（道路与铁道工程专业论文）桥上无缝道岔无碴轨道基础选型研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文较为系统地总结了国内外道岔研究现状，对国外高速道岔的的设计 理念作了论述。同时指出我国对高速道岔的研究还远远落后于国外先进水平， 桥上无缝道岔无碴轨道的研究还没有起步，但是迫在眉睫。 简单介绍了桥梁和轨道板之间采用凸台和“门”型钢筋连接的两种典型 的桥上无碴道岔型式( 德国r h e d a 2 0 0 0 型桥上无碴道岔、国内城市轨道交 通用桥上无碴道岔) 的结构特点，对二者的系统组成和各部分的设计技术要 求进行了对比。 利用有限元分析软件a n s y s 建立了“轨一板一桥一墩”一体化的桥上 无缝道岔无碴轨道纵向力计算模型。在该计算模型中，钢轨简化为杆单元； 道床板和桥梁板简化为壳单元；扣件、凸台、“门”型筋和桥墩均简化为弹簧 单元该模型可以分析纵向力作用下，各部件的纵向力、纵向位移和应力 本文还针对计算模型进行了参数分析。 利用所建立的分析模型，对比分析了两种形式的桥上无碴道岔受力和位 移，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、道岔尖轨和心轨位移、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。通过分析表明，采用凸台型基础优于“门” 型筋基础。在此基础上，本文还分析了各种参数对“凸台型桥上无碴道岔” 的影响，包括扣件阻力、凸台刚度、墩台刚度以及不同支座布置形式等，并 得出了一些结论和建议。 关键词：桥上无缝道岔，无碴轨道，凸台，“门”型钢筋 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t m p a p e rs y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e sc n l t e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h e d o m e s t i ca n df o r e i g nr a i l w a yt n i n o n t o n e sa n dd i s a 髓；e st h eo v e l g c a sh i g h - s p e e d r a i l w a yt u m o u t o nd e s i g nn o t i o n s i tm a k e so u tt h a t t h eh i g h s p e e dr a i l w a y t u m o u t o nl e v e ro ft h ed o m e s t i ca b s o l u t e l yf a l l sb e h i n dt h ea d v a n c e dl e v e ro ft h e f o r e i g n w h i l et h er e s e a r c ht ot h ec o n t i n o u sw e l d e dt u r n o u t o no nb a l l a s t l e s s b r i d g ed o c s n ts t a r t b u ti ts t a r e sl l si nt h ef a c e i ts i m p l es e n t e n c et h et w ot y p i c a lb r i d g eb a l l a s t l e s st r a c kt y p e sb yu s i n gc a m a n dd o o r - s t y l er e i n f o r c e m e n tb a r sj o i n tb e t w e e nt h eb r i d g ea n dt r a c ks l a b s ( t h e c o n t i n o u sw e l d e dt i t m o u t o n0 1 1b a l l a s t l e s sb r i d g eo ft h eg e r m a n yr h e d a 2 0 0 0 a n dt h ed o m e s t i cu r b a nr a i l w a yt r a c kt r a f f i 曲i tc o m p a r e st h ec o m p o s i t i o n so ft h e s y s t e ma n dt h ed e s i g nt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sw i t ht h e m i tb u i l d st h e i n t e g r a t i o n o ft r a c k - s l a b - b r i d g e - p i e r i _ o n g i t u d i n a l f o r c e c a l c u l a t i o nm o d e lo fs e a m l e s st u m o u to nb r i d g eo fb a l l a s t l e s st r a c kb va n s y s i nc a l c u l a t i o nm o d e l ，s t e e lr a i l i ss i m p l i f i e dt ob a re l e m e n t s ；b a l l a s tb e ds l a bi s s h e l le l e m e n t s ；f a s t e n e r , c 锄d o o r - s t y l er e i n f o r c e m e n tb a ra n dp i e ra r es p r i n g e l e m e n t s i tc a l l a n a l y z ei o n g i t u d i u a lf o t e e s , i o n 西t u d i n a ld i s p l a c e m e n t sa n d s t r e s s e so fe a c hr a i l w a yt r a c kc o m p o n e n tp a r tu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o n g i t u d i n a l f o r c e s 皿cp a p e ra l s oc a r r i e do nt h ep a r a m e t e ra n a l y s i si nv i e wo ft h ec o m p u t a t i o nm o d e l t h ep a p e rm a k e su s eo ft h eb u i l d e da n a l y s i sm o d e lt oa n a l y z et h ef o r c ea n d d i s p l a c e m e n to ft w ot y p e sb r i d g eb a l l a s f l e s st r a c kb yc o n t r a s t w h i c hm a i n l y c o m p r i s e sl 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 fs t o c kr a i l s , f o r c eo ft h e p 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 ea n dp o i n tr a i l ，sd i s p l a c e m e n t ，i o n g i t u d i n a l f o r c ea n dd i s p l a c c m e n t so fp i e r , t h es t r e s s e sa n dd i s p l a c e m e n t st ot r a c ks l a ba n d b r i d g e a n dt h ec 锄a n dd o o r - s t y l er e i n f o r e e m e n tb a r sf o r c e su n d e rt h ec o n d i t i o n o ft e m p e r a t u r ef o r c e b ya n a l y s i s ，i tc o n c l u d e st h eg a l nb a s c m e n ti sb e t t e rt h a n d o o r - s t y l er e i n f o r c e m e n tb a rb a s e m e n t b a s e do ni t ，t h ep a p e ra l s oa n a l y z e st h e i n f l u e n c eb e c a u s eo ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r st ot h ec a mb r i d g eb a l l a s t l e s s r a i l w a yt u m o u t o n , i n c l u d i n gf a s t e n e rr e s i s t a n c ep r e s s u r e ，c a mr i g i d n e s s ，p i e r r i g i d n e s s , d i f f e r e n ts u p p o r t sa r r a n g c m e n tt y p e sa n ds oo n , a n de d u c e ss o m e c o n c l u s i o na n da d v i c e s 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 t0 1 1 b r i d g e ，b a l l a s t l e s st r a c k , c a m ， d o o r - s t y l er e i n f o r c e m e n tb a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 引言 中国铁路跨越式发展思路为中国铁路未来描绘了宏伟蓝图，同时也给 铁路建设者带来了许多新的课题和挑战。运能紧张的繁忙干线修建四线或 多线，实现客货分线运输。在大中城市间发展客运专线，在人口稠密地区 发展城际铁路，加快形成覆盖我国主要城市的快速客运网。扩大西部铁路 规模，完善中东部铁路网结构。加强既有线提速、扩能和电气化改造。在 高速铁路、客运专线和城市轨道交通大量兴建的背景下，作为铁路基础设 施的一个组成部分铁路道岔也随之进入到整体技术发展的一个崭新阶 段，同时也面临许多急需解决的问题。 道岔是铁路轨道连接的重要设备，它直接关系到铁路运输的效率和行 车安全，其功能是承受、传递由铁道车辆运行引起的各种荷载和引导车辆 由一股轨线顺利进入另一股轨线。无缝道岔是指道岔钢轨接头的焊接或胶 接以及道岔与其两端钢轨的焊接。我国铁路自1 9 9 3 年开始铺设跨区间无缝 线路，同时也开始了无缝道岔的铺设。我国铁路干线自1 9 9 6 开始的全面提 速，进一步推动了跨区问无缝线路和无缝道岔的发展。无缝道岔在温度力 作用下的受力与变形规律，是无缝道岔设计、施工和维修管理的理论基础， 是一个十分重要的课题。 客运专线和高速铁路的建设为道岔技术的发展开辟了广阔的前景。我 国铁路道岔与各工业发达国家相比，存在的差距是明显的。随着高速铁路 的相继开工建设，对高速道岔的需求激增。虽然在秦沈客运专线道岔和遂 渝无碴道岔研制过程中，开展了部分理论研究，但其研究成果已不能完整 地指导目前的高速道岔设计。因此，我们必须按照“先进、成熟、经济、 实用、可靠”的技术方针，引进先进技术，联合设计制造，打造中国品牌， 实现我国铁路道岔整体技术的跨越式发展。 客运专线和高速铁路道岔多采用单开道岔，单开道岔的转辙器是引导 机车车辆沿主线方向或侧线方向行驶的线路设备，由两根基本轨、两根尖 轨、各种联结零件及道岔转换设备组成。近年来，随着无碴轨道在我国铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 路建设中的普遍推广，为了减少基础沉降给无碴轨道带来的养护维修方面 的诸多问题，大量采用以桥带路的方式，武广客运专线和京沪高速铁路等 在建和即将兴建的铁路桥涵的比例都超过了6 0 与此同时，也带来了一 个不可回避的问题，需要在桥上铺设大量高速无碴轨道无缝道岔。 桥上无缝道岔无碴轨道主要在德国有比较成熟的应用，在我国还没有 应用的实例，这是在城市轨道交通中铺设过桥上无碴道岔，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 在以往的铁路工程设计中，总是避免在桥上设置道岔。但是，随着无 碴轨道结构形式普遍应用于我国高速铁路和客运专线的建设，在高架车站 的咽喉喇叭口地区、桥上渡线以及高架线路的铁路交叉点等地不可避免的 将铺设大量的桥上无碴道岔。德国r h e d a ( 雷达) 2 0 0 0 型高速道岔和台 湾高速铁路道岔，道岔板和桥梁之间的连接采用设置纵横向凸台的形式， 允许道岔板和桥梁之间有部分相对位移，而国内城市轨道交通项目如广州 地铁，上海地铁等桥上道岔则是采用。门”型钢筋的连接方式，将道岔板 和桥梁完全固结这两种不同的基础连接方式各有优缺点，分析哪种基础 形式更适合使用在我国的高速铁路建设中非常必要，也非常紧迫。 1 2 国内外道岔研究现状 1 2 1 国外道岔研究现状 日本、法国、德国等国家的道岔技术在世界范围内处于领先地位，他 们很早就开始了道岔技术的研究，并且应用于各国的铁路建设中。这些国 家的道岔设计理念和采用的轨道结构形式不完全相同，各有特点。 日本最早于1 9 6 4 年前后开始研制高速1 8 号道岔，1 9 9 0 年研制3 8 号道 岔( 历时6 年) ，其直向试验速度和侧向试验速度分别为2 4 0 k m h 和1 8 0 k m h ， 目前两种道岔均进行了较大的技术改进。在日本，为了减少养护维修工作 量，早在1 9 6 5 年就开始了道岔区无碴轨道的试验研究，主要采用板式无碴 轨道，在新干线上推广应用，时速在2 0 0 k i n 以上。早在昭和4 4 年就已经在 日野土木实验所进行了板式轨道1 2 号道岔的铺设试验，之后在窄轨线路和 新干线上进行了包括1 2 号和1 8 号在内的多组无碴道岔的铺设试验，经多 年的运营确认了道岔区采用无碴轨道型式的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 法国于1 9 7 5 年开始高速道岔的设计和制造，1 9 8 1 年设计和制造了第一 代木岔枕高速道岔的线型( 4 6 号和6 5 号，圆曲线加单肢三次抛物线) ，实 现直向2 7 0 k m h 的旅行速度。第二代道岔的改进主要是采用混凝土岔枕， 1 9 9 0 年创造了5 0 1 k m h 直向过岔的世界纪录。目前法铁在巴黎至马赛的线 路上普遍应用的是第三代道岔。直向行车速度达到3 0 0 k m h 。第四代道岔主 要是在第三代的基础上采用了n i c r 减磨镀层和可调滚轮，并计划推广应用 至速度3 3 0 k m h 以上的新线上。到目前为止，在世界各国应用的科吉富公 司( c o g i f e r ) 的高速道岔大约有1 0 0 0 组。法国高速道岔经过了上万次的试 验，虽然最高试验速度达到5 0 1 k m h ，但综合各方面因素确定了目前的经济 运营速度为3 0 0 k m h 。当然，随着线路和车辆条件的改善，也计划将第四代 道岔的直向速度提高至3 3 0 k m h 以上 德国b w g 公司是专业生产道岔的公司，其产品除本国使用外，还大量 出口至西班牙、荷兰、中国台湾等国家和地区。该公司每年可以生产2 5 0 0 组道岔，并拥有1 0 0 多项专利。德国8 0 年代中期研制的高速道岔采用复合 圆曲线组合线型，有碴道床随着使用经验的积累，以及研究、试验和道 岔动力仿真分析的深入发展，从最初发现锁闭装置有问题后发展了滚轮的 图1 1 德国b w g 桥上无碴道岔 减磨措施，同时固定心轨跟端，零部件也不断更新。由于发现采用大半径 + 小半径的复合圆曲线方案尖轨磨耗严重，从1 9 9 6 年开始，逐步采用了缓 圆缓的线型方案。初期未采用高弹性垫板的有碴道床的道岔道碴粉化，经 常进行捣固，在5 年内更换了道碴，鉴于此研究开发了技术含量非常高的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 高弹性橡胶垫板系统。高弹垫板适应于有碴道床或无碴道床，但从整个系 统考虑，德方推荐采用整体道床，以满足3 0 年不会有大的维修改造量。德 铁采用的整体道床道岔，运营1 5 年除打磨维修外，几乎没有其它的养护维 修作业因此b w g 公司道岔的发展方向就是不断完善整体道床道岔的技 术，这一技术在世界上也是最先进的，为西班牙设计的高速道岔据介绍能 满足3 5 0 k m h 的行车条件。 1 2 2 我国道岔研究现状 我国无碴道岔研究较国外发达国家有很大的差距，仅在城市地铁和轻 轨中有较多应用。2 0 0 6 年1 2 月，由中国铁路工程总公司所属的中铁山桥集 团有限公司研制国内首组土质路基无碴轨道高速道岔已成功通过了铁道部 专家组鉴定验收并在遂渝线试验段铺设，并于2 0 0 7 年1 月顺利通过动车试 验，试验速度达到2 3 0 k m h ，这标志着我国高速无碴道岔研制进入实质性阶 段，如图1 2 所示。 图1 2 遂渝铁路无碴道岔 遂渝铁路是中国西部首条高速铁路，西起既有的达成铁路遂宁站，东 至襄渝铁路的北碚站，接入重庆铁路枢纽。遂渝引入重庆枢纽无碴轨道综 合试验段是我国首条无碴轨道综合试验段，该试验段全长1 2 6 5 k m ，位于该 试验段的蔡家车站一共铺设了4 组遂渝1 2 号道岔、2 组遂渝1 8 号道岔和2 组客专1 8 号道岔，均按2 0 0 k i n 时速6 0 k g m 可动心轨辙叉单开道岔进行设 计，岔区铺设轨枕埋入式无碴轨道。采用c 4 0 钢筋混凝土道床，道床内上、 下层纵向钢筋与横向钢筋、轨枕桁架钢筋交叉处及纵向钢筋搭接处设置绝 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 缘套管；轨下部位道床厚度为3 8 7 m m ，道岔区道床分作3 个大单元。单元 之间横向伸缩缝：伸缩缝宽2 0 r a m ，伸缩缝根据岔枕铺设情况分别垂直于直 股和侧股的线路中心线布置，伸缩缝用沥青木板填充，并用沥青油膏封面。 每部分道床每隔4 6 m 设置横向伸缩假缝，缝深7 5 m m ，宽8 m m ，用聚氨 酯填充，并用沥青浊青封面，其平面布置如图1 3 所示。混凝土基础为c 2 5 钢筋混凝土，岔区基础每隔3 0 m 左右设置横向伸缩缝，缝深1 0 0 m m ，宽8 m m , 用聚氨酯填充，伸缩缝与道床伸缩缝错开设置，且伸缩缝处基础板上层钢 筋断开。道岔前后轨道刚度过渡段，在1 6 孔轨枕间距中采用改变橡胶垫板 刚度的措施完成过渡，其扣件竖向刚度取为5 0 m n m ，道岔前后过渡段用 “门”型钢筋连接道床与c 2 5 混凝土基础，“门”型连接钢筋对应于轨下 设置，每排设置4 根，纵向间距6 2 5 姗，道岔断面如图1 4 所示。 图1 3 分块式无碴道岔道床板布置示意图 图1 4 遂渝无碴道岔横断面图 1 3 国外高速道岔设计理念 1 系统化设计 法、德高速道岔设计和制造分别由c o g i f e r 公司和b w g 公司独立承担， 日本是由构造物设计事务所设计，道岔工厂完成制造。法国与德国两个代 表高速道岔最高技术水平的国家均十分重视和强调，应以系统论的观念来 进行高速道岔的设计，主要表现在以下几个方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 1 ) 电务与工务是两个相互影响的一体化系统； ( 2 ) 将道岔视作高精密的机械设备而不是简单粗糙的工程结构物； ( 3 ) 将岔枕的设计与制造视作与钢轨件同等重要，将其制造误差标准大 幅度提高； ( 4 ) 道岔监控系统及融雪设各是工务及电务系统能否正常工作的可靠保 证，也是高速列车在道岔中能否安全运行的根本保证，还是指导工务及电 务系统是否进行养护维修的依据； ( 5 ) 在道岔前后过渡段的处理措施上、道岔零部件的使用寿命设计上， 均要站在高速铁路轨道结构的整体性与一致性上来进行。 2 高速道岔应具有与区间线路相同的行车舒适性 在保证高速行车安全性的前提下，高速道岔设计均十分重视旅客列车 在道岔中的舒适性，使之能尽量与区间线路相同。 ( 1 ) 平面线型 除日本采用复合圆曲线设计3 8 号道岔外，德国和法国都在高速道岔设 计中采用了缓和曲线，与圆曲线相比，随着曲率半径增大降低了未被平衡 的离心加速度及其增量，有利于提高旅行舒适度。德国高速道岔采用与 f a k o p 技术相结合的缓圆缓线型，改善了列车逆向进岔的动力学响应，进 一步提高了行车的舒适性。 国结构设计 在结构上，法国和德国的尖轨设计均采用全切线线型。 法国从理论和试验上研究了轨底坡的量值以获得最优的等效锥度，旨 在减缓列车蛇行运动与摇摆。此外法国还通过优化尖轨降低值以提高列车 运行平稳性。 德国研究在尖轨尖端附近将轨距扩大1 5 m m 的技术( f a k o p ) ，减缓 列车的蛇行运动。采用了高弹性的硫化橡胶基板，大大降低车体的竖向振 动加速度。 3 高速道岔应具有可靠的安全性 道岔是轨道结构中的薄弱环节，安全性相对较低，但三个国家的高速 铁路从未在高速道岔中发生一起脱轨事故，这与高速道岔设计中采用了多 项安全保证措施有关。 ( 1 ) 高速道岔的试验检算速度应是按直向设计速度增加1 0 ，以保证道 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 岔在设计速度( 运营速度) 时的绝对安全。 ( 2 ) 可靠的锁闭、密贴检查设备 除日本采用内锁闭系统外，德法两国均采用外锁闭系统，同时三国在 尖轨及心轨牵引点间设置密贴检查器。 ( 3 ) 厶理的无缝道岔技术 日本在车站咽喉区两端设置伸缩调节器，而德法是在道岔结构通过心 轨跟端结构加强、扣件扣压力保证、设置限位器( 德国) 等措施限制尖轨 及心轨伸缩位移；转换系统的锁闭机构能在锁闭及解锁状态下允许尖轨及 心轨有一定范围的自由伸缩 ( 4 ) 可动部分等薄弱环节的强度保证 除日本3 8 号道岔尖轨采用焊接外，德法两国为了安全，长大尖轨均不 焊接，防止因焊接质量而导致尖轨折断等潜在问题出现；尖轨制造过程中 不允许发生扭曲，避免在尖轨中产生过大的残余应力。 4 高速道岔应具有高平顺性及低维修工作量 无论从列车安全还是从降低养护维修工作量角度看，高平顺性一直是 贯穿于高速道岔设计、制造、组装、运输、铺设、养护等各个环节中的最 为重要的指导思想。 5 完善的道岔动力学计算及试验 德法除在线型、轨距扩大技术等模拟方面采用了仿真软件外，在道岔 结构设计、刚度设计和转换计算方面均采用了准静态轨道强度计算理论或 有限元结构分析程序。部件性能和道岔整体动力性能都分别在室内和现场 进行了大量的试验，道岔性能也是通过试验反馈和现场应用经验的不断完 善、成熟起来的。 6 高速道岔是精密的机械设备 德法日三国普遍认为高速道岔是精密的机械设备，而不是简单粗糙的 工程结构物，认为道岔部件间的精密配合是保证高速道岔具有高平顺性和 良好工作状态的关键技术之一，各部件的制造允许误差与装配误差无论是 设计、制造、运输和铺设各个环节均提出了比我国道岔更高的技术标准。 与工业发达国家相比，我国铁路道岔存在的差距是明显的：首先，我 国铁路道岔系统的基础理论研究工作十分薄弱，至今未能建立完整的道岔 理论体系，因此在设计工作中基本还是以“几何+ 经验”的静态模式为主 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 要手段，不免存在片面性；关键部件加工工艺落后，特别是把每个部件作 为道岔系统的一部分以及对整体结构应发挥的作用研究深度不够，无论是 工艺还是精度都满足不了运输的需要；道岔研究、设计、制造、标准各成 体系，力量分散，在市场经济的条件下显得群龙无首；道岔管理上的松散 性极大地限制了道岔技术的发展，工务、电务没有形成互相激励、共同推 进的机制；客运专线道岔存在问题不少，大号码高速道岔基本空白，已成 为客运专线建设中的制约因素之一 1 4 论文研究工作 1 4 1 研究意义 桥上无缝道岔无碴轨道是在高速铁路，城市轨道交通、山区铁路上铺 设跨区间无缝线路不可避免的技术难题。目前我国桥上铺设无碴道岔还处 于理论研究阶段，台湾高速铁路虽有一组单开道岔铺设于桥梁上，但运营 时间较短，全部采用德国技术。 在以往的铁路建设中都尽量避免将道岔放在桥上，但是随着高速铁路 和城市轨道交通建设的需要，必须铺设桥上无缝道岔。在桥上无缝道岔无 碴轨道设计中，道岔板和桥梁之间需要进行连接，防止轨道板和桥梁之间 发生过大的相对滑动，德国r h e d a2 0 0 0 无碴轨道和台湾高速铁路在道岔 尖轨和辙叉区通过设置凸台将轨道板和桥梁保护层进行连接；而在许多地 铁系统中则是通过“门”型钢筋进行连接。这两种不同的连接形式，对道 岔和桥梁的受力情况有何不同，如何确定一种最优的桥上无缝道岔无碴轨 道基础形式，急切需要研究。 1 4 2 主要研究内容 针对目前在桥上无缝道岔无碴轨道设计中，道床板和桥梁之间的两种 不同的连接方式，本文主要研究其在温度力作用下的优缺点，选择一种相 对优化的基础型式，并研究这两种方式对道岔、基础和桥梁的影响。在此 基础上分析研究各种参数对桥上道岔的影响。主要的研究内容有： ( 1 ) 桥上无缝道岔无碴轨道对钢轨纵向力和纵向位移的影响分析； ( 2 ) 温度力引起的凸台和。门”型钢筋受力和变形计算： ( 3 ) 轨道桥梁相互作用计算，分析桥上铺设无缝道岔对桥梁的影响以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 墩顶刚度、墩台布置、支座布置等对道岔的影响； ( 4 ) 分析轨道传力部件的受力情况，尖轨、心轨的位移情况； ( 5 ) 分析墩台纵向力和墩顶纵向位移； ( 6 ) 分析两种基础连接形式对轨道板和桥梁应力与位移的影响。 通过这些分折和计算，优化桥上无缝道岔无碴轨道基础选型，为解决 桥上无缝道岔无碴轨道在正在建设中的高速铁路和客运专线中的顺利铺设 提出一些合理化的建议，为我国的铁路建设服务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章桥上无缝道岔无碴轨道结构 桥上无缝道岔无碴轨道主要在德国得到了比较多的应用，另外，在我 国的台湾地区台北到高雄捷运项目中也有应用，这些道岔都是采用 r h e d a 2 0 0 0 型无碴轨道结构型式。而我国的城市轨道交通建设中的桥上无 碴道岔则有别于前者，因而，在分析研究桥上无碴道岔的力学特性前有必 要对其结构做比较深入的认识。 2 1 刚印a 2 0 0 0 无碴轨道系统组成 r h e d a ( 雷达) 型无碴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，已从最初的雷达普通型发展到现在的由钢筋桁 架连接的r h e d a 2 0 0 0 无碴轨道，成为了目前世界先进无碴轨道结构型式 的代表之一。 r h e d a 2 0 0 0 无碴轨道使用范围广泛，路基、桥梁、隧道以及道岔区都 可以使用，除了在德国成规模的应用外，在世界其它国家和地区也得到认 同并使用。在我国的高速铁路和客运专线建设中，r h e d a2 0 0 0 无碴轨道 技术也将得到广泛应用，桥上无缝道岔技术就是其中一个十分重要的方面 2 1 1 基本组成 r h e d a 2 0 0 0 无碴轨道系统由钢轨、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。 1 设计特点 整体式结构。少维修，轨枕埋入式和安装可靠的轨道系统。包括钢轨、 高弹性扣件和改进的带有桁架钢筋的双块式轨枕。 2 施工特点 一个轨道系统，包括钢轨，高弹性扣件和改进的带有桁架钢筋的双块 式轨枕，此系统利用其他直接浇筑或间接浇筑构筑物精确定位、施工。 r h e d a 2 0 0 0 无碴轨道典型断面图如图2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 1 路基上r h e d a 2 0 0 0 无碴轨道典型断面 2 1 2v o s s i o h 扣件 r h e d a 2 0 0 0 无碴轨道主要使用的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 - 2 、图2 - 3 所示 图2 2v o s s l o hi o a r v3 0 0 1 扣件组成 制造弹条的弹簧需满足d i n e n l 0 0 8 9 和v o s s l o h 扣件系统的工艺要求， 弹条的制造需要满足v o s s l o h 扣件系统的尺寸和公差要求，按 d i n e n i s 0 6 5 0 7 硬度需达到4 0 0 6 0 0 h v 。 纵向阻力 根据e n l 3 1 4 6 1 测试，安装s k l l 5 弹条的标准v o s s l o h 3 0 0 1 扣件系统 的每个节点线路纵向阻力乏9 k n ，安装s k l l 5 b 弹条的标准v o s s l o h 3 0 0 1 扣 件系统的每个节点线路纵向阻力之6 5 k n 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 扣压力 根据e n l 3 1 4 6 - 7 测试，安装s k l l 5 弹条的标准v o s s l o h 3 0 0 - 1 扣件系统 扣压力苫9 k n ，根据e n l 3 1 4 6 - 7 测试，安装s l d l 5 b 弹条的标准v o s s l o h 3 0 0 - 1 扣件系统扣压力26 5 k n 。 节点刚度 v o s s l o h 扣件系统节点静刚度为2 2 5 2 5 k n m m ； 动静刚度比不大于2 0 。 钢轨左右位置调整 单股钢轨左右位置调整量：5 + 5 m m ： 轨距调整量：1 0 + 1 0 m m 钢轨高低位置调整 钢轨高低位置调整量：4 - 2 6 m m 。 预埋套管 预埋套管抗拔力应不小于1 0 0 k n 。抗拔试验后在预埋套管周边没有可 见的裂纹 绝缘电阻 扣件系统按e n l 3 1 4 6 - 5 进行测试，绝缘电阻应大于5 k o ，并满足轨道 电路对其绝缘电阻的要求。 2 1 3 轨枕 1 双块式轨枕 现行的r h e d a 2 0 0 0 无碴轨道系统中常用的轨枕是双块式轨枕( 如图 2 - 3 所示) ，该轨枕为非预应力钢筋混凝土结构，通过桁架钢筋连接两个构 件单元，同时钢筋伸出混凝土轨枕约1 0 c m ，从而保证与道床混凝土之间的 相互咬合，确保结构的整体效应。同时由于混凝土轨枕为预制构件，有较 高的精度和良好统一的质量，可以保证上部钢轨的精确定位，这对高速铁 路的轨道线路定位至关重要。 2 桁架式岔枕 岔枕混凝土应采用c 6 0 混凝土，钢筋采用h r b 3 3 5 钢筋，岔枕的生产 应满足d i n e n l 3 2 3 0 和b n 9 1 8 1 4 3 的要求，还应满足r a i l o n e 公司对轨枕混 凝土的特别要求，原材料技术要求参见双块式轨枕，较典型的岔枕如图2 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 所示。 图2 - 3r h e d a2 0 0 0 双块式轨枕结构示意图 图2 4 岔枕布置图示 2 2r h e d a 2 0 0 0 桥上岔区无碴轨道设计 2 2 1 概述 1 9 9 5 年德国首次在无碴轨道系统上铺设道岔，此前道岔一直铺设在碎 石道床上，新一代的无碴轨道系统道岔放置在混凝土和沥青上，该道岔由 w b g 和p f l e i d e r e r 公司开发。基本思想是道岔区无碴轨道与区间 r h e d a2 0 0 0 无碴轨道采用相同的结构型式，以降低轨道结构高度。其核 心工作是设计混凝土岔枕与b 3 5 5 w 6 0 m 双块式轨枕相匹配。随着应用的深 入，在以下一些地方也不可避免的要铺设桥上无碴轨道。 薹 一匿 rl基 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在桥上布置道岔的几种情况： 高架车站的咽喉区 桥上渡线 高架线路的分叉点 2 2 2 桥上岔区无碴轨道系统的组成 r h e d a 道岔区无碴轨道系统包括两层混凝土：保护层和轨道板混凝土 层，在这两层之间放置一层弹性垫片作为中间层。保护层上有纵横向凸台。 在凸台的垂直面上设置了弹性胶垫来调节由于轨道板的约束而引起的收缩 和伸长。 保护层为现浇钢筋混凝土板，在高架桥宽度和长度范围内连续铺设在 高架桥桥面上，其平均厚度1 5 0 r a m 。 凸台承受荷载和约束引起的水平力为将荷载从道岔板传递到防护层， 在凸台的竖向表面上安装了5 0 m m 高的c a l e n b e r g 弹性胶垫，胶垫顶部和底 部有5 m m 的泡沫聚苯乙烯条。 弹性垫片( 包括e p d m 垫片和p e - 垫片) 铺在保护层的项面，作为保 护层和道岔区无碴轨道的中间层，中间弹性垫片是为了把道岔板和保护层 分开，允许由于温度变化或板结构收缩等引起的两层之间的伸缩和滑动。 凸台及中间层布置详图如图2 5 所示，桥上渡线的横断面如图2 - 6 所示。 图2 - 5 凸台及中间层细部图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 6 桥上无碴渡线横截面 2 2 3 各组成部分的设计技术要求 1 道岔板 桥上无缝道岔的道岔板被分块浇筑，而分块长度是根据道岔要求确定 的道床板之间的接缝还可以用作桥面的排水。 轨道板的宽度随着道岔的几何尺寸而有所不同，对于渡线轨道板而言， 最小宽度为3 0 米，最大为7 5 米。轨道板的高度由于桥梁横向坡度的不同 而有变化，并取决于轨道板的宽度。 道岔板典型的构造如图2 - 7 、图2 8 所示。 ( 1 ) 道岔 ( 2 ) 渡线 臣要受叵 图2 - 7 道岔板布置示意图 图2 。8 道岔板布置示意图 道岔板材料的技术要求： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 ( 1 ) 混凝土：b 3 5 ，f 。= 3 5 n m m 2 ( 2 ) 钢筋保护层 最小5 0 c m ，一般6 0 c m ，露在空气中或者土层 最小2 0 c m ，名义3 0 c m ，没有露在空气中的那一侧 ( 3 ) 钢筋：f - - 4 2 0 n m m z ，符合d i n l 0 4 5 ，a s t m 7 0 6 或6 1 5 ，c n s 5 6 0 2 凸台 沿着轨道板长度方向保护层上有一个纵向的凸台，而沿着轨道板整个 宽度方向上大约有三个横向的凸台固定道岔扳。纵横向水平力通过一个纵 向的和三个或四个横向凸台从道岔板上传递到保护层。纵向凸台的宽度是 8 0 0 m m ，而横向凸台的宽度是5 0 0 m m ，而凸台的长度则取决于道岔的几何 尺寸。 渡线凸台的典型构造图如图2 - 9 所示 图2 - 9 渡线保护层的凸台 ( 1 ) 横向凸台：采用钢筋混凝土结构，高6 0 r a m ，宽5 ( 】o m m ，长度大于 3 1 0 0 r a m ，如图2 - 1 0 所示。 凸台的边缘有角钢保护，这些预制的角钢焊接在锚杆和连接筋上。凸 台采用箍筋进行加固，道岔板的凸台边缘也采用角钢进行保护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 、，- - ，一- - - ，7 道岔板 一， 横向凸台板 f 7 | 一、“二一”一一1 n 一 一一i _ 一 i 。n | 同同 1 一 图2 1 0 横向凸台板布置图 ( 2 ) 纵向凸台：采用钢筋混凝土结构，高6 0 咖，宽8 0 0 i i 皿，间距为 1 ：3 ) c - m ，如图2 - 1 1 所示 图2 1 1 纵向凸台板布置图 3 弹性胶垫 采用c a l e n b e r g s 7 0 弹性胶垫。 ( 1 ) 弹性胶垫的类型 d 型胶垫：高度h = 5 0 m m ，厚度t = l o m m e 型胶垫：高度h = 5 0 m m ，厚度t = 1 5 m m f 型胶垫：高度h = 5 0 m m ，厚度t ：s m m ( 2 ) 弹性支座的分布 分为3 个横向凹台和4 个横向凸台的两种情况，分别如图如图4 - 1 2 、 鼯 融， i 篮 j 一一一一m + 毫 。图2 1 2 3 个横向凸台的弹性支座分布示意图 。，图2 1 3 4 个横向凸台的弹性支座分布示意图 ( 3 ) 弹性胶垫的抗压模量和允许应力 。 霎竺霎姜的茔苎模量和允许应力取决于胶垫的形状系数。 形状系数根据c a l 胁堍产品规范，菇磊墓茹茹言 s稠b2t(t + 6 l( 2 1 ) 而对条形胶垫而言，形状系数 。 根榍。r 瓣n 。! 篁蜓o ( 2 - 2 ) 表可霎藉篙警= 鼍竺氅转毪”资料形状系数和弹性模量对应 表可查相应弹性模量毛，然后可以转换为刚主9 ”8 戢删砰任俣量对应 七。旦翌 允许应力据黝e n 吨产晶规范，t 允 午应力 ( 2 。3 ) 4 隔离廑5 2 ( s 2 + s + 1 l ，o 8 5 = 1 5 0 0 n 瑚2 ( 2 - 4 )隔离层 o 铀：篡：訾嚣需霎卑= 曼乳3 咖的e p 。m 橡胶垫片和一层 篡詈，二篡黧主黧。；黧垫片允许轨菇嵩：震萎嚣蕊 应力峰值。凸厶上面的隔离层布置如图2 - 1 4 最：茹纛了避免小删哟 _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 l 烹 l 图2 1 4 道岔横向凸台上隔离层 蕊= = = 。 图2 - 1 5 道岔纵向凸台上隔离层 5 保护层 保护层是在梁上连续浇筑、覆盖整个梁面的混凝土轨道板，只有在梁 缝处保护层才是断开的。荷载通过防护层与桥面板之间的摩擦以及保护层 与脱轨防撞墙之间的连接钢筋传递到梁上。 防护层最小钢筋量根据裂缝宽度( 初期混凝土的水化作用而产生的约 束而引起的裂缝) 确定，以保证计算出的裂缝宽度限值在0 3 r a m 以内。 为限制裂缝宽度，厚度1 5 0 r a m 时保护层钢筋配置如下： 纵向钢筋网中1 2 1 0 0 ； 横向钢筋网中1 2 1 0 0 ； 钢筋f = 4 2 0 n m m 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 i 图2 1 6 保护层配筋 i 2 3 城市轨道交通工程桥上无碴道岔设计 城市轨道交通的特点是行车密度高、运营时间长、维修养护时间短、 环保要求高，所经过的区域都是人员密集区、高层建筑和需要特殊防护的 建筑很多、施工干扰大等等。针对上述特点，桥上岔区无碴轨道设计应该 应该遵循以下原则： ( 1 ) 具有足够的强度、稳定性、耐久性及适量的弹性，确保行车安全、 平稳和乘座舒适； ( 2 ) 根据已建成和计划修建的轨道交通线轨道结构的使用情况，轨道结 构应尽量统一型式、采用通用的产品及零部件，同时，应方便施工和维修 工作量少且更换方便； ( 3 ) 根据环境保护要求和不同结构的减振降噪要求，应采用合理的减振 降噪措施； ( 4 ) 轨道结构应具有良好的绝缘性，并满足杂散电流腐蚀的防护要求， 按照“以防为主，以排为辅，防排结合”的原则进行杂散电流防护处理。 ( 5 ) 轨道结构设计应采用成熟、先进的技术和施工工艺，保证施工和运 营的安全。 2 3 1 道岔选型 我国城市轨道交通主要铺设的9 号单开道岔有曲线尖轨和直线尖轨两 种结构型式，其性能对比如下： 曲线尖轨道岔全长较直线尖轨道岔长，采用弹性可弯曲线尖轨，尖轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 跟端坚固稳定，曲线尖轨冲击角小，减少侧向通过时动能损失，列车进入 道岔平顺性好，因尖轨较长，又为固定接头，需两台转辙机。 直线尖轨单开道岔，尖轨跟端为间隔铁活接头，其尖轨稳定性较差， 直线尖轨冲击角较大，侧向通过时列车产生晃动，但由于尖轨较短，扳动 灵活，只需一台转辙机。 2 3 2 道岔扣件 上海地铁二号线东延线桥上道岔采用咖2 型扣件为基本扣件，特殊 扣件采用1 型弹条作为扣压件。该型扣件也是我国地铁项目较常采用的一 种扣件形式，在北京地铁、上海地铁其他线路都得到了使用。该扣件为弹 性分开式扣件，无挡肩，有螺栓弹条，二阶减振，扣压件采用国铁b 型弹 条，轨下与铁垫板下可同时设调高垫板，设轨距垫调整轨距并起绝缘作用。 可调整弹条的扣压力，更换弹条方便；轨下与铁垫板下均设橡胶垫板，具 有较好的减振降噪效果。轨距调整量为+ 8 m m 、1 2 r a m ，调高量+ 3 0 1 1 1 1 1 1 如 图2 - 1 7 所示。 图2 1 7 咖2 型扣件组装图 2 3 3 道岔道床 地铁工程中，桥上岔区无碴轨道经常采用钢筋混凝土短岔枕。根据铺 设位置不同，短岔枕可分为不同长度，但应尽量减少类型，短岔枕内预埋 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 塑料套管，用螺栓将垫板与短岔枕连接，短岔枕底部伸出钢筋与整体道床 相连接。整体道床伸缩缝应尽量避开转辙器、辙叉和护轨部分。道岔整体 道床范围应尽量避开结构沉降缝。桥上道岔道床应做好排水处理，并与桥 梁本身排水设施相匹配，道床表面适当设排水横坡。 通过在桥梁保护层中预埋“门”型钢筋的形式将道床板和桥梁进行连 接，“门”型钢筋采用由1 6 h r b 3 3 5 钢筋，沿线路纵向每隔6 5 0 m m 布置一 排，尖轨、导轨和辙叉所在道床每排根数不相同。在“门”型钢筋两侧设 置分布定位钢筋。辙叉区道床板“门”型钢筋布置如图2 1 8 所示，道床板 断面如图2 1 9 所示。 图2 - 1 8 辙叉区预埋钢筋平面布置图 旦叁坠f t 际#蝌i50 i l 。 。瑚姗 。 i 图2 1 9 地铁道岔区道床板断面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第3 章桥上无缝道岔无碴轨道计算模型 桥上无缝道岔与普通桥上无缝线路及路基上无缝道岔不仅在结构上有