公路城軌兩用大跨度鋼桁梁斜拉橋鋪設無砟軌道關鍵技術

周虎利

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安//高級工程師）

近年來，隨著城市景觀的要求越來越高，在城市軌道交通的橋梁中大跨度橋梁的比例在迅速增加。特別是山城重慶市，軌道交通在跨越長江及嘉陵江時均選用公路與城軌兩用的大跨度橋梁結構。重慶軌道交通6號線一期工程的東水門長江大橋、千廝門嘉陵江大橋及5號線粉房灣長江大橋，均采用了公路城軌兩用上下重疊的大跨度鋼桁梁斜拉橋。同時，為了減少運營后的養護維修工作量，降低軌道結構的二期恒載，在大跨度斜拉橋上均選用少維修、自重較輕的無砟軌道結構。

國內外公路與城軌（或鐵路）合建的橋梁中，類似的有香港青馬大橋、武漢天行洲長江大橋、上海崇明長江大橋等。香港青馬大橋為公路城軌兩用懸索橋，下層軌道交通采用無砟軌道；武漢天行洲長江大橋為公鐵兩用斜拉橋，下層通行車速250 km/h的四線鐵路，采用有砟軌道；上海崇明長江大橋為公路與軌道交通合建的斜拉橋，橋面上在保持公路6車道的情況下兩側預留2股道輕軌線路。目前，對于公路城軌兩用大跨度斜拉橋鋼桁梁正交異性板上鋪設無砟軌道還缺少相關規范及工程實例，其理論儲備和應用經驗也不足。因此，通過對重慶市東水門長江大橋和千廝門嘉陵江大橋（以下簡為“兩江大橋”）的結構進行分析研究，收集、分析、總結國內外類似大跨橋梁鋪設軌道的相關資料，提出了一種切實可行的在公路城軌兩用大跨度鋼桁梁斜拉橋上鋪設無砟軌道的技術方案。

1 兩江大橋的結構特點

1.1 兩江大橋的結構型式

重慶市軌道交通6號線一期工程的東水門長江大橋、千廝門嘉陵江大橋都采用了公路城軌兩用大跨度鋼桁梁斜拉橋。斜拉橋分為上、下兩層，上層設置公路，下層通行城市軌道交通。

東水門長江大橋為雙塔單索面雙層鋼桁梁斜拉橋，其主橋跨布置形式為：222.5m＋445.0m＋190.5m（見圖1）。

圖1 東水門長江特大橋主橋孔跨布置圖

千廝門嘉陵江大橋為單塔單索面雙層鋼桁梁斜拉橋，其主橋跨布置型式為：312m＋240m。千廝門嘉陵江大橋主橋孔跨布置圖見圖2。

圖2 千廝門嘉陵江大橋主橋孔跨布置圖

兩江大橋均采用公路、軌道交通合建模式。大橋分上、下兩層，上層設置人行道及雙向4車道公路，下層是2股城市軌道交通線。其橫斷面圖見圖3。

圖3 兩江大橋主梁標準節段橫斷面

1.2 兩江大橋的結構特點

1）橋梁橫斷面采用雙層布置方案，為公路與城軌兩用，受力復雜。

2）橋梁為半漂浮體系斜拉橋，跨度較大。

3）斜拉橋本身屬于柔性結構，同一般的梁式橋相比，存在梁端位移（梁端轉角、基礎豎向位移、坡道橋梁伸縮）大、橋梁豎向撓度大、梁軌溫度伸縮位移大、梁縫大等不利影響。

4）公路和軌道交通的橋面均采用正交異性板鋼橋面。

公路城軌合建大跨度鋼桁梁斜拉橋的這些結構特點，對橋上鋪設軌道結構提出了較高的要求：大橋采用的軌道結構應該自重較輕，具有較小的二期恒載；在列車荷載作用下，能夠適應橋梁發生較大的撓度和梁端轉角的影響；在溫度荷載作用下，能夠適應橋梁發生較大伸縮變形所引起較大的梁軌相互作用；滿足橋上無縫線路的強度和穩定性要求，滿足列車運營的安全性和乘客乘坐的舒適性。

2 兩江大橋的軌道結構型式

2.1 軌道類型的選擇

公路城軌兩用大跨度鋼桁梁斜拉橋本身屬于柔性結構，橋上軌道結構需適應主梁變形過大的問題。有砟軌道由于道砟為散粒體，具有一定的流動性，雖然比較適應主梁變形大的問題，但其自重大、二期恒載大，養護維修工作量也很大，且由于城市軌道交通開行密度高，使有砟軌道的養護成為難題。無砟軌道具有軌道建筑高度小、自重輕、線路平順、穩定性好、整體性強及養護維修工作量少等特點，比較適合列車高密度開行的需要。雖然其道床剛度大，橋梁的變形對軌道結構不利，但通過對無砟軌道結構采取一定的措施，能夠適應主梁變形過大的問題。有砟軌道與無砟軌道的優缺點比較見表1所示。

表1 有砟軌道和無砟軌道比較表

經綜合比較，無砟軌道在二期恒載、維修性、結構壽命、軌道結構空間等方面較有砟軌道具有很大的優勢，故兩江大橋軌道類型采用無砟軌道結構。

2.2 兩江大橋軌道結構設計方案

目前國內外對于采用“上層公路＋下層軌道交通”模式、跨度大于445m的鋼桁梁斜拉橋正交異性鋼橋面板上鋪設無砟軌道尚無工程實例。通過研究公路城軌兩用大跨度鋼桁梁斜拉橋的特點，提出在兩江大橋上采用輕型承軌臺式無砟軌道結構型式，以滿足大跨度斜拉橋對軌道結構的要求。

2.2.1 承軌臺式整體道床

兩江大橋無砟軌道由鋼軌、扣件、防脫護軌、普通鋼筋混凝土短枕、承軌臺、鋼筋混凝土底座等組成。

1）鋼軌：選用60kg/m U75V鋼軌，按一次鋪設無縫線路設計。

2）軌枕及扣件：選用鋼筋混凝土短枕，彈性聯接e型彈簧小阻力扣件，扣件節點間距為625mm。

3）承軌臺：采用兩道短枕式C40鋼筋混凝土現澆縱向承軌臺，每道承軌臺寬0.8m；承軌臺分段布置，縱向每隔4對短枕設一道寬度100mm的伸縮縫；承軌臺底部通過預埋鋼筋鉤同底座板連接；軌頂至承軌臺底的高度為500mm。

4）底座板：采用寬2.8m的現澆C40鋼筋混凝土底座板；底座板分段布置，每隔8對短枕設置1道寬為100mm的底座板伸縮縫。底座板可采用剪力銷釘或限位擋板來限位，在底座板與正交異性鋼橋面板之間設置防水樹脂砂漿粘結層。

5）軌道結構自重：為2.4t/單線延米，包括鋼軌、扣件、短枕、承軌臺、底座板等的質量，未計入相關專業，如信號、供電等專業設備的質量。

6）軌道結構橫斷面圖、平縱斷面布置圖及效果圖見圖4～6所示。

2.2.2 軌道結構的限位措施

底座板可采用剪力銷釘或限位擋板來限位。兩種方式均可通過梁面撓曲引起的無砟軌道結構附加力檢算。

圖6 兩江大橋軌道結構效果圖

1）剪力銷釘：每兩對短枕中間設4根φ32mm剪力銷釘，每5m長（單線）底座共設置16根剪力銷釘（見圖7）。

圖7 剪力銷釘布置圖

2）限位擋板：在每5m長底座板設置1對限位擋板（見圖8），限位擋板和承軌臺混凝土接觸面設置彈性墊層。

圖8 限位擋板布置圖

由于剪力銷釘在鋼橋面板的焊接點較多，為此兩江大橋采用限位擋板對道床進行限位。

2.2.3 跨梁縫裝置

重慶市軌道交通6號線一期工程東水門長江大橋、千廝門嘉陵江大橋跨梁縫處鋼軌的支承間距將達到正常支承間距的2～3倍（東水門長江大橋伸縮縫寬為560mm，千廝門嘉陵江大橋伸縮縫寬為480 mm，另外還需考慮橋梁溫度伸縮、活載引起的梁縫變化）。故必須在梁縫處采取加強措施，才能保證軌道的平順性，保證軌道交通的安全運行。

國內外解決跨梁縫處軌枕間距過大的方式有三種。

1）加強鋼軌斷面：能夠減小鋼軌豎向位移、降低鋼軌應力，但對于兩江大橋主梁梁端鋼軌最大支承間距達到正常鋼軌支承間距2～3倍的情況卻仍難以適應。

2）在梁端部設置短梁方案：即墊梁方案。墊梁跨越梁縫，搭接在梁縫兩側的梁跨上。墊梁上部埋入短軌枕，下部設置混凝土底座。墊梁一端設置固定端傳力鍵，一端設置活動端傳力鍵，通過傳力鍵將荷載傳遞給底座。墊梁與底座之間的接觸面設置不銹鋼板，以保證墊梁與底座之間能夠相對滑動。這一方案對橋梁結構影響較大，成本較高，且不宜用于梁縫伸縮量較大的情況。

3）抬枕裝置：為解決大跨度橋梁因收縮致使梁縫兩側軌枕間距擴大，在梁縫處增設鋼枕以支承鋼軌，調整鋼軌支承間距。鋼枕受連桿牽引，始終保持在兩側軌枕中心，見圖9所示。在梁縫處設置了剪刀形鋼質持中裝置。梁逢處的支承主要有單軌枕支承和雙軌枕支承兩種。支承軌枕的截面型式有工字形截面和T形截面兩種。抬枕裝置通過設置一根或兩根居中軌枕可將梁縫變化均分至2個或3個軌枕間距內，能較好地解決梁縫處軌枕間距變化幅度大的問題。

圖9 大跨度橋梁大梁縫的臺枕裝置示意圖

兩江大橋對跨梁縫的處理采用抬枕裝置。

1）抬枕裝置的鋪設條件：重慶軌道交通6號線一般地段的軌枕間距為625mm。根據短枕式無砟軌道施工機具的安裝誤差以及對無砟軌道軌枕間距的一般要求，確定最大軌枕間距為700mm，則兩江大橋4處共需鋪設8組抬枕裝置。

2）抬枕裝置的布置：抬枕裝置設置在主橋鋼桁梁梁縫兩端約6m范圍內，由鋼軌枕、縱梁、置中連接件及各種扣壓件等組成。設置范圍內不改變軌道結構高度，但軌道結構寬度增加為3.5m。抬枕裝置平面布置圖見圖10，抬枕裝置效果圖見圖11。

圖10 抬枕裝置平面布置圖

圖11 抬枕裝置效果圖

兩江大橋的抬枕裝置后設置單向鋼軌伸縮調節器。東水門長江大橋兩側梁縫后各有25m直線段，千廝門嘉陵江大橋小里程端梁縫后有36m位于直線段，大里程端全部位于直線上，故可將鋼軌伸縮調節器設置在梁縫后的25m直線段范圍內。

3 兩江大橋軌道結構檢算

兩江大橋的橋梁跨度較大，采用無砟軌道結構，鋪設無縫線路，由此引發大跨度鋼桁梁橋與無砟軌道結構的適應性問題，故必須對兩江大橋的軌道結構進行受力分析。

3.1 計算參數

1）氣象資料：當地極限最高氣溫為44.0℃，極限最低氣溫為－2.5℃，鎖定軌溫暫定為（31±5）℃，則最大升溫幅度為38℃，最大降溫幅度為38.5℃。

2）鋼梁溫差：±25℃。

3）線路縱向阻力：①鋪設常阻力扣件時，軌面無載時的線路每股鋼軌的縱向阻力R取14.0kN/m，軌面有載時R取21.5kN/m。②鋪設小阻力扣件時，軌面無載時R取6.4kN/m，軌面有載時R取9.8kN/m。

4）荷載：列車軸重取14t，軸距為2.3m。

5）溫度應力、動彎應力計算參數：

·鋼軌容許應力［σ］＝351.5MPa；

·扣件節點間距a＝625mm；

·鋼軌鋼的彈性模量E＝2.1×107N/cm2；

·鋼軌鋼的線膨脹系數α＝11.8×10－6/℃；

·鋼軌橫斷面面積F＝77.45cm2；

·鋼軌對水平軸線的慣性矩I＝3 217cm4；

·鋼軌上部斷面系數Wj＝339.4cm3；

·鋼軌下部斷面系數Wd＝396.0cm3；

·橫向水平力系數f＝1.25；

·鋼軌支點剛度D＝50.0kN/mm；

·速度系數γ＝0.6；

·偏載系數β＝0.002Δh（Δh為未被平衡的超高值）。

3.2 鋼軌溫度應力和動彎應力計算

3.2.1 鋼軌溫度應力σt的計算

設鋼軌的溫度變化幅度為Δt（℃），則可得σt＝2.48Δt（MPa）

鋼軌最大溫度壓應力σt壓＝2.48×38MPa＝94.24MPa

鋼軌最大溫度拉應力σt拉＝2.48×38.5MPa＝95.48MPa

3.2.2 鋼軌動彎應力的計算

鋼軌基礎彈性模量u＝D/a

式中：

Pi——輪對的靜重；

μ（xi）——彎矩影響系數。

鋼軌的動彎矩Md＝（1＋γ＋β）M0

軌底邊緣動應力最大值

軌頭邊緣動應力最大值

3.3 無縫線路檢算

由于兩江大橋采用鋼結構梁體且溫度跨度較大，故梁體伸縮引發的鋼軌附加力及梁軌相對位移相應較大，需進行橋上無縫線路穩定性檢算。兩江大橋全橋范圍內采用小阻力扣件，橋梁兩端鋪設兩組伸縮調節器。

1）伸縮附加力計算：通過計算，可得每根鋼軌伸縮附加力分布及鋼軌與橋梁的縱向相對位移，如圖12及圖13所示。由于橋梁兩端均設置鋼軌伸縮調節器，故梁縫處的伸縮附加力可忽略不計。

2）制動力計算：在伸縮附加力最大位置處的鋼軌最大制動應力按10.0MPa計。

3）鋼軌應力檢算：

·鋼軌最大壓應力為

·鋼軌最大拉應力為

故滿足無縫線路強度要求。

4）斷縫λ檢算：

滿足規范要求。

由上述計算結果可知，兩江大橋采用無砟軌道結構，橋梁兩端分別設置一組單向鋼軌伸縮調節器即可滿足橋梁無縫線路的鋪設要求。

3.4 梁端轉角分析

由于無砟軌道結構基礎均為剛性混凝土道床板，當橋梁梁端產生變形時將直接通過扣件使鋼軌產生變形，對梁縫附近扣件及鋼軌產生附加力，因此需要檢算梁端豎向轉角產生的軌道扣件上拔力。

以兩江大橋的梁跨型式，并結合無砟軌道結構，分別按梁端轉角、梁端支座基礎的豎向位移及坡道橋梁伸縮等三種情況下的橋梁轉角對扣件產生的上拔力進行了分析。

通過分析可知，普通結構允許梁端轉角最小（折算成坡度為1.2‰），抬枕裝置次之（單枕為1.8‰、雙枕為2.5‰），墊梁裝置允許梁端轉角最大（為6.5‰）。考慮到兩江大橋均為大跨度鋼桁梁，橋梁溫度跨度較大，梁體伸縮位移量較大，普通結構及墊梁結構均存在梁縫處軌枕間距變化幅度較大問題。抬枕裝置通過設置1根或2根居中軌枕可將梁縫變化均分至2個或3個枕間距內，故能較好地解決了梁縫變化幅度大及梁端轉角大的問題。

3.5 梁面撓曲引起的無砟軌道結構附加力分析

鋼桁梁撓跨比較大，橋梁撓曲時梁面變形曲線及曲率相應較大，故需進行兩江大橋梁面無砟軌道結構的靜力檢算。

通過對無砟軌道道床附加彎矩、抗剪力、抗拔力等的檢算，在兩江大橋最大變形情況下，無砟軌道道床附加彎矩可滿足混凝土結構強度要求；縱向擋塊抗剪強度滿足線路阻力要求，豎向抗拔強度也滿足橋梁變形要求。

4 結語

通過分析公路城軌兩用大跨度斜拉橋的結構特點，結合重慶兩江大橋無砟軌道的設計情況，提出了一種在公路城軌兩用大跨度鋼桁梁斜拉橋上鋪設的輕型無砟軌道結構型式。該輕型無砟軌道結構可有效地降低軌道結構的二期恒載，減少運營后的養護維修；在大梁縫處采用抬枕裝置配合鋼軌伸縮調節器，能有效避免線路剛度不均、鋼軌支點距離過大的問題，使鋼軌在梁縫處的各項位移減小，降低了鋼軌在梁端的應力集中，保證了軌道交通行車的安全性。目前兩江大橋正在施工之中。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.

［2］苗彥英.城市軌道交通［M］.北京：北京科學技術出版社，1994.

［3］施仲衡.地下鐵道設計與施工［M］.西安：陜西科學技術出版社，1997.