煙大輪渡鐵路棧橋結(jié)構(gòu)研究

劉長和

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 鐵路棧橋的技術功用

鐵路棧橋是鐵路輪渡工程的重要組成部分,是鐵路與渡船間的連接紐帶。

由于海洋潮位的周期性漲落、渡船干弦值依渡船貨物裝載量的變化而變化，浪涌、風載荷以及取送車作業(yè)時上下船載荷變化等因素的綜合作用,渡船艉部高程會在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化,同時船體存在一定頻率和振幅的縱搖和橫搖。上述情況決定了鐵路棧橋除必須具有承受上橋載荷的能力外,其接船端高程必須隨渡船接橋端高程的變化而變化,并具有追隨渡船船體縱搖和橫搖的功能。

2 鐵路棧橋結(jié)構(gòu)形式分析

鐵路棧橋結(jié)構(gòu)形式按孔跨布置可分為單跨棧橋和多跨棧橋。

單跨鐵路棧橋形式多在海域潮差較小、風浪不大、自然條件較好的港口采用,如波羅的海沿岸多處輪渡所處海域,年最大潮差不足0.8 m,鐵路棧橋多為單跨(跳板)形式,跨距一般小于50 m；

對于潮差較大、涌浪較高的輪渡建港海域,受軌面坡度和坡度代數(shù)差及棧橋單跨最大跨距等條件的限制,棧橋多采用多跨橋體形式。如多佛爾港鐵路輪渡,設計潮差7.2 m,棧橋總長105 m,為3跨橋體結(jié)構(gòu)形式；又如我國的粵海鐵路輪渡工程,南北港區(qū)年最大潮差均超過2.5 m,棧橋橋體同為3跨結(jié)構(gòu)形式,總長89 m(32.3 m+32.7 m+24.0 m)。

2.1 多跨棧橋的基本構(gòu)成

以較具代表性的粵海鐵路輪渡棧橋為例(棧橋的基本構(gòu)成如圖1所示)。它由3跨橋體(其中：接船跨又稱跳板梁)、墩臺、提升橫梁及橋體升降裝置等主要部分構(gòu)成。橋體接陸端與橋臺鉸接,高程值固定；接船端(跳板梁)與渡船艉部搭接,高程值依瞬時潮位和渡船干弦值等綜合因素確定。棧橋升降裝置與提升橫梁鉸接,在滿足橋體軌面坡度和相鄰橋體軌面坡度代數(shù)差要求的條件下,通過調(diào)節(jié)提升橫梁的高度,改變橋體折曲線組成,使棧橋接船端的高程滿足船橋連接的要求,跳板梁升降裝置所具有的隨動功能,可使其與渡船搭接后滿足渡船的縱、橫傾要求。

2.2 多跨棧橋作業(yè)方式簡析

(1)預調(diào)橋

渡船即將進港前,棧橋控制系統(tǒng)采集港區(qū)瞬時潮位、渡船干弦值以及上下船車組載重情況等基礎數(shù)據(jù),按照偏離直線(岸船間直線)最小原則計算出棧橋各橋跨的最佳坡度以及岸橋間、橋跨間、船橋間適宜的坡度代數(shù)差,并據(jù)此控制各墩臺處的升降設備,將各提升橫梁調(diào)節(jié)到位。

圖1 粵海輪渡鐵路棧橋基本構(gòu)成簡圖

(2)取送車作業(yè)

船橋連接后,待渡場與渡船間通過棧橋開始取送車作業(yè),在此過程中,跳板梁通過繞鉸轉(zhuǎn)動及其自身的橫斷面幾何變形,適應渡船因取送車輛載荷、潮位、涌浪等引起的縱傾及橫傾變化,從而確保船橋間緊密連接。此時,0號墩升降設備追隨跳板梁接船端的起伏頻率和振幅處于隨動狀態(tài)；其他橋跨保持初始調(diào)整坡度,各墩臺升降設備承受橋體及上橋機車車輛的靜、動載荷,處于持住狀態(tài)。

(3)中間調(diào)橋作業(yè)

取送車作業(yè)過程中,渡船干弦值隨渡船載重等情況的變化而變化,這種變化將改變跳板梁軌面坡度以及跳板梁與渡船甲板間、跳板梁與后續(xù)橋跨間的軌面坡度代數(shù)差。由于渡船干弦值的變化僅是通過改變跳板梁軌面坡度加以適應,因此當繼續(xù)進行取送車作業(yè)即有可能使上述坡度或坡度代數(shù)差超過規(guī)定值時,則需要在維持船橋連接的情況下,中斷取送車作業(yè),并繼續(xù)按照偏離直線最小原則對后續(xù)橋跨坡度及時地作出調(diào)整,以完成剩余的取送車作業(yè)。中間調(diào)橋時,0號墩升降設備依然處于隨動狀態(tài),調(diào)橋作業(yè)在1號墩和2號墩升降設備間進行。

2.3 多跨棧橋結(jié)構(gòu)形式技術改進要點分析

綜上所述,以我國粵海鐵路輪渡為代表的近年建成的跨海鐵路輪渡已經(jīng)形成了較為成熟的棧橋工程模式,實際運行情況相對穩(wěn)定可靠。但是,通過對既有多跨棧橋作業(yè)方式的分析,不難發(fā)現(xiàn)其棧橋結(jié)構(gòu)形式存在的主要問題,即：因橋跨間的升降裝置不能在承擔動載荷的情況下(即取送車作業(yè)過程中)對棧橋各橋垮坡度作出調(diào)整,渡船干弦值的變化僅是通過改變跳板梁的坡度加以適應。這樣就大大地降低了跳板梁接船端對渡船干弦變化的適應能力,在一個完整的取送車作業(yè)過程中可能出現(xiàn)甚至多次出現(xiàn)因中間調(diào)橋作業(yè)而不可避免的作業(yè)中斷,這對取送車作業(yè)用時,特別是對一個取送車循環(huán)中渡船干弦值變化較大的取送車作業(yè)用時將產(chǎn)生較大的影響,降低了輪渡港整體作業(yè)效率。

2.4 煙大輪渡鐵路棧橋結(jié)構(gòu)形式構(gòu)想

如前所述,波羅的海年最大潮差不足0.8 m,沿岸鐵路棧橋結(jié)構(gòu)多為單跨跳板結(jié)構(gòu)形式,這樣棧橋即可以幾何直線形態(tài)適應渡船艉部的極限高程。取送車作業(yè)過程中(無論橋上是否有動載荷存在),棧橋橋體和升降設備始終處于追隨渡船艉部運動(渡船干弦變化及艉部縱橫傾)的隨動狀態(tài)。反觀煙大鐵路輪渡南北兩港建橋海域,年最大潮差均接近3.0 m,根據(jù)軌面坡度30‰及相接軌道坡度代數(shù)差：凹形35‰,凸形30‰等限制條件,棧橋計算長度約為82.5 m,受單跨橋體最大設計長度(根據(jù)目前歐洲鐵路棧橋的設計實例,棧橋單跨跨度基本控制在62 m以內(nèi))限制,鐵路棧橋必須由多跨橋體組成。設想如果將根據(jù)渡船艉部極限高程確定橋長的多跨棧橋橋形,在取送車作業(yè)過程中始終以整體幾何直線形態(tài)追隨渡船艉部運動,那么就可以避免如前所述的多跨棧橋中斷作業(yè),進行中間調(diào)橋的情況發(fā)生,而實現(xiàn)上述設想的技術關鍵在于：必須使棧橋具有適應在取送車作業(yè)過程中將其橋形動態(tài)追隨調(diào)整為幾何直線的結(jié)構(gòu)(即具有適應動態(tài)調(diào)節(jié)為“多橋一坡”的棧橋結(jié)構(gòu))。

3 煙大輪渡鐵路棧橋結(jié)構(gòu)綜述

棧橋接船端垂直方向的調(diào)節(jié)范圍(渡船甲板的極限高程)以及棧橋的最大限制坡度決定了棧橋的整體長度。綜合單跨棧橋橋體用鋼量,棧橋升降設備提升能力,升降設備數(shù)量及其操控性、養(yǎng)護維修工作量及工程投資等因素,煙大輪渡鐵路棧橋擬采用兩跨式橋體方案,即：棧橋由陸區(qū)橋和船區(qū)橋兩跨橋體組成,其中陸區(qū)橋長52.5 m,船區(qū)橋長30 m。為適應“兩橋一坡”動態(tài)調(diào)節(jié)的作業(yè)方式,無論橋體結(jié)構(gòu)還是棧橋各接口部位的連接和支座等,都必須具有動態(tài)調(diào)節(jié)適應性。

3.1 棧橋結(jié)構(gòu)

棧橋結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

陸區(qū)橋接陸端由橋臺上的支座承載；陸區(qū)橋和船區(qū)橋連接后,由中心支承架橫梁上吊掛的兩個液壓缸(中心升降液壓缸)對其承載；船區(qū)橋接船端由船區(qū)支承架橫梁上吊掛的兩個液壓缸(船區(qū)升降液壓缸)對其承載。

3.2 棧橋橋體接口

由于棧橋具有“兩橋一坡”動態(tài)追隨特性,取送車作業(yè)過程中橋體軌面坡度急劇變化,為滿足列車運行的安全性和平穩(wěn)性要求,陸區(qū)橋與橋臺間、船區(qū)橋與渡船間、陸區(qū)橋與船區(qū)橋間等處接口連接必須安全可靠。

3.2.1 陸橋接口

圖2 煙大輪渡鐵路棧橋結(jié)構(gòu)形式簡圖

陸區(qū)橋與橋臺間支座的設置除需滿足棧橋的轉(zhuǎn)動功能要求外,由于列車制動力、離心力和風力等荷載的作用,棧橋?qū)a(chǎn)生縱向或橫向水平位移,陸橋接口處支座還應具有對棧橋縱向限位和橫向限位的功能。為避免產(chǎn)生過大的縱向約束力,支座既允許棧橋小幅度的縱向水平位移,又可以把制動力傳遞至橋臺。

3.2.2 船橋接口

渡船受列車制動力、風力和浪涌的作用,會發(fā)生縱向移動或向海域方向漂離,因此,渡船與棧橋之間必須有可靠的水平連接,以使棧橋軌道與渡船軌道之間的相對位置關系控制在安全范圍之內(nèi)。船橋水平連接系由船橋兩側(cè)預拉緊裝置、縱向水平承壓支座,中央定位支座等組成三點剛性連接。此外,船橋間還需要有可靠的豎向連接,以便將船區(qū)橋接船端的豎向荷載傳遞到渡船上。

3.2.3 兩橋接口

兩橋間采用直接連接形式。直接連接系在兩橋上分別設置鉸接板,通過銷軸實現(xiàn)兩橋連接。銷軸中心線與兩橋軌面交線重合,當兩橋間出現(xiàn)折角(坡度代數(shù)差)時,兩橋結(jié)合處軌面不會出現(xiàn)高低錯位；中心升降液壓缸缸體下端與鉸接板鉸接,上端與支承架橫梁鉸接。取送車作業(yè)過程中,中心升降液壓缸對兩橋進行恢復幾何直線(“兩橋一坡”)的連續(xù)調(diào)節(jié)。

3.3 接口支座及連接

根據(jù)煙大輪渡鐵路棧橋結(jié)構(gòu)“兩橋一坡”的技術構(gòu)想,棧橋擬設置支座及連接共計12種29套,分別安裝在陸區(qū)橋與橋臺(2號墩)間、陸區(qū)橋與船區(qū)橋和中心支承架間、船區(qū)橋與渡船和船區(qū)支承架、防撞柱間。支座及連接的功能要求原則如下：

(1)承擔工作狀態(tài)下棧橋接口處的縱向力、橫向力以及豎向力；

(2)對允許范圍內(nèi)的棧橋橋體位移和變形不產(chǎn)生約束；

(3)承擔非工作狀態(tài)下的橋體靜載荷。

3.3.1陸區(qū)橋接陸端緩沖裝置B1,B2

陸區(qū)橋接陸端通過緩沖裝置B1,B2(又稱Hx支座,圖2)與橋臺連接,緩沖裝置用于承受陸區(qū)橋接陸端的縱向載荷。該裝置緩沖結(jié)構(gòu)的目的在于允許棧橋相對橋臺有一定幅度的縱向移動,以避免由于上橋機車車輛以及船橋間產(chǎn)生的縱向沖擊載荷對橋體結(jié)構(gòu)的損傷。在最不利荷載作用下,緩沖裝置允許棧橋縱向位移約為±50 mm。棧橋無外力作用情況下,緩沖裝置使棧橋回到零位置左右。

3.3.2陸區(qū)橋接陸端豎向支座A1,A2

陸區(qū)橋接陸端豎向支座A1,A2又稱V支座(圖2),用于承受陸區(qū)橋接陸端的豎向載荷,兩支座分別位于陸區(qū)橋接陸端碼頭側(cè)主梁和水域側(cè)主梁外側(cè)。該支座通過支承軸與主梁連接,支承軸軸線高程同軌面高程,以保證陸區(qū)橋坡度變化時,不改變陸橋軌縫間距。為適應棧橋的縱向位移,該支座底板與橋臺上的基礎支承面之間允許有±60 mm的相對滑動。

3.3.3陸區(qū)橋接陸端K1支座

陸區(qū)橋K1支座又稱V/Hy支座,位于陸區(qū)橋接陸端中心下部(圖2),陸區(qū)橋接陸端的橫向載荷通過該支座傳遞至橋臺,同時該支座可減小由于列車通過陸區(qū)橋端部橫梁時,由于橫梁撓曲而引起的陸橋接口處軌面高低錯位。為適應棧橋的縱向位移,該支座同支座A1,A2,亦允許支座體與支座支承板之間相對滑動,滑動范圍約為+140/-110 mm。此外,由于該支座位于陸區(qū)橋接陸端中心下部,當陸區(qū)橋坡度發(fā)生變化時,亦允許支座體在棧橋縱斷面內(nèi)繞A1,A2支座的支承軸軸線轉(zhuǎn)動。

3.3.4 陸區(qū)橋和船區(qū)橋連接處支座G1,G2

位于陸區(qū)橋和船區(qū)橋連接處主梁區(qū)域的G1,G2支座又稱V/Hx中心鉸支座(圖2)。船區(qū)橋叉形構(gòu)件及陸區(qū)橋連接板通過支承軸鉸接在一起,用于承受兩橋間的縱向力和豎向力。該支座銷軸中心連線與軌面同高,以保證陸區(qū)橋與船區(qū)橋相對轉(zhuǎn)動時,其間的軌縫寬度不發(fā)生變化。

3.3.5陸區(qū)橋和船區(qū)橋連接處K2,K3支座

陸區(qū)橋和船區(qū)橋連接處K2,K3支座又稱中心Hy支座(圖2),用于傳遞兩橋連接處的橫向力。兩支座中心連線與G1,G2支座銷軸中心線重合,以利陸區(qū)橋與船區(qū)橋間的相對轉(zhuǎn)動。

3.3.6陸區(qū)橋和船區(qū)橋連接處調(diào)整支座G3,G4,G5

陸區(qū)橋和船區(qū)橋連接處安裝3套調(diào)整支座(圖2),這些支座可以有效地防止機車車輛通過兩橋連接處時,由于兩橋端部橫梁撓度不同而引起的軌面垂直錯位。該支座由兩橋連接處端部橫梁之間的拉/壓桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成,其作用原理是：由于一側(cè)橫梁的撓曲變形而對拉壓桿的拉壓作用將使另一側(cè)橫梁產(chǎn)生基本相同的撓曲變形。

3.3.7船區(qū)橋J1,J2支座

船區(qū)橋J1/J2支座又稱Hy支座(圖2),位于船區(qū)橋接船端主梁外側(cè)與防撞柱之間。工作位與非工作位之間升降棧橋時,可能出現(xiàn)的橫向力通過該支座傳遞給防撞柱結(jié)構(gòu)。為使船橋連接后該支座處于非受力狀態(tài),支座滑動塊與防撞柱之間留有100 mm的間隙。

3.3.8船區(qū)橋接船端K4支座

船區(qū)橋K4支座又稱Hxyz支座(圖2),該支座除用來通過楔形導向結(jié)構(gòu)承擔橫向力進行船橋間橫向定位(船區(qū)橋軌道與渡船軌道對正)外,當船橋間縱向力(拉力)超過預拉緊裝置承受極限時,該縱向力轉(zhuǎn)由Hxyz支座繼續(xù)承擔。該支座強度按取送車過程中可能出現(xiàn)的最大拉力設計,如果超出最大拉力的情況出現(xiàn),支座的楔形構(gòu)件將被剪斷,以避免棧橋結(jié)構(gòu)受到破壞。

3.3.9船區(qū)橋接船端A3,A6,A4,A5,A7,A8支座

船區(qū)橋A3,A6,A4,A5,A7,A8支座又稱V支座(圖2),安裝在船區(qū)橋接船端橫梁下翼緣板下,其中,A3,A6支座位于兩側(cè)主梁下部；A4,A5,A7,A8支座位于兩主梁之間,用于將船區(qū)橋接船端壓船載荷傳遞至渡船艉部。以上支座的支撐板接觸面均按曲面設計,以保證船橋間出現(xiàn)坡度代數(shù)差時,船橋軌道接口處不致產(chǎn)生軌面高差。

3.3.10船區(qū)橋接船端B3,B4支座

船區(qū)橋B3,B4支座又稱Hx支座(圖2),來自渡船的推力通過該支座傳遞至船區(qū)橋主梁。支座支撐板接觸面按柱面設計,其中心與軌面同高,以保證船橋間出現(xiàn)坡度代數(shù)差時,船橋間在軌面高度處有效的線接觸。

3.3.11船區(qū)橋預拉緊裝置P1,P2

預拉緊裝置設置在船區(qū)橋接船端兩側(cè),用于提供工作狀態(tài)下棧橋和渡船之間的預拉緊力(圖2)。當船橋間的拉力超過1 000 kN時,連接構(gòu)件中的連接銷軸將被剪斷,此時,船橋間的拉力轉(zhuǎn)移至船區(qū)橋Hxyz支座承擔。

3.3.12陸區(qū)橋和船區(qū)橋靜態(tài)支承裝置D1,D2，D3,D4

陸區(qū)橋和船區(qū)橋共設置4套靜態(tài)支承裝置(圖2)。非工作狀態(tài)下,棧橋荷載通過靜態(tài)支承裝置分別傳遞至中心和船區(qū)支承架立柱,此時,中心和船區(qū)升降液壓缸卸載。靜態(tài)支承裝置能夠承擔棧橋自重、檢修附加載荷及雪載荷等。

3.3.13 其他支座

除上述連接和支座外,棧橋總體結(jié)構(gòu)中還設有轉(zhuǎn)轍器支座(V支座12套,Hx支座4套)、中心和船區(qū)升降液壓缸球鉸軸承連接(共8套)等,由于與本文論述主題關聯(lián)不大,此處不再贅述。

4 結(jié)語

將單跨棧橋的作業(yè)控制模式拓展應用至多跨棧橋,是煙大輪渡鐵路棧橋工程設計的技術總綱,無論橋體結(jié)構(gòu)形式還是橋體上連接和支座的設置都是圍繞實現(xiàn)這一技術總綱而進行的。通過該項目的工程化實施,煙大輪渡鐵路棧橋?qū)崿F(xiàn)了作業(yè)更加高效、性能更加可靠、投資更加經(jīng)濟的工程既定目標,取得了鐵路棧橋工程領域的技術突破。

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