客運專線無砟軌道梁端鋼軌超限支承間距處理措施

于 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

客運專線橋梁比例通常較高，長聯、大跨等特殊結構橋梁使用較為廣泛［1］。特殊結構橋梁由于梁體的溫度伸縮、混凝土收縮、徐變等［2］原因引起橋梁梁縫變化量過大，造成梁端處鋼軌支承間距超限。列車通過較大的鋼軌支承間距處時，在相鄰鋼軌支承點中部引起較大的垂向、橫向位移，形成短波不平順［3，4］，加劇列車動力沖擊，導致旅客舒適度降低，以及軌道結構和部件使用壽命縮短，甚至危及行車安全。

1 造成梁端鋼軌支承間距增大的原因

梁端鋼軌支承間距增大的原因一般有以下幾種:1)簡支梁在直線、曲線上均為直線梁，曲線上內側為標準梁縫，外側梁縫增大。簡支梁與簡支梁間或簡支梁與臨近連續梁的梁縫都存在曲線外側梁縫增大。如半徑7 000 m曲線上32 m簡支梁，曲線內側梁縫最小為標準值100 mm，曲線外側線路外軌處梁縫為143 mm，扣件節點間距由標準的621 mm～664 mm，增加43 mm。2)混凝土連續梁收縮、徐變引起梁縫增大。3)溫度變化引起的橋梁縮短。4)列車制動或加速引起的梁縫變化。5)橋梁施工誤差，導致實際梁縫大于設計梁縫。梁縫最大值為設計梁縫與溫度變化、收縮、徐變、制動或加速等可能引起的梁縫增加量之和。

2 超限鋼軌支承間距處理措施

為解決鋼軌超限支承間距問題，工程設計人員主要提出采用梁端道床板懸出、設置抬枕裝置和跨梁縫短梁等措施。其中梁端道床板懸出適用于梁縫較小的情況，其余兩種則是針對梁縫較大的情況設計的，梁縫越大對梁端鋼軌的支撐越不利。本節對梁端道床板設計方案進行簡要介紹，主要對兩種適用于大梁縫的設計方案進行研究。

1)梁端道床板懸出。一般情況下，梁縫處道床板需設置伸縮縫，道床板邊緣與梁端對齊設置。當梁縫處道床板(軌道板)鋼軌支承間距超出限值時，可將道床板懸出梁端一定長度，以減小跨越梁縫處的鋼軌支承間距(見圖1)。

道床板(軌道板)懸出梁端，需要根據無砟軌道施工時機，確定橋梁結構剩余的收縮、徐變量，進而確定懸出量，必須保證溫度升高時，伸縮縫不頂嚴。因此，道床板(軌道板)懸出梁端的距離不能過大，適用于支承間距超限較小的情況。

圖1 道床板（軌道板）懸出示意圖

長大連續梁一側道床懸出梁端的最大值一般不大于60 mm;簡支梁一側道床懸出梁端一般宜為20 mm～30 mm。哈大客運專線大跨度連續梁梁縫采用軌道板懸出梁端設計措施，鋼軌支承間距滿足設計要求，施工便捷、簡單，應用情況良好。

2)抬枕裝置。梁端抬枕裝置的設計思路為在梁端鋼軌支承間距超限處，加入額外的軌枕(增加鋼軌支點)，使額外軌枕兩側的鋼軌支承間距都能小于限值要求;同時，加入軌枕持中裝置，使兩側鋼軌支承間距對稱，軌枕居中，剛度均勻(見圖2)。

圖2 抬枕裝置結構圖

鋼軌外側增設兩根鋼縱梁，沿線路縱向，梁縫一側采用固定式扣壓塊與軌枕連接，梁縫另一側采用滑動式扣壓塊與軌枕連接。其工作原理為橋梁伸縮時縱梁在固定扣壓塊一側與道床板沒有相對位移，滑動式扣壓塊一側兩者之間發生縱向滑移。連桿設備兩端與埋在混凝土道床內的軌枕連接，中心與鋼枕連接，可使鋼枕在橋梁伸縮時始終處于梁縫中間，保證鋼枕前后支承間距相等。

抬枕裝置由于在鋼軌支承間距超限處增加了鋼軌支點，同時通過連桿設備保證軌枕間距均勻，適用于鋼軌支承間距超限較大的情況。一般梁端單枕支承抬枕裝置適用范圍為梁縫兩側鋼軌支承間距750 mm～1 300 mm。

為分析梁縫處設置抬枕裝置方案的可靠性，本文針對鋼軌支撐間距達到1 300 mm的情況，基于有限元分析方法建立了抬枕裝置有限元模型，對輪載作用下鋼縱梁、鋼軌及扣件的受力及變形特性進行了模擬分析。具體如下:

1)計算模型。

本文建立的梁縫處抬枕裝置有限元模型如圖3所示。其中道床板采用實體單元模擬;鋼軌、鋼縱梁及軌枕采用等截面梁單元模擬;扣件和縱梁扣壓件采用線性彈簧單元模擬。板上扣件間距為625 mm;伸縮縫處扣件間距為650 mm;伸縮縫寬度1 300 mm。抬枕裝置扣件位置編號見圖4。

圖3 抬枕裝置有限元分析模型圖

圖4 抬枕裝置扣件位置編號

2)檢算指標。

檢算指標包括鋼軌、鋼枕、鋼縱梁的強度及變形以及扣件上拔力、扣件墊板的壓縮變形量。a.鋼枕、鋼縱梁強度檢算。在列車荷載作用下，鋼枕、鋼縱梁的最大拉、壓應力要小于所用鋼材的容許強度235 MPa。b.扣件上拔力檢算。鋼軌對扣件上拔力應小于扣件扣壓力12 kN。c.扣件墊板壓縮變形檢算。由于膠墊壓縮變形過大將影響膠墊的疲勞壽命［5，6］，所以限定膠墊變形不能超過自身厚度的20%［7］，WJ-7B型扣件彈性墊板厚度10 mm，膠墊變形應小于2 mm。

3)計算參數。

鋼軌采用60 kg/m鋼軌;道床板采用C40混凝土;道床板上選取WJ-7型扣件，鋼枕上選取超小阻力扣件;鋼枕和鋼縱梁采用Q235鋼。計算參數如表1，表2所示。

表1 材料參數表

表2 結構尺寸表 mm

取設計軸重20 t，動荷系數取3.0，采用單軸加載，將兩個車輪的作用力簡化為兩個豎向集中力，作用在梁縫中部截面鋼軌上。

4)計算結果。

由表3，表4可以看出:鋼軌的最大位移為1.56 mm，鋼枕的最大位移為0.76 mm，鋼縱梁的最大位移為0.16 mm，扣件最大上拔力為3.5 kN，最大下壓力為56.67 kN。

表3 位移及彎矩計算結果匯總表

表4 扣件反力計算結果匯總表

根據WJ-7B扣件節點靜剛度為35 kN/mm，并考慮靜動剛度比為1.3，扣件節點動剛度取50 kN/mm，可計算得出對應扣件最大扣壓力的膠墊最大壓縮變形量為1.13 mm。

鋼枕的最大彎矩:Mmax1=31.263 kN·m。

鋼枕、鋼縱梁應力均小于材料強度;鋼軌豎向位移、扣件反力及扣件墊板最大壓縮量均滿足要求，且具有一定的安全儲備。

根據以上分析可知，抬枕裝置可以有效解決大梁縫處超限鋼軌支承間距問題。

跨梁縫短梁:

跨梁縫短梁是利用道床板跨越梁縫，下部設置混凝土底座。短梁一端設置固定端傳力鍵，另一端設置活動端縱肋結構，將荷載傳遞給底座，同時實現道床板的限位。滑動端一側設置不銹鋼摩擦副或不銹鋼板與高密度聚乙烯板滑動副，以保證墊梁與底座之間能夠相對滑動(見圖5，圖6)。其優點是墊梁與底座完全接觸，道床板滿支承，基本不承受彎矩，結構穩定、可靠。

鋼縱梁最大彎矩:Mmax2=21.287 kN·m。

圖5 跨梁縫短梁示意圖

圖6 跨梁縫短梁結構圖

為研究跨梁縫短梁的可行性，本文基于有限元方法，建立了“梁—板—板”實體有限元分析模型，對跨梁縫短梁在列車荷載、溫度荷載、梁端轉角等作用下的受力變形特性進行了研究分析。

1)計算模型。

本文所建立的有限元模型如圖7所示。

鋼軌以梁單元模擬，扣件以彈簧單元模擬，短梁、底座采用殼單元模擬，橋梁以實體單元模擬。

圖7 跨梁縫短梁有限元分析模型

2)計算參數。

設計動輪載取300 kN，考慮垂向溫度的影響，溫度梯度取45 ℃ /m［8］。

當梁體結構發生梁端豎向轉角時，對墊梁的受力狀態是不利的。依據橋梁與橋梁間的相對轉角限值為2‰rad進行計算。梁端轉角示意圖見圖8。

圖8 梁端轉角示意圖

梁縫伸長時，墊梁懸空的長度更大，對墊梁受力不利［9，10］。按梁縫最大伸長量為0.6 m，即梁縫寬度0.9 m進行計算。相關計算參數如表5所示。

表5 計算參數表

3)計算結果。

計算結果匯總表見表6。

表6 計算結果匯總表

按各種荷載同時作用的最不利工況進行組合，得到短梁的彎矩值見表7。根據表7可以看出:墊梁的最大等效應力4.52 MPa，小于混凝土軸心抗壓強度標準值fck=26.8 MPa，滿足設計要求。

表7 最不利荷載組合情況下短梁彎矩值

研究表明:跨梁縫短梁設計方案能夠滿足現場需求。

3 結語

綜合上述研究結果，本文得出的主要結論及建議如下:

1)針對大跨連續梁梁縫處超限支承間距推薦采用梁端道床板懸出、梁端抬枕裝置和跨梁縫短梁處理措施。

2)梁端道床板懸出，處理措施簡單，結構穩定，強度高，但僅限于支承間距超出限值較小時采用。

3)梁端抬枕裝置，通過連桿機構可使鋼軌支承點均勻分布，整體結構剛度較好，平順度高，可以有效消除梁端轉角等位移對上部結構的影響，可以用于支承間距超出限值較大的情況。

4)跨梁縫短梁采用混凝土結構，結構與區間軌道結構基本一致，整體性好。但跨梁縫短梁處橋梁結構伸縮頻繁，對短梁與下部結構間的滑動性能要求高，同時對現場施工要求較高，如現場環境惡劣，不建議采用該設計方案。

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