大溫差地區有砟橋上無縫線路的設計分析

馬貴軍

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

大溫差地區有砟橋上無縫線路的設計分析

馬貴軍

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

我國西部地區的鐵路，以現場條件差、高寒、高海拔、大溫差等特點帶來許多技術難題，特別是在小半徑曲線、大跨度橋梁地段鋪設無縫線路，更加需要精心設計和施工，為以后的安全運營提供最直接的基礎條件。本文通過內蒙古、青藏等地區橋上無縫線路的研究設計，對高寒大溫差地區鋪設無縫線路的關鍵技術進行了分析研究和總結，為今后在該地區拓寬無縫線路鋪設范圍積累經驗。

大溫差 有砟軌道 無縫線路 橋上線路

橋上無縫線路鋪設與路基上不同，其鋼軌除受溫度力作用之外，還受到因梁體伸縮而引起的伸縮力、因梁體撓曲而引起的撓曲力作用。這些力同時又反作用于梁跨及固定支座，使墩頂發生縱向位移。此外，如果在橋上發生斷軌，或者是無縫線路伸縮區設置在梁上時，鋼軌的伸縮變形也會通過梁軌間的約束，使墩臺和固定支座受到斷軌力或溫度力的作用。

本文介紹了內蒙地區某大橋橋上無縫線路的設計計算，并提出幾點設計技巧。

1 大溫差區大跨度橋上無縫線路分析與設計

內蒙某鐵路項目鋪設無縫線路地段，屬于寒冷大溫差地區，且為重載鐵路。鐵路主要技術條件為：萬噸電力牽引，最小曲線半徑800 m，縱坡6‰～13‰，有砟軌道。所在地區歷史最高、最低氣溫分別為40.2℃和-34.5℃。某特大橋橋高80 m，設計主跨為(48+80+80+48)m連續剛構。根據本項目的具體特征，結合《暫規》和其它研究成果，編制了該處特殊結構橋上無縫線路的設計方案。

1.1 無縫線路鎖定軌溫

無縫線路鎖定軌溫的確定需要綜合考慮當地氣象條件、軌道強度、軌溫變化幅度、無縫線路穩定性和斷縫允許值等因素。

對于寒冷大溫差地區，鎖定軌溫的取值范圍通常較窄，修正值的選擇一般為負值，但也要根據允許溫升、允許溫降及其它因素綜合考慮，視具體情況而定。通過計算得到曲線半徑800 m區段允許溫升［Δtc］為50.86℃，由斷縫決定的允許溫降［Δtd］為65.11℃，所得設計鎖定軌溫為(18±5)℃，其溫升、溫降幅度均在允許范圍內。因溫差較大，預留軌縫難以取值，同時考慮重載鐵路大坡道制動引起軌溫升高對溫度壓力的影響，最終確定在800 m半徑及相鄰段設計鎖定軌溫為(17±3)℃。

1.2 橋上無縫線路設計

線路條件為鋪設60 kg/m U75V鋼軌，Ⅱ型混凝土橋枕(每公里鋪設1 667根)，Ⅱ型彈條扣件，道床肩寬為45 cm、堆高15 cm。機車類型為SS4型，設計行車速度為100 km/h。

1.2.1 基本參數

1)梁溫差：混凝土有砟梁Δt=15℃。

2)線路縱向阻力(見表1)。

表1 線路縱向阻力值 N/(cm·軌)

3)將該橋連續剛構兩側多跨32 m簡支梁簡化為各5跨。

1.2.2 伸縮附加力計算

墩頂縱向水平線剛度取500 kN/(cm·線)，橋臺臺頂縱向水平線剛度取2 200 kN/(cm·線)。鋼軌伸縮附加力如圖1所示(橫坐標原點為橋端)，鋼軌最大附加拉力為297.946 kN，出現在連續剛構右側梁端;鋼軌最大附加壓力為243.963 kN，出現在鄰近固定端橋臺梁跨。

梁軌縱向位移如圖2所示，最大墩頂水平位移為4.33 mm≤5=28 mm，墩臺頂位移滿足要求。最大墩臺作用力發生在鄰近連續剛構的梁跨，最大墩臺力為108.4 kN，連續剛構梁跨的墩臺力為54.4 kN。

圖1 鋼軌伸縮附加力

圖2 梁軌縱向位移

圖3 斷軌后縱向力分布

圖4 斷軌后梁軌縱向位移

1.2.3 撓曲附加力計算

以列車荷載由活動端一側進入梁內，或由連續梁端進入梁內作為不利條件。由于撓曲附加力遠小于伸縮附加力，故本文不再列出。

1.2.4 斷縫及斷軌力計算

由當地最低軌溫Tmin=-34.5℃，假設該段無縫線路最大降溫幅度為58℃。線路縱向阻力取110 N/(cm·軌)。其斷軌后縱向力及梁軌位移分布結果如圖3、圖4所示。

斷縫發生在連續剛構右側梁端，設最大降溫幅度為58℃時斷縫值為79.5 mm，不超過允許斷縫值80 mm，因此降溫幅度58℃已為極值。

橋梁墩臺及固定支座承受的斷軌力，按一跨簡支梁長的線路縱向阻力之和計算，但斷軌力不得超過最大溫度拉力。

取鋼軌的線膨脹系數α為1.18×10-5/，彈性模量E為2.1×105MPa，斷面積F為7 745 mm2。則鋼軌拉斷力T3=110(縱向阻力)×7 902(梁長)=869 kN。最大溫度力 Ptmax=αEΔtF=2.478×58×7 745=1 113 kN。

兩相比較斷軌力滿足要求。

斷軌時另一股未斷軌最大伸縮拉力由298.11 kN增大至391.41 kN，鋼軌底部拉應力=393.57 MPa≤［σ］=489 MPa，則另一股鋼軌不會在同一斷面處折斷。

1.2.5 軌道強度檢算

溫度拉應力

σt=αEΔt=2.478Δt=2.478×58=143.72 MPa

附加拉應力

σs=P附/F=(298.11/7 745)×1 000=38.49 MPa

(啟)制動力按一跨剛構梁上列車豎向靜活載的10%計算，則(啟)制動應力為

σc=68.95 MPa

考慮鋼軌初彎應力，總應力σ為

σ =σd+σt+σs+σc=131.64+143.72+38.49+68.95=382.8 MPa

國產 60 kg/m U75V鋼軌，允許應力［σ］取489 MPa，則總應力≤［σ］;鋼軌強度滿足要求。

1.2.6 軌道穩定性檢算

橋上無縫線路兩鋼軌受到的溫度壓力和伸縮壓力之和不應超過軌道穩定的容許壓力，即2(Pt壓+Pt伸壓)≤［P］。其中 Pt壓= αEFΔt升=905.87 kN，Pt伸壓=298.11 kN。

Ⅱ型軌枕等效道床阻力Q取84 N/cm，代入溫度力計算程序得PN=2 628.6 kN。允許溫度壓力［P］=PN/K=2 628.6/1.3=2 021 kN。

軌道穩定性檢算：2(Pt壓+Pt伸壓)=2 ×(905.87+298.11)=2 408 kN ＞［P］=2 021 kN。

穩定性檢算不能滿足要求。

采用新Ⅲ型混凝土橋枕，等效道床阻力 Q取112 N/cm，代入溫度力計算程序得PN=3 365.6 kN。允許溫度壓力［P］=2 588 kN。

2(Pt壓+Pt伸壓)=2 × (905.87+298.11)=2 408 kN ＜［P］=2 588 kN。

軌道穩定性檢算滿足要求。

1.2.7 設計小結

采用60 kg/m U75V軌、新Ⅲ型混凝土橋枕、彈條Ⅱ型扣件、道床肩寬＞45 cm，堆高＞150 mm的軌道結構，在最高最低軌溫差為94.7℃、設計鎖定軌溫Ts=(18±5)℃的情況下，橋上無縫線路的軌道強度、穩定性、斷縫及斷軌力均滿足要求，不需設置鋼軌伸縮調節器。

2 大溫差地區橋上無縫線路設計技巧

通過對該工點及其他工點的橋上無縫線路設計與研究，總結大溫差地區橋上無縫線路設計方法和技巧如下。

2.1 與橋梁設計緊密結合

通過對不同跨度、結構橋梁的計算分析，采用不同的橋型、不同的固定支座位置、不同的加載方式、墩臺不同的線剛度，對鋼軌附加力的影響是不一樣的，特別是橋梁結構類型和固定支座設置位置的影響。例如經計算，對于大跨度梁結構，奇數跨連續梁和連續剛構通過調整不同固定墩位置，其梁端最大附加伸縮力前者較后者大很多。

2.2 增大軌道允許降溫和升溫幅度

提高軌道允許降溫幅度，實質上是提高軌道結構的容許溫差。通過選用高強度鋼軌，如強度等級大于980，1 180 MPa的U75V，U78CrV等高強度熱軋和熱處理鋼軌，使得容許溫差增大，為擴大橋上無縫線路鋪設范圍提供技術保證。

軌道允許降溫幅度的增大，相應鋼軌斷縫值會隨之增大，當斷縫到一定程度，會影響到行車的安全，加速軌道惡化。因此在提高線路縱向阻力減小斷縫值的同時，降溫幅度會有一極值，計算時應綜合考慮。

2.3 合理確定鎖定軌溫及其容許范圍

合理確定鎖定軌溫及其容許范圍，是在高寒、大溫差地區擴大鋪設溫度應力式無縫線路范圍的有效途徑，可以從以下幾個方面進行研究。

1)提高軌道結構的整體強度

Ⅲ型混凝土枕，Ⅱ、Ⅲ型扣件，特級、一級碎石道床，以及通過加寬砟肩寬度、堆高，加設小曲線半徑處橫向撐等，均能有效加大線路縱橫向阻力，從而提高允許升、降溫幅度，對設計鎖定軌溫的確定及其容許范圍可以有較大的空間。

2)盡量縮小設計鎖定軌溫的范圍

在可能的條件下盡量縮小設計鎖定軌溫的范圍，實質是讓施工鎖定軌溫更接近于設計鎖定軌溫中間值，以擴大容許升、降溫幅度，適應更極端的現場環境。因此可以在偏低軌溫下采用長軌條拉伸法施工，一次拉伸到中間鎖定軌溫進行鎖定。

3)采用二次鎖定法鎖定線路

無縫線路鋪設時先按常規方法予以鎖定，待線路通過一定噸數后，進行一次應力放散，把因列車輾壓而降低的軌溫放散出來，再進行最終鎖定。從而使鎖定軌溫更可靠準確，充分利用原設計的容許溫升和容許溫降。

3 結語

由于我國西部地區海拔高、高寒、溫差大，給大跨度橋梁地段無縫線路鋪設帶來困難，因此除對橋上無縫線路進行檢算外，還可以通過合理確定鎖定軌溫、增大軌道允許降溫和升溫幅度等方法加強軌道結構，提高橋上無縫線路的強度和穩定，使橋上無縫線路的鋪設范圍更廣泛。

［1］廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［2］盧耀榮.無縫線路研究與應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［3］徐慶元，陳秀方.連續梁橋上無縫線路附加力的研究［J］.中國鐵道科學，2003，24(3)：58-63.

［4］李建強.大溫差地區重載鐵路無縫線路設計關鍵問題研究［J］.鐵道建筑，2012(5)：148-150.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10082—2005 鐵路軌道設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［6］李斌，韓峰.橋上無縫線路鋼軌縱向附向力研究［J］.甘肅科技，2004，20(2)：115-116.

U443.31+2;U213.9+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.02.31

1003-1995(2014)02-0098-03

2013-06-13;

2013-10-22

馬貴軍(1981— )，男，甘肅蘭州人，工程師。

(責任審編 孟慶伶)