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1、竺! 竺竺 桥上无缝道岔设计理论与应用研究 李秋义孙立 ( 铁道第四勘察设计院，湖北，武汉，4 3 0 0 6 3 ) 摘 要我国客运专线建设已经全面展开，桥上无缝道岔设计计算方法的研究已经成为迫切需要解决 的问题。本文建立了“岔一梁一墩”一体化计算模型，基于A N S Y S 二次开发技术提出了桥上无缝道 岔非线性有限元分析方法，并编制了计算程序，应用计算程序对所给算例进行了桥上无缝道岔纵向力 分析。该计算方法可用于指导桥上无缝道岔的设计、施工及养护维修。 关键词桥上无缝道岔；有限元法；A N S Y S 二次开发 我国铁路客运专线系统建设已经正式启动，客运专线车站位置选择时往往受到地形等条
2、件的限制，部 分车站咽喉区的道岔不得不置于桥梁上，形成桥上无缝道岔，此外在城市轻轨的高架车站上，也存在无缝 道岔位于桥梁上的情况。在已经批准立项的武广、合武、甬温等客运专线中，有多组无缝道岔以各种布置 形式铺设于桥上。 ， 桥上铺设无缝道岔，不仅综合了桥上无缝线路、无缝道岔以及大跨度桥梁的技术特点，而且衍生出一 系列新的技术难点，是轨道工程研究领域面临的一个新的重大技术难题。桥上无缝道岔技术在德国、日 本、中国台湾等高速铁路上都曾得到了应用，有关人员更注重桥上铺设无缝道岔应用经验的积累，缺乏较 为系统的理论研究，能够检索到的有关桥上无缝道岔设计理论公开发表的研究文献很少，因此可供借鉴的 研究资
3、料也十分有限。 近年来，国内对桥上无缝线路、路基上无缝道岔的研究、设计及施工等方面都取得了长足的进步。既 有繁忙干线的无缝线路铺设以及新建铁路一次铺设跨区间无缝线路，推动了无缝线路技术的迅猛发展。目 前，国内尚无桥上铺设无缝道岔的实践经验，对于桥上铺设无缝道岔的研究才刚刚起步，尚未形成系统的 无缝道岔计算理论和设计方法。我国客运专线建设已经全面展开，桥上无缝道岔设计计算方法的研究已经 成为迫切需要解决的问题。因此，开展客运专线桥上无缝道岔计算理论和设计方法的研究，对于我国客运 专线建设具有重大意义。 1 桥上无缝遭岔设计计算的基本原理 1 1 岔一梁一墩一体化计算模型 目前，桥上无缝线路普遍采
4、用的是线一桥一墩一体化计算模型，梁轨间的纵向约束为道床阻力或扣件 阻力，同时无缝道岔也发展了当量阻力系数法、两轨相互作用法及有限单元法等方法。本文将钢轨、岔 枕、桥梁及墩台视为一个相互作用、相互影响的耦合系统，吸取桥上无缝线路和无缝道岔计算理论中的优 作者简介：李秋义( 1 9 7 2 年一) ，男，博士，工程师，主要从事轨道工程专业的设计研究。 圈l 钫桥墩一体化模型平面田 圈2 岔枕墩一体化模型立面罱 中 桥 所示毫，t 茹亲蓄嚣千纵向非线性弹簧 如图5 所示。 ( 1 1 ) 考虑墩台顶纵向位移而导致桥梁纵向位移的变化，每一个墩台的纵向水平刚度用纵向弹簧来 模拟。 翼轨 心轨跟端 1 3
5、 计算方法 图4间隔铁联结弹簧单元图5 道床纵向阻力弹簧单元 A N S Y S 软件不仅具有强大计算功能，优良的计算算法，高度的可靠性，而且具有A N S Y S 软件开发 的结构体系，允许用户在其环境下进行二次开发，开发出工各具特色的专业软件。基于A N S Y S 平台二次 开发技术，进行桥上无缝道岔纵向力非线性有限元分析。只需编制一个简单前处理程序计算出单元节点位 置，然后通过A N S Y S 软件的A P D L 参数化设计语言来控制程序流程，即可自动完成道岔、岔枕、桥梁 单元网格的划分、材料属性的添加、模型的生成、荷载及约束条件的施加、单元刚度矩阵的计算、总刚的 集成、非线性方程
6、的求解及图形显示等过程。桥上无缝道岔纵向力非线性有限元分析，结构自由度大，而 且要进行非线性迭代计算，自编程序比较复杂，计算机时较长。基于A N S Y S 的二次开发进行桥上无缝道 岔纵向力非线性有限元分析，克服了手工编程的缺点，极大地提高了工作效率。 2 算例 2 1 计算资料 轨道结构形式为6 0 k g m 钢轨，桥上设置两组渡线，采用1 2 号道岔。全线道岔区均为混凝土简支梁， 跨度为3 5 5 m ，桥上无缝道岔布置如图6 所示。 r _ 一1 2 号道岔 厂岔心里程 1 1 2 ：3 0 9 8 7 51 1 2 ：3 5 7 7 9 21 1 2 ：4 1 4 7 9 1 1
7、1 2 ：4 6 2 7 0 8 2 9 0 0 03 0 0 0 0 3 5 I5 0 0 3 5 5 0 0 3 0 0 0 0 3 5 5 0 0 Il ；I6 。I1 0 ( F 。M ) ：2 8 4ol l ( F I M ) ：3 1 3 o1 2 ( F I M ) ：3 4 3o1 3 ( F M ) ：3 7 8 51 4 ( F 巾n ：4 1 401 5 ( F ) ：4 4 401 6 ( F M 注：均为B A 梁 截面尺寸见“各种桥梁截面图d w g ”，图中尺寸以m m 计 图6 桥上无缝道岔布置示意图 2 2 计算参数 钢轨截面积A 一7 7 4 5 c m
8、2 ，弹性模量为E 一2 1 1 0 1 1N m 2 ，线膨胀系数为口= 1 1 8 1 0 。C 。岔枕 间距为0 6 m 。岔枕截面顶宽2 “ 6 0 m m ，底宽3 0 0 m m ，高2 2 0 m m ，对垂直轴的惯性矩为5 0 2 9 9 1 0 叫m 4 ， 混凝土的弹性模量为3 4 5x1 0 9 N m 2 。 墩台线刚度按2 0 0 0 0 k N m ( 线) 计算，轨温变化幅度取3 5 。 道床纵向阻力、扣件纵向阻力、限位器阻力、间隔铁阻力采用非线性阻力。 断轨力计算时，两股道钢轨全断，断轨位置分别离左桥台的距离为0 和1 3 0 m 。挠曲力和制动力计算 时，全桥
9、布置荷载、机车人桥方向为从左向右。 2 3 计算结果 根据以上计算原理，基于A N S Y S 二次开发编制了桥上无缝道岔计算程序，A N S Y S 生成的桥上无缝 道岔计算模型如图7 所示。应用该程序对桥上无缝道岔的钢轨伸缩力、钢轨挠曲力、断轨力、制动力进行 了分析，钢轨伸缩力、钢轨挠曲力、断轨力、制动力分布如图8 1 1 所示。 图7A N S Y S 生成的桥上无缝道岔计算模型 Z _ V - R 荟 豁 图8 钢轨伸缩力 图1 0 钢轨断轨力 Z _ V R 鲁 爆 Z _ V 穴 需 嚣 - - 1 5 0 叫0 0 - - 5 0 05 0 1 0 01 5 02 0 0 2 5
10、 0 3 0 03 5 04 0 0 L ( m ) 图9 钢轨挠曲力 图l l 钢轨制动力 作用于各桥墩的纵向附加力见表1 。 表1伸缩力作用下桥上无缝道岔墩台力( 单位：k N ) 、附加力 域台八 伸缩力挠曲力断轨力制动力 OOO3 3 5 2 88 4 3 4 4 12 2 8 88 1 22 1 9 5 23 4 3 0 4 21 0 49 64 4 0 9 64 9 7 3 2 34 7 41 9 3 27 3 1 8 45 9 0 1 6 42 7 0 41 1 6 48 2 9 0 46 0 4 7 2 55 5 2 3 6 4 5 8 4 45 4 8 4 65 8 9 61
11、 7 4 81 9 7 8 85 1 5 7 2 7 4 3 2 45 8 41 9 93 0 8 6 4 83 2 4 4 4 3 7 2 0O 3 结论 ( 1 ) 桥上无缝道岔“岔一桥一墩”一体化计算模型比较全面地反映无缝道岔与桥梁之间的相互作用关 系及其力学传递机理，避免了过多的简化与假设，减小了因计算模型粗糙而引起的计算误差。 ( 2 ) 基于A N S Y S 的二次开发进行桥上无缝道岔纵向力非线性有限元分析，减少了大量编程调试工作 量，提高了计算效率，计算精度也有保证。 ( 3 ) 采用有限元方法分析桥上无缝道岔受力与变形，力学概念清楚，力学推导严密。 ( 4 ) 该方法使用范围广，可分析多种工况下桥上无缝道岔的力学形位，指导道岔及桥梁的设计。 参考文献 1 卢耀荣无缝线路研究与应用 M 北京：中国铁道出版社，2 0 0 4 2 范俊杰现代铁路轨道E M 北京：中国铁道出版社，2 0 0 4 3 王平，刘学毅无缝道岔受力与变形影响因素分析中国铁道科学，2 0 0 3 ( 2 ) 4张朝晖A N S Y S 8 0 结构分析及实例解析北京：机械工业出版社，2 0 0 5
