq s z l b d c e x eu s i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo f a n s y sb vf i n i t ee l e m e n tm e t h o do ni n t e r a c t i o no fb r i d g ea n dt r a c k i tc a n a c c o m p l i s hm o d e l i n g ，a p p l i n gl o a d ，s o l v i n ge q u a t i o n s a f t e ru x t a p o s i n ga n d s c r e e n i n go fd i f f e r e n td e s i g n s b a s e do nt h er e s u l t so fs o l v i n g ，w ec a nf i n dt h e m a x i m u mf o r c e db o l t ，s ow em u s th a v eas e p a r a t ea n a l y s i so nt h i sb o l ti n a n s y s i nt h eh o p et h a td e f i n i n gc o n c r e t ew a sd e s t r o y e do rn o ta tt h i sm o m e n t i nt h et w om e t h o d so fv e r t i c a lr e s t r i c t i o n sl o c a t i o n t h er e s e a r c hs u g g e s t s t h a tt h el o n g i t u d i n a lf o r c eo fr a i l t h ef o r c eo ft u r n o u ta n dt h ed i s p l a c e m e n to f s w i t c hr a i lo rn o s er a i la r ea n a l o g o u s t h el o a dt r a n s f e rc o m p o n e n t so fr a i la n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 t u r n o u tc a nm e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t h ed i s p l a c e m e n to fs w i t c hr a i l a n dn o s er a i la r el e s st h a nm e c h a n i c a lp e r m i s s i b l ev a l u e i nt h et w om e t h o d so f h o r i z o n t a lr e s t r i c t i o n sl o c a t i o n ，p r o g r a mb o l ta n dp r o g r a mc a ma r ea b l et om e e t t h er e q u i r e m e n t so ft u r n o u t sh o r i z o n t a lr e s t r i c t i o n sl o c a t i o n t h ea d v a n t a g eo f p r o g r a mb o l ti se a s yc o n s t r u c t i o na n d1 0 wc o s t ，t h ed e f e c ti s c o n v e n i e n ti nt l l e c o n s t r u c t i o na n dl o wc o s t n l ea d v a n t a g eo fp r o g r a mc a mi se x p l i c i tf o r c e ，a n d t h ec a mc a nw i t h s t a n dl a r g el a t e r a lf o r c e ，i tc a nb er e p a i r e di nl o n g t e r mp r o c e s s o fu s i n g ，t h ed e f e c ti sd i f f i c u l t yi nt h ec o n s t r u c t i o na n dh i 曲c o s t i nt h ec o n t a c t o fb o l ta n dc o n c r e t e ，t h el a r g e s tf o r c eo fc o n c r e t ei s1 e s st h a nt h eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yo fc o n c r e t e4 0 ，t h ec o n c r e t ew o u l d n o tb e i e o p a r d i z e d t h ek e yi s s u e sm u s tb er e s o l v e di nt h et h e s i si n c l u d e ：i n t e r r e l a t i o nb e t w e e n r a i la n dt u m o u ts l a b ，i n t e r r e l a t i o nb e t w e e nt u r n o u ts l a ba n db a s es l a b ， i n t e r r e l a t i o nb e t w e e nb a s es l a ba n db r i d g e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sw e l d e dt u r n o u to nb r i d g e ，t u r n o u ts l a b ，b o l 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 不保密日，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：7 啦垆 指导教师签名： 日期：川小甲 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 、利用基于a n s y s 二次开发技术西南交通大学轨道教研室自行编制的 梁轨相互作用非线性有限元程序q s z l b d c e x e ，完成有限元方法下的建模、 荷载的施加、方程的求解。 2 、销钉限位方案中采用了两种销钉：一种是纵横向均可限位的固定销 钉，布置在道床板的中部；另一种是一个方向滑动一个方向限位的长圆孔 滑动销钉，主要布置在道床板的两端。 3 、根据求解的结果，对各种方案对性对比、优化，并对计算结果中出 现的最大受力销钉进行单独建模分析，探讨该销钉处于最大受力状态时， 与销钉接触的混凝土是否己被压溃。 学位论文作者签名 醐：溯7 靴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 随着我国经济的发展，现有铁路运能己渐渐不能满足国家发展需求。 尽管经过铁路行业的六次大提速后，这种局面已经有所缓解，但还没有从 根本上解决铁路运输紧张的局面尤其是客运。因此大力修建客运专线 迫在眉睫。客运专线最大的要求是时效性要强，而且要稳定和舒适。从国 外铁路的发展现状来看，实现铁路高速化的轨道型式有两种，一种是传统 的有砟轨道，另一种是比较新式的无砟轨道。从国外运营经验上看，这两 种型式的轨道都可以运行时速3 0 0 k m 的高速列车，但是有砟轨道的维修费 用高，高速运行时还会由于空气动力的作用使石砟飞溅起来，对行车及附 近建筑造成危害，另外碎石道床在列车荷载长期作用下，产生变形及道砟 的磨损和粉化。一般情况下，道床的维修工作量将占线路维修工作量的7 0 以上u 1 ，而高速铁路相对于普通既有线路而言，维修费用要增加2 倍， 道砟使用周期减少一半。显然，用传统有砟轨道结构较难满足对高速行车 的要求而无砟轨道因其轨道平顺性高，轨道几何形位能持久保持及维修工 作量少的特点得到众多国家的青睐。因此无砟轨道结构在客运专线的大量 铺设已成为世界各国高速铁路发展的趋势。目前世界高速铁路类型主要有 法国的有砟轨道，德国、日本的无砟轨道和磁悬浮铁路。由于我国的铁路 运输一直面临运力、运能十分紧张的局面，高速铁路作为路网的一部分， 运输与维修的矛盾依然存在，结合各方面经济技术型比较，我国高速铁路 将以采用少维修的无砟轨道结构形式为主。 在我国现阶段，高速铁路、客运专线、快速客货混跑铁路和城市轨道 交通等各种建设方兴未艾。由于环保要求和地形的限制，将不可避免地出 现把无缝道岔全部或部分设置在大桥、特大桥或高架桥上的情况。在桥上 铺设无砟轨道无缝道岔，综合了桥上无砟轨道、桥上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。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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。 1 2 桥上无砟轨道技术概况 根据无砟轨道结构型式的总体分类，客运专线桥上无砟轨道系统总体 上可分为现浇混凝土式( 带双块式轨枕或整体轨枕) 和预制板式两大类晗1 。 1 2 1 桥上现浇混凝土式无砟轨道 1 桥上c r t si 型双块式无砟轨道结构 桥上双块式无砟轨道结构设计须考虑桥梁与无砟轨道间的相互作用 产生的温度力、挠曲力、制动力以及道床板混凝土的徐变收缩。为降低因 温度变化和道床板收缩而产生的约束应力，在长桥上( 桥长大于2 5 m ) ，混 凝土道床板应分段设置，单段长度一般在4 0 1 0 m 之间，单元道床板间必 须设横向断缝( 断缝最小宽度为l o o m m ) 。 桥上双块式无砟轨道结构设计的主要技术要求如下： ( 1 ) 桥上无砟轨道设置在钢筋混凝土保护层上，保护层除了能够保护 桥面、密闭抗渗外，还能作为传力结构，将无砟轨道的水平力传到桥梁。出 于构造与受力要求，保护层最小厚度应为l l o m m 。 ( 2 ) 在混凝土保护层上形成与道床板能相互嵌入榫接的凸起块以传 递水平力。桥上双块式无砟轨道的传力途径是：荷载( 包括列车荷载、风 荷载、附加纵向力等) 通过双块式轨枕一混凝土道床板一凸台( 通过连接 钢筋与保护层相连) 一钢筋混凝土保护层( 通过防护墙预设锚筋与桥梁相 连) 一桥梁。 ( 3 ) 为使道床板能在日后的维修中抬起更换，在保护层上应设置隔离 层，使道床板与保护层可实现分离。 ( 4 ) 道床板上最外的钢轨支点至板端距离应大于或者等于2 4 5 m m ，但 不应超过2 7 5 m m ，以保证梁缝两侧钢轨支点间距不大于规定的距离6 5 0 m m 。 ( 5 ) 当列车制动、起动和上部结构温度变形造成的纵向力使钢轨附 加应力超出允许值时，要设置钢轨伸缩调节器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 6 ) 梁端伸缩缝两侧钢轨支点的竖向错位不应超过l m m 。必要时，支 座滑动面的坡度必须与轨道纵坡相匹配。 ( 7 ) 由于支座的构造间隙和温度变形( 固定支座到钢轨支点横向间 距内的温度变化) 造成粱端伸缩缝两侧钢轨支点的横向错位不应大于 】m i l l 。 c r t si 型双块式无砟轨道系统的技术经济分析： 由于系统主要为现浇钢筋混凝土结构，其现场混凝土浇筑量大，因此 施工速度慢。与板式轨道相比，其道床面为人工抹面外观质量相对要差， 但轨道建设成本相对较低。 从施工方法和工艺方面看，c r t si 型双块式无砟轨道采用预先组装轨 排、然后浇筑混凝土的“自上至下”施工方法，与不同类型的扣件结构( 分 开式、不分开式) 适应性强，但施工受环境条件影响较大，施工过程中应注 意及时松开扣件，避免温度变化引起轨排状态的变化和现浇混凝土与双块 式轨枕界面的开裂。 2 桥上c r t s l l 型双块式( 振动压入) 无砟轨道 c r t s i i 型双块式无砟轨道系统在路基、桥梁和隧道内的结构设计原理 与c r t si 型双块式无本质区别。其系统的主要特点是改变了传统的施工方 法，以提高现浇混凝土结构的施工效率。其在路基和桥梁上的断面如罔1 一l 所示： ：k 一i=：一二!二 j 山e t “i 一：一 = = = = ：= = = = = = = = ：= = = = = i二 型茎薹燮迹震霎窭窭：芝 峨j 堡堡生乜i 墨圭堡堡星【监堡b ! 堡生 图11 桥上c r t si i 型敢块式无砟轨道系统组成和结构高度? c r t s l i 型双块式无作轨道结构设计特点： 与c r t si 型双块式无砟轨道相比，c r t s l i 型取块式无砟轨道结构设计 具有如下主要特点： ( 1 ) 适应施工方法，双块式轨枕的混凝土支承块下方钢筋析架不外露 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 上下层析架间距较小。 ( 2 ) 无砟轨道的道床板限位采用底座端部设凹槽限位方式，桥面上混 凝土保护层厚度为1l o m m ；混凝土底座只在凹槽周围配置纵、横向箍筋及 与保护层的连接钢筋。 ( 3 ) 隔离层采用l d p e ( 聚脂薄膜) 。凹槽周围采用橡胶垫层材料，当 压应力小于5m p a 时，可采用不配筋的弹性垫层c r ( 聚氯脂橡胶) ；当压应 力小于1 5m p a 时，采用配筋的弹性垫层，即：多层橡胶( 聚氯脂弹性橡胶) 层及配钢筋网复合而成。 c r t si i 型双块式无砟轨道系统的技术经济分析： 与c r t si 型双块式无砟轨道相比，c r t si i 型双块式无砟轨道的施工 机械化程度高，施工进度较快；采用固定架组装成段轨排( 5 根轨枕) ，施 工时不需工具轨，施工受环境气候条件变化的影响小；轨枕采用振动方式 压入道床混凝土中，避免灌注过程中的双块式轨枕底部的振捣不密实。 相比而言，振动压入式的施工方法也存在一些不足，主要表现在其施 工设备规模大，施工的灵活性不强，一些区段( 如施工起止位置、岔区、梁 缝两侧的道床等) 仍需要采用轨排支撑架法施工。另外，由于每组施工标 准长度较短( 3 2 5 m ) ，通过支脚与横梁、横梁与固定架的逐次定位，分段 振动压入，影响线路高低平顺性、方向圆顺性的因素较多。 3 桥上长枕埋入式无砟轨道 秦沈客运专线沙河特大桥上，我国首次采用了预应力钢筋混凝土长枕 埋入式无碴轨道。无碴轨道主要由：钢筋混凝土底座、防水隔离层、钢筋 混凝土道床板、w c k 型预应力钢筋混凝土轨枕、6 0 k g m 钢轨及w j 一2 型扣 件组成，如图1 - 2 、图卜3 所示。 钢筋混凝底座为宽度3 1 0 0 m m 、厚度约2 5 0 r a m 、长度约4 0 0 0 m m 的现浇 c 4 0 级钢筋混凝土。道床板为宽度31 0 0 m m 、厚度3 0 0 m m 、长约4 0 0 0 m m 的现 浇c 4 0 级钢筋混凝土。道床板与底座之间，设厚度为1 2 m m 的t q f - i 型 防水卷材作为防水隔离层，与桥头路基相邻的一跨梁上，作为桥上无碴轨 道与桥头路基上有碴轨道的过渡段措施，在防水隔离层下设置1 2 m m 厚的 橡胶垫层。底座通过梁体预埋连接钢筋与梁体相连。道床板上设凸出方柱， 楔于底座两端1 0 0 0 7 0 0 1 3 0 m m 的凹槽内，对道床板的纵横向位移加以 限制，确保道床板的稳定性。底座凹槽的侧立面设置7 m m 厚的普通橡胶缓 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 冲垫层。 ( a ) 平面布置图 ( b ) 侧面布置图 ( c ) 横断面图 图1 2 秦沈线桥上长枕埋入式无碴轨道【3 】 一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 3 秦沈线桥上长枕埋人式无碴轨道实景9 j 122 桥上板式无砟轨道 1 桥上c r t si 型板式无砟轨道的技术经济分析 板式无砟轨道系统的设计、制造、施工和检测成套技术较为成熟，在 国内外均有运营考验，基本可实现标准化设计，设计通用性强( 相比于现 浇混凝土结构) ，采用可工厂化规模制造的预制轨道板，组装简便快捷， 其现浇混凝土施工量较少，施工费用较低，施工进度快，道床美观整洁；由 于轨道为层状可分离式结构，在特殊情况下，轨道系统的可修复性强。 但与现浇混凝土结构相比，型板式轨道结构含水泥乳化沥青砂浆、树 脂等多种类型的化工材料，其生产、施工和检验的专业性较强。由于采用 “自下至上”的施工方法，铺轨阶段的轨道精细调整工作量较大。另外，与 现浇混凝土结构相比，其轨道建设成本相对较高。 2 桥上c r t s i i 型板式无砟轨道 桥上c r t s 】i 型板式无砟轨道的设计方案：上部采用端部设凸台的预制 单元板替代桥上双块式无砟轨道的现浇混凝土道床板。轨道结构为与不分 开式扣件系统相匹配，根据线路平纵断面条件，带挡肩的预制轨道板在厂 内对承轨槽进行数控机床打磨处理，通过布板设计，铺设到指定地点。为了 保证线路横向稳定性，轨道板和下部基础( 底座板) 需进行刷毛处理，板下 调整层采用强度和弹性模量较高的水泥乳化沥青砂浆材料给轨道结构提 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 贞 供纵、横向抗力。具体布置方案如图i 一4 所示 图1 4 桥上c r t s i i 型板式轨道结构设计特点”1 预制轨道板和底座板在长桥上是跨过粱缝的连续结构，预制轨道板的 结构及外形尺寸不受桥跨、桥长的限制，与路基、隧道内的轨道板统一，轨 道板的制造和安装铺设相对既有方案简便。在桥梁与底座板间设置滑动层 以减小桥梁温度伸缩对无碴轨道的影响。底座板在每孔桥梁的固定支座上 方，通过在梁体预设锚固销和抗剪齿槽与梁体固结，将纵、横向力传递至桥 梁基础。纵向力的传递途径：荷载( 包括列车荷载、风荷载、附加纵向力 等) 通过预制轨道扳一水泥沥青砂浆层一底座板( 通过锚固销钉与粱体相 连) 一滑动层、锚固销钉、剪力齿槽一桥梁墩台、端刺。通过梁缝处约3l m 范围的粱面铺设5 0 m 厚硬泡沫塑料板，减小由粱端转角对无碴轨道结构的 影响。由于底座板与粱面为滑动状态，设置挡块对底座板进行横向和垂向 限位。粱面设置6 面排水坡，平整度3 m m 4 m ，表面喷涂防水层。 桥上c r t si i 型板式无砟轨道的技术经济分析： 通过底座与粱面问设置“两布一膜”滑动层，减小了桥梁对轨道结构 的影响，改善了钢轨的受力状态在大跨桥上可避免钢轨伸缩调节器的设 置。相比于现浇混凝土结构，采用可工厂化规模制造的预制轨道板，通过对 轨道板承轨台部位的高精度打磨制造精度高，与高精度施工铺设相配合， 轨道板铺设完成后的轨道状态后期调整工作量较少，施工进度快，道床整 洁美观。由于无砟轨道系统设计与桥梁及下部基础密切相关，针对不同的 长大桥梁工况，需要作特殊设计，包括常规端刺、临时端刺以及底座板与桥 梁的连接设计等。该系统中的混凝土底座板为主要承载结构，内部存在较 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 大轴向应力，特殊情况下的轨道修复技术需要深入研究。 1 3 桥上无缝道岔技术概况 1 3 1 桥上无缝道岔的技术特点 桥上铺设无缝道岔，综合了桥上无缝线路、无缝道岔的技术特点和难 点，是迄今为止无缝线路方面难度最大的课题。虽然国内外都对桥上无缝 线路、无缝道岔做了较多的研究，但都是对二者独立地进行研究。到目前 为止，国内外都没有对在桥上铺设无缝道岔进行过较为系统的研究，也缺 少在桥上铺设无缝道岔的应用经验。 桥上铺设无缝道岔后，除了桥梁与无缝道岔间的纵向相互作用规律会 影响桥梁结构型式、支座布置等设计，同时还会影响无缝道岔的结构设计、 道岔与桥梁的相对布置( 即车站咽喉设计) 外，桥梁与无缝道岔间还存在 竖向动力耦合作用。由于道岔本身是列车限速的关键设备，存在着较大的 结构不平顺，车岔桥的耦合作用无疑会增大岔区内轮轨动力响应，严重情 况下还有可能引起尖轨及心轨强度储备不足、列车运行平稳性与安全性降 低，引起列车直侧向过岔时限速，这就要求桥梁结构的型式、岔桥相对位 置等设计中还得考虑车岔桥的竖向耦合振动的影响，否则研究桥梁与无缝 道岔间的纵向相互作用规律的前提条件是不适宜的。 通常车站咽喉处道岔是成群布置的，可能会出现多股道及多组道岔同 时位于桥梁上，此时桥面较宽，从保证道岔侧股不发生扭曲变形及桥梁墩 台不发生扭曲变形的角度考虑，多股道桥面应为一个整体。当桥面较宽时， 其横向变形同样会引起道岔直侧股线型的变化，继而影响车岔桥的耦合振 动，因此还需研究桥梁结构及支座布置对道岔横向变形的影响。同时因道 岔导曲线半径较小，其纵向力的横向分力还会通过支座传递至墩台上。 可见，桥梁与无缝道岔的相互作用规律不能仅仅只考虑两者间的纵向 耦合作用，还得考虑两者间的竖向及横向相互作用规律，是一个复杂的系 统研究，其难度涉及了桥上无缝线路、无缝道岔、道岔动力学、车线桥耦 合动力学等前沿性研究，而且是这些前沿性课题的综合研究，是客运专线 建设中的十分重要的关键性技术难题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3 2 岔一桥一墩一体化纵向相互作用计算原理 桥上无缝道岔与桥上无缝线路有很大的差别。从线路结构看，桥上无 缝线路的线路形式比较单一，在全桥范围内，每跨梁上的线路情况均相同， 而桥上无缝道岔则不同，由于道岔结构的复杂性，每一跨梁上的线路情况 均不相同，因此在计算时必须考虑道岔和梁的相互位置关系。 从计算理论上看，桥上无缝线路均布置在无缝线路固定区，其伸缩力 是由于桥梁的伸缩引起的，与钢轨的温度变化幅度无关。而桥上无缝道岔 则不同，由于道岔结构存在伸缩区，即使桥梁不伸缩，钢轨的温度变化也 会引起道岔和桥梁的相互作用。因此，在计算桥上无缝道岔纵向力时，应 根据实际的钢轨温度变化幅度进行计算。 为了研究桥上无缝道岔的受力和变形情况，西南交通大学的王平、陈 小平等，从整个线桥系统出发，基于非线性有限单元法建立了岔一桥一墩一 体化模型，如图1 - 5 所示，并考虑了影响纵向力分布的两个重要因素：线 路纵向阻力及桥梁下部结构的纵向水平刚度【1 5 】。 厂厂n厂 n n 广n厂n n厂n n 叶 【 vu 盯1 7 抖 一 岔枕限位器 图1 5 ( a ) 桥上无缝道岔模型平面图 图卜5 ( b ) 桥上无缝道岔模型立面图1 在该模型中，道岔里轨发生伸缩位移后，带动岔枕纵向移动和偏转， 一部分作用力通过扣件传递给基本轨，一部分作用力通过岔枕传给道床再 传递给桥梁。桥梁因伸缩或挠曲在梁面上产生纵向位移，墩台因道岔上传 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 下来的力在墩顶产生纵向位移，并带动桥梁产生纵向位移。同时，梁的位 移通过道床传到道岔上，会导致钢轨中的纵向力重新分布，进而再影响桥 梁的受力与变形。可见，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，只有建立一体化模型，才能弄清道岔及桥梁的受力变形 规律。该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、连续梁或其它梁型。为 消除边界影响，桥台两端考虑一定长度的一般路基轨道。 1 4 本文研究方法和研究内容 1 4 1 研究方法 利用基于a n s y s 二次开发技术编制的梁轨相互作用非线性有限元程序 q s z l b d c e x e ，完成有限元方法下的建模、荷载的施加、方程的求解。 根据求解的结果，对各种方案进行对比、优化，并对计算结果中出 现的最大受力销钉进行单独建模分析，探讨该销钉处于最大受力状态时， 与销钉接触的混凝土是否已被压溃。 1 4 2 研究内容 本文所要解决的关键问题包括：钢轨与道床板相互作用关系、道床板 与底座板相互作用关系、底座板与桥梁纵向相互作用关系。 道岔板的限位分为两个方面：纵向限位和横向限位。本文就对这两个 方面为切入点来分别进行研究： 1 纵向限位方案： 方案一是在道岔板的中部设三个纵向限位凸台，在道岔板中部至两 端各设一个横向限位凸台来进行限位。方案二是采用销钉来进行限位， 这种限位方案也是本文的重点所在。所用的销钉有两种：一种是纵横向 均可限位的固定销钉，布置在道床板的中部；另一种是一个方向滑动一 个方向限位的长圆孔滑动销钉，主要布置在道床板的两端。 2 横向限位方案： 方案一是在道床板中部采用横向限位螺栓，道床板两侧设置纵向可伸 缩、横向限位锚固螺栓；方案二是在道床板中部采用四向限位的螺栓，道 床板两侧设置限位挡块，以限制道床板横向位移。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 销钉与混凝土的接触分析 选取单根受力最大的销钉作为研究对象，在有限元工具a n s y s 的环境 里单独建模，探讨与受力最大销钉接触的混凝土是否被压溃。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章工程概况和计算方法 2 1 工程概况 本文以郑西客运专线上的新渭南高架车站为工程对象，进行理论联系 实践的相关研究。新渭南高架车站的正线为双线无砟轨道，站内设两股有 砟到发线，咽喉区和站外单渡线均采用法国科吉富1 8 号可动心轨辙叉单 开道岔，如图2 - 1 所示。左渡线、左咽喉、右咽喉、右渡线依次铺设在 3 2 7 m + 3 4 8 m + 3 2 7 m 连续梁、2 9 7 7 m + 4 8 m + 3 0 7 m 连续梁、 3 0 2 m + 4 8 m + 5 6 m + 4 8 m + 3 0 2 m 连续梁、3 0 7 m + 4 8 m + 3 3 0 3 m 连续梁上。 r - 一 新渭南站 图2 - 1 新渭南高架车站站线布置示意图 2 1 1 计算参数 1 道岔几何尺寸 道岔采用科吉富1 8 号可动心轨辙叉单开道岔，直向通过速度直向过 岔速度为3 5 0 k m h ，侧向通过速度8 0 k m h 。道岔采用多机多点转辙方式， 具体的转辙机位置及布置见道岔图纸。 2 钢轨材料特性 法国科吉富1 8 号可动心轨辙叉单开道岔采用国产6 0 k g m 钢轨，钢轨 材料特性见表2 - 1 。 表2 - 1 钢轨材料特性表 型号截面面积弹性模量热膨胀系数 泊松比 6 0 k g m 7 7 4 5c m 2 1 1 1 0 儿n m 21 1 8 l o 。0 3 3 扣件 桥上道岔区使用w 3 0 0 系扣件，非道岔区使用w j 一8 b 型扣件，两者参 数相同。扣件阻力参数按双线性计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 根据w j 一8 b 型扣件技术说明，一般地段每组扣件钢轨纵向阻力大于 9 k n ，小阻力地段每组扣件钢轨纵向阻力约为4 k n 。换算至每股钢轨每延米 的纵向阻力为：无载条件下，常阻力地段：钢轨纵向阻力为 9 0 6 5 4 = 1 3 8 k n 米轨( 区间轨枕支承间距为0 6 5 4 m ) 。根据我国新建 铁路桥上无缝线路设计暂行规定的规定：混凝土梁无砟轨道线路纵向阻 力系数，有载时取0 7 5 ，无载时取1 1 5 ，换算有载条件下，常阻力地段： 钢轨纵向阻力为2 1 2 k n 米轨。 4 列车荷载 列车荷载计算采用z k 荷载，列车长度取3 0 0 m 。制( 启) 动力大小以 列车荷载与轨面摩擦系数之积表示，摩擦系数取0 2 5 ，制动力长度取3 0 0 m ， 启动力长度取3 0 m 。 5 间隔铁 法国科吉富1 8 号可动心轨辙叉单开道岔采用无限位器、无间隔铁的 转辙器跟端结构；心轨跟端布置一个小间隔铁接两个大间隔铁，小间隔铁 采用两根等级1 0 9 ，直径2 4 r a m ，扭矩6 0 0 n m 的抗剪螺栓，大间隔铁则 为四根。间隔铁阻力为代数式阻力口5 1 ： r = 4 0 4 8 8 + 5 8 e 4 y 一7 9 2 6 e 8 y 2 + 3 9 7 5 e 8 y 3 + 1 0 1 5 e ll y 4 7 7 0 2 e 1 2 y 5 式中，r 为间隔铁阻力，y 为间隔铁位移。 2 1 2 钢轨温度变化参数 所在地区最高轨温为6 2 2 。c ，最低轨温为- 1 6 7 。c ，中间温度为2 3 ， 高架线及地面线设计锁定轨温范围拟采用：2 3 5 。c ( 按中间轨温考虑) 。 依据以上条件，计算得钢轨最大轨温变化幅度为4 5 。考虑无缝道岔 的锁定轨温应较区间锁定轨温低39 c ，取钢轨最大轨温变化幅度4 8 ，作 为最不利的情况进行检算。 2 1 3 桥梁参数 1 桥梁与道岔的相对位置 桥梁与道岔的相对位置依据提供的站场布置图确定( 图中墩台中心准 确里程见支座布置图) 。 2 桥墩里程及支座布置形式 桥墩里程及支座布置见支座布置图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表。 3 桥墩刚度 模型中各桥墩刚度均采用实际值。连续梁桥墩纵向和横向刚度见下 表2 - 2 桥墩纵横向刚度表 桥墩横向刚 桥墩纵向刚度 梁型 墩号度 ( k n c m ) ( k n e m ) 1 43 8 3 95 3 6 4 3 3 7 m + 4 8 m + 3 3 0 3 m 1 3 4 8 6 6 6 3 5 1 连续梁( 右咽喉单开道岔)1 24 4 3 76 1 5 3 1l1 3 6 12 1 4 2 818 0 42 0 7 8 7 4 8 0 15 0 1 2 3 0 。2 m + 4 8 m + 5 6 m + 4 8 m + 3 0 2 m 6 4 0 4 0 4 3 0 2 连续梁( 右单渡线)55 7 4 47 0 1 4 43 7 5 04 2 0 2 31 4 7 5 1 7 7 8 4 71 7 8 83 0 2 5 4 64 5 5 25 1 2 4 3 2 7 m + 3 4 8 m + 3 2 7 m 4 56 7 4 88 0 5 8 连续梁( 左单渡线)4 44 5 5 85 1 2 4 4 34 4 5 65 1 2 4 4 21 8 1 63 0 2 5 4 0l5 5 8 3 4 8 0 2 9 7 7 m + 4 8 m + 3 0 7 m 3 94 4 3 75 4 4 5 连续梁( 左咽喉单开道岔)3 84 8 6 66 6 6 4 3 73 5 8 35 3 6 4 2 1 4 岔区无砟轨道结构 1 结构组成 道岔区无砟轨道采用长枕埋入式无砟轨道，由钢轨、扣件( 与道岔配 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 套的扣件) 、岔枕、道床板、底座和桥面混凝土保护层组成。如图2 - 2 所 示。图中的横向限位凸台表示限制轨道板与底座板横向位移的凸型挡台， 其横向尺寸小于纵向尺寸。 图2 - 2 道岔区无砟轨道横截面示意图【3 卅 2 道床板 道床板采用分块式结构，在底座上现场浇筑。相邻两块混凝土道床板 之间设置宽度l o c m 的伸缩缝。道床板混凝土强度等级c 4 0 ，钢筋采用 h r b 3 3 5 级热轧带肋钢筋。道床板表面设置横向排水坡。 区间道床板长6 5 4 m ，宽2 8 m ，高0 2 6 m 。 单渡线区双线道岔板根据长度分为6 块道岔板，2 块单渡线a 型板， 板长1 9 8 5 m ；2 块单渡线b 型板，板长2 5 5 9 7 m ；2 块单渡线c 型板，板 长2 8 2 4 7 m ；道岔板高0 3 m 。 咽喉区单开道岔板根据长度分为4 块道岔板，依次为长1 块2 2 7 5 m 的a 型板、1 块长2 5 5 0 的b 型板m 、1 块长1 9 2 1 5 m 的c 型板、1 块长2 1 1 5 m 的d 型板。道岔板高0 3 m 。 3 底座板 底座板之间与道床板对应设置伸缩缝，在抗剪凸台处设置相应的凹 槽。道