高速鐵路曲線地段長大連續梁橋無縫線路方案研究

曾憲海，蔣金洲

(1.鐵道部 運輸局，北京 100038;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

自20世紀60年代我國開始實踐無縫線路技術以來，始終堅持走自主創新的道路，取得了輝煌的成就，使我國無縫線路技術位居世界前列。UIC標準規定，橋梁溫度跨度≥90 m時，須設置鋼軌伸縮調節器。早在2001年建成的京哈線秦沈段中，我國設置鋼軌伸縮調節器的橋梁溫度跨度已達到180 m，這是UIC規定的2倍，其效果就是線路上大量減少了鋼軌伸縮調節器，更加提高了線路的平順度和列車的舒適度。

隨著高速鐵路的深入研究和應用，我國高速鐵路已在橋梁溫度跨度達到250 m時不設鋼軌伸縮調節器。但是，目前正在設計或建設的高速鐵路中，有的橋梁出現了溫度跨度超過250 m，有的甚至達到了300～400 m，如溫福線飛云江特大橋溫度跨度達到400 m，且連續梁一端位于半徑4 500 m的曲線上。在如此長大溫度跨度且位于曲線的橋梁上如何減少或不設鋼軌伸縮調節器，以確保軌道平順度的問題亟待研究解決。本文以溫福線飛云江特大橋為例，給出三大類型的7個方案，并提出推薦方案。

2 線橋設計參數

溫福鐵路為客貨共線鐵路，旅客列車設計行車速度為250 km/h，貨物列車設計行車速度不大于120 km/h。正線軌道采用60 kg/m、U75V鋼軌，Ⅲb型混凝土軌枕及配套彈條Ⅳ型扣件(1 667根/km)，一次鋪設跨區間無縫線路，全線以鋪設有砟軌道為主。飛云江特大橋里程DK24+060—DK26+650，橋跨布置為2×32 m簡支梁+(48+7×80+48)m連續梁+57×32 m簡支梁。連續梁大里程端位于半徑為4 500 m的平曲線上。

鋼軌采用60 kg/m、U75 V鋼軌，屈服強度?。郐遥?363 MPa。當地歷年最高軌溫 Tmax=61.7℃，最低軌溫Tmin=3.9℃。設計鎖定軌溫范圍為(33±5)℃。溫福鐵路客車采用動車組，貨車采用SS7型電力機車牽引。Ⅲb型軌枕(1 667根/km)配套彈條Ⅳ型扣件的線路縱向阻力為14 kN/m/軌。

3 軌道強度及穩定性計算

3.1 軌道強度

動車組速度 250 km/h，SS7電力機車速度 120 km/h。60 kg/m鋼軌截面參數考慮軌頭垂直磨耗6 mm。1 667根/km，曲線半徑 R=4 500 m，支承剛度 D=30 kN/mm。

采用無縫線路鎖定軌溫設計軟件 TDS計算軌道強度，按動車組荷載計算結果為:軌底動彎應力 σd=117.2 MPa，鋼軌允許溫降［ΔTd］=99.2℃;按 SS7電力機車荷載計算，結果為軌底動彎應力 σd=119.4 MPa，鋼軌允許溫降［ΔTd］=98.3℃。

比較可知，SS7電力機車工況較不利，鋼軌允許溫降［ΔTd］=98.3℃。

3.2 無縫線路穩定性計算

曲線半徑為4 500 m;軌道橫向阻力取Ⅲb型枕及機械動力穩定后的道床狀態。軌道初始變形取初始彎曲波長L0=7.2 m，初始彎曲矢度f0=7.2 mm，允許橫向變形［f］=0.2 mm。

采用不等變形波長理論計算，該理論考慮了無縫線路鋼軌縱向力不均勻性的影響，相當于8℃溫度力，計算得到:1股鋼軌允許壓力［P］=2 793.3 kN/軌;無縫線路允許溫升［ΔTu］=72.8℃。

3.3 無縫線路計算結果

飛云江特大橋所在地區最高軌溫Tmax=61.7℃，最低軌溫 Tmin=3.9℃，設計鎖定軌溫范圍(33±5)℃，允許溫降［ΔTd］=98.3℃，允許溫升［ΔTu］=72.8℃，最大溫降 ΔTdm=34.1℃，最大溫升 ΔTum=33.7℃。

4 橋上無縫線路設計方案研究

4.1 方案一

4.1.1 無縫線路結構

本方案不設鋼軌伸縮調節器，不采用小阻力扣件，全橋處于無縫線路固定區。軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)，扣件采用彈條 IV型扣件。由于高速鐵路橋梁墩頂剛度較大，且雙線箱梁梁體截面剛度也較大，因此無縫線路梁軌相互作用的撓曲力不控制設計。

4.1.2 伸縮力

采用橋上無縫線路設計系統軟件VRF計算得到:連續梁梁端鋼軌縱向力較大，為 970.1 kN，相當于50.2℃的附加力。簡支梁固定墩承受伸縮力=448.6 kN/軌;連續梁固定墩承受伸縮力=114.5 kN/軌。

圖1 方案二橋上無縫線路結構

4.1.3 鎖定軌溫檢算

本方案無縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加力的溫差(50.2℃)，允許溫降［ΔTd］=98.3-50.2=48.1℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-50.2=22.6℃。檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=48.1℃，合格，富余14℃。最大溫升 ΔTum=33.7＞［ΔTu］=22.6℃，不合格。

因此，鎖定軌溫檢算不合格。

4.1.4 小結

方案一雖然橋上無縫線路處于固定區，鋼軌連續不間斷，但本方案的鋼軌截面縱向力較大，簡支梁承受的伸縮力T1較大，鎖定軌溫檢算結果不合格，方案一不可行。

4.2 方案二

4.2.1 無縫線路結構

如圖1，本方案不設鋼軌伸縮調節器，全橋處于無縫線路固定區，軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)。采用彈條Ⅳ型小阻力扣件，線路阻力為7 kN/m/軌?？奂贾梅秶缦?連續梁左梁端100 m及相鄰2孔簡支梁采用小阻力扣件(164 m范圍);連續梁右梁端的小阻力扣件與左梁端對稱布置(164 m范圍);其它范圍采用彈條Ⅳ型扣件。

4.2.2 伸縮力

采用橋上無縫線路設計系統軟件VRF計算鋼軌截面承受的伸縮力及固定墩承受伸縮力T1，分布如圖2所示。計算得到:①連續梁梁端鋼軌截面縱向力較大，為657.2 kN，相當于34.2℃的附加力;②簡支梁固定墩承受伸縮力=222.2 kN/軌，連續梁固定墩承受伸縮力 =78.8 kN/軌。

4.2.3 鎖定軌溫檢算

本方案無縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加力的溫差(34.2℃)，即允許溫降［ΔTd］=98.3-34.2=64.1℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-34.2=38.6℃，檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=64.1℃，合格，富余30℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=38.6℃，合格，富余4.9℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.2.4 小結

方案二軌道檢算通過，本方案可行。方案二的優缺點如下:

1)優點:全橋處于無縫線路固定區，長鋼軌延續不間斷，軌道平順度較好。

2)缺點:方案二存在以下較大的風險:①鋼軌截面縱向力較大，達到657.2 kN，該數值使高溫季節無縫線路溫升富余量僅為4.9℃。②連續梁相鄰簡支梁的墩(臺)承受的梁軌伸縮力較大，達到 T1=222.2 kN/軌，雙線墩(臺)將承受888.8 kN的縱向水平力，該力值將對支座和墩(臺)長期使用不利。

4.3 方案三

4.3.1 無縫線路結構

如圖3，本方案不設鋼軌伸縮調節器，采用超小阻力扣件，全橋處于無縫線路固定區。

圖2 方案二鋼軌截面及固定墩承受伸縮力分布

采用的超小阻力扣件的線路阻力為2.5～7.0 kN/m/軌可調。布置范圍如下:連續梁左梁端100 m及相鄰2孔簡支梁采用小阻力扣件(164 m范圍);連續梁右梁端的小阻力扣件與左梁端對稱布置(164 m范圍);其它范圍采用彈條Ⅳ型扣件(Ⅲb型軌枕、1 667根/km)。

4.3.2 伸縮力

采用橋上無縫線路設計系統軟件VRF計算鋼軌截面承受的伸縮力及固定墩承受伸縮力T1分布如圖4所示。計算得到:①連續梁梁端鋼軌縱向力為424.6 kN，相當于22.1℃的附加力。②簡支梁超小阻力軌道范圍固定墩承受伸縮力:78.8 kN/軌，彈條Ⅳ型扣件范圍固定墩承受伸縮力:119.4 kN/軌，連續梁T1=71.9 kN/軌。

4.3.3 鎖定軌溫檢算

本方案無縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加溫差(22.1℃)，即允許溫降［ΔTd］=98.3-22.1=76.2℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-22.1=50.7℃，檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=76.2℃，合格，富余42.1℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=50.7℃，合格，富余17℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.3.4 小結

本方案軌道檢算通過，方案三合格。本方案優缺點如下:

1)優點:①全橋處于無縫線路固定區，長鋼軌延續不間斷，軌道平順度較好。②橋上無縫線路強度和穩定性具有一定的富余量，橋梁墩臺承受無縫線路縱向力值合理。③超小阻力軌道的應用取代了傳統的鋼軌伸縮調節器，將極大促進橋上無縫線路技術進步。

2)缺點:需投入人力和物力進行超小阻力扣件的研發。

4.4 方案四

4.4.1 無縫線路結構

本方案在連續梁中部每線設一組雙向鋼軌伸縮調節器，自調節器向左至相鄰的2孔32 m簡支梁范圍(380 m范圍)采用既有小阻力扣件(7 kN/m/軌)，調節器右側小阻力扣件對稱布置(380 m范圍)，其余范圍采用彈條Ⅳ型扣件。

圖3 方案三橋上無縫線路結構

圖4 方案三鋼軌截面及固定墩承受伸縮力分布

4.4.2 伸縮力

采用橋上無縫線路設計系統軟件VRF計算得到:①連續梁梁端鋼軌縱向力較大，為655.7 kN，相當于34.2℃的附加力。②簡支梁固定墩承受伸縮力為221.8 kN/軌，連續梁固定墩承受伸縮力為77 kN/軌。

4.4.3 鎖定軌溫檢算

本方案無縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加力溫差(34.2℃)，允許溫降［ΔTd］=98.3-34.2=64.1℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-34.2=38.6℃。檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=64.1℃，合格，富余30℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=38.6℃，合格，富余4.9℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.4.4 小結

方案四軌道檢算通過，但本方案的軌道及墩臺受力與方案二相同，表明在連續梁中部設置雙向鋼軌伸縮調節器并無任何效果，屬多余設置。因此，方案四不可行。

4.5 方案五

4.5.1 無縫線路結構

本方案在連續梁左右梁端內距梁縫3 m處，每線各設一組單向鋼軌伸縮調節器;連續梁左右各相鄰的2孔32 m簡支梁(64 m范圍)采用既有小阻力扣件(7 kN/m/軌)，其余范圍采用彈條Ⅳ型扣件。所采用調節器的型號為:①小里程梁端(左側)位于直線地段，采用時速250 km客運專線(兼顧貨運)有砟軌道60 kg/m鋼軌伸縮調節器。②大里程梁端(右側)位于半徑為4 500 m曲線地段，采用高速鐵路曲線用60 kg/m鋼軌伸縮調節器。

4.5.2 伸縮力

連續梁固定墩承受的伸縮力為0。簡支梁小阻力扣件范圍的簡支梁固定墩伸縮力為110 kN/軌;其它范圍的簡支梁固定墩伸縮力為60 kN/軌。

4.5.3 鎖定軌溫檢算

本方案無縫線路允許溫降［ΔTd］=98.3℃，允許溫升［ΔTu］=72.8℃，檢算最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=98.3℃，鎖定軌溫檢算合格，富余64.2℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=72.8℃，合格，富余39.1℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.5.4 小結

本方案軌道檢算通過，因此，方案五合格。

1)優點:①鋼軌截面及簡支梁固定墩(臺)承受無縫線路縱向力較小，連續梁固定墩除承受制動附加力外，不承受其它無縫線路縱向力。②橋上無縫線路軌道強度和穩定性富余量較大。

2)缺點:①連續梁兩端設置了鋼軌伸縮調節器，對保持軌道平順度不利，而且還需對調節器投入較大的養護工作量。②連續梁右端所采用的高速鐵路曲線用鋼軌伸縮調節器需著手研發。

4.6 方案六

4.6.1 無縫線路結構

本案橋上無縫線路不設鋼軌伸縮調節器，軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)，扣件彈條Ⅳ型扣件，但無縫線路設置夏季和冬季2個不同的鎖定軌溫，如表1所示。

表1 方案六鎖定軌溫 ℃

4.6.2 小結

本方案屬于應急預案，全橋處于無縫線路固定區，長鋼軌延續不間斷，軌道平順度較好。全橋無縫線路需在夏季和冬季設置不同鎖定軌溫，因此每年在夏季和冬季來臨前，都需對橋上無縫線路進行應力放散，并按要求進行鎖定。該項任務工作量巨大，且頻繁。

4.7 方案七

4.7.1 無縫線路結構

本方案在連續梁左右梁端內距梁縫3.0 m處、每線各設一根基本長度為12.5 m的調節器軌;軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)，扣件彈條Ⅳ型扣件。

采用一個鎖定軌溫，為(33±5)℃。調節軌的功能相當于方案五的單向鋼軌伸縮調節器，其基本長度為12.5 m，兩端采用夾板凍結接頭，軌縫設置為8 mm。夏季和冬季長度分別采用不同長度的調節軌，如表2。

表2 調節軌長度及軌縫設置

4.7.2 小結

本方案屬于應急預案，全橋只需設置一個鎖定軌溫，即(33±5)℃。②鋼軌截面及簡支梁固定墩(臺)承受無縫線路縱向力較小，連續梁固定墩除承受制動附加力外，不承受其它無縫線路縱向力。橋上無縫線路軌道強度和穩定性富余量較大。但全橋每股鋼軌存在4個軌縫，軌道平順度和列車通過舒適度差。每年需在夏季和冬季來臨前，更換相對應長度的調節軌，該項任務工作量巨大，且頻繁。

5 總結與建議

5.1 總結

為提高高速線路的平順度、減少線路設備養護維修工作量，盡量減少鋼軌伸縮調節器數量是高速鐵路橋上無縫線路設計最重要原則之一。本文根據高速鐵路曲線上長大溫度跨度橋梁的特點提出了橋上無縫線路設計方案，包括三大類7個方案，如表3所示。這7個方案的優良順序為方案三、方案五、方案六、方案七、方案二。方案一和方案四不可行，推薦采用方案三。

表3 高速鐵路曲線地段高架橋無縫線路方案

5.2 建議

應急預案(方案六和方案七)只用于應急情況，不應長期應用。加大力度進行高速鐵路曲線地段大跨度連續梁鋪設無縫線路研究。著手開展方案三(不設鋼軌伸縮調節器，采用超小阻力扣件)和方案四(采用曲線用鋼軌伸縮調節器)的研究及相關部件的開發，重點研究方案三。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵建設函［2003］205號 新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB2034 鐵路軌道強度檢算法［S］.北京:中國鐵道出版社，1988.

［3］盧耀榮.無縫線路研究與應用［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［4］蔣金洲.高速鐵路混凝土高架橋無縫線路的研究［J］.鐵道建筑，2004(增刊):34-38.

［5］高應安.連續梁橋無縫線路計算分析［J］.鐵道建筑，2005(11):18-20.