橋上無縫線路鋼軌伸縮調節器設置問題探討

丁靜波,劉亞航,谷呈朋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院,北京 100055)

橋上無縫線路鋼軌伸縮調節器設置問題探討

丁靜波,劉亞航,谷呈朋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院,北京 100055)

鋼軌伸縮調節器對協調長大橋上無縫線路因梁體溫差引起的梁端及長鋼軌伸縮位移起到重要作用。對調節器設置問題進行系統論述,介紹國內調節器設計使用情況,建議橋梁和軌道一體化設計,謹慎在曲線上設置調節器。并結合工程案例,計算分析了調節器設置計算方法以及調節器結構伸縮值,并且根據現場調研情況,提出設置調節器的建議。

橋上無縫線路;鋼軌伸縮調節器;設置

1 概述

鋼軌伸縮調節器(簡稱調節器)是重要的軌道部件,其功能是:協調長大橋梁因梁體溫差引起的梁端伸縮位移和長鋼軌的伸縮位移,使橋上無縫線路自動放散溫度應力,從而減小軌道及橋梁所承受的無縫線路附加力作用,確保列車安全、平順地通過。

國外鐵路為有效地控制特大橋梁附加力和位移的影響,提高行車的平順性和確保安全,要求在溫度跨度180 m以上的混凝土橋和溫度跨度120 m以上的鋼橋上設置調節器。我國《鐵路軌道設計規范》(TB10082—2005)對于橋上鋪設無縫線路做了如下規定:溫度跨度大于100 m的鋼梁,每一溫度跨度應鋪設1組調節器;溫度跨度大于120 m的混凝土梁,調節器設置應根據計算確定[1]。我國城市軌道交通調節器設置的主要目的:(1)避免無縫線路長鋼軌縱向力向道岔傳遞;(2)大跨度連續梁上發生鋼軌折斷時,減小墩臺所受斷軌力[2],以提高行車平順性和確保安全。

2 調節器設置方法

目前,鐵路橋上采用的調節器均為曲線型鋼軌伸縮調節器。曲線型是指基本軌由鋼軌調節器導向卡(軌撐)使其形成半徑300 m的曲線型基本軌并與尖軌密貼,在鋼軌縱向力傳遞時,由基本軌伸縮釋放縱向力,而尖軌固定,這樣可實現梁軌伸縮,同時還消減了伸縮力、撓曲力以及其他的鋼軌縱向力的作用[3]。下面對調節器設置方法進行論述。

(1)單向調節器的尖軌宜順列車運行方向布置。由于調節器尖軌為固定,基本軌縱向移動,避免列車運行車輪碾壓使基本軌移動,而影響無縫線路鋼軌內的縱向力;調節器基本軌、尖軌接頭距橋梁橫梁、橋臺胸墻或支座的距離不應小于2 m[4];混凝土橋梁上鋪設無縫線路,根據設計可在橋梁中部設置雙向調節器。調節器基本軌接長鋼軌線路宜采用小阻力扣件,其鋪設長度應按計算確定,一般約為150 m。

(2)時速小于160 km的客貨共線鐵路,調節器不宜設置在半徑小于1 500 m的曲線上,也不宜設置在豎曲線上。這是由于調節器基本軌設計單向伸縮量一般300～500 mm,基本軌全長約8 500 mm,工作長度(與尖軌密貼)7500 mm,半徑1500 m的曲線引起的正矢差正好在允許范圍4 mm內,故要求調節器應設置在半徑大于1 500 m的曲線上。設計時速200 km及以上時,由于曲線引起的正矢差僅2 mm,調節器宜設置在半徑大于3 000 m的曲線上,并且應加強橋梁與軌道一體化設計,避免曲線上設置調節器。

(3)低溫時,活動梁端橋臺處鋼軌產生最大伸縮拉力,各跨梁的固定端支座處鋼軌產生最大的撓曲拉力。高溫時,活動梁端橋臺處鋼軌產生最大伸縮壓力。因此,考慮到梁軌相互作用的穩定控制,鋼軌伸縮調節器一般設置在梁的活動端[5]。當調節器布置在梁端時,尖軌不可跨越梁端,當每跨或每聯的兩端都設置調節器時,不得將尖軌同時設在兩端梁內。梁端一般為活動支座和固定支座,尖軌跨越梁端,活動支座會使尖軌因梁伸縮而不固定,若把尖軌同時設在跨和聯的兩端,梁跨梁端全處于固定區,鋼軌的溫度力釋放不掉。

以南京長江大橋正橋3×160 m連續梁布置調節器為例[6]:左下行線,尖軌順列車運行方向布置,尖軌設置在簡支梁跨上,基本軌設置在連續梁的主聯上;右上行線,尖軌設置在連續梁的主聯上,基本軌設置在簡支梁跨上。這樣左端簡支梁跨右邊活動支座,低溫時受壓,連續梁的壓力由基本軌伸縮釋放一部分。連續梁右邊固定支座后有2個活動支座,能夠緩解連續梁右端活動支座的受壓,從而保持無縫線路的穩定。

因此,布置調節器時,不僅應分析梁跨關系,還要考慮固定支座和活動支座的設置。

3 調節器分析計算

3.1 確定調節器設置方案

橋上設置調節器有2個基本因素:(1)鋼軌安全儲備不足,各項應力之和超過其允許應力值;(2)列車在快速制動條件下位移過大,相對位移超過4 mm,使得道砟松動,影響安全。通過橋上無縫線路檢算,分析應力和位移,其中一個因素不滿足時,就應設置調節器。

以南廣鐵路肇慶西江特大橋為例,其主橋為25 m+50 m+386 m+50 m+49 m鋼混結構連續梁拱,位于直線,輔跨為32 m簡支梁,位于8 000 m曲線地段,全橋最大溫度跨度達到280 m。所在地區最高軌溫達58.7℃,最低軌溫-1.0℃,設計鎖定軌溫為35℃。軌道結構鋪設有砟軌道,100 m定尺長鋼軌(材質為U75V),每千米鋪設1 667根Ⅲc型混凝土枕,配套彈條Ⅴ型扣件,按一次鋪設跨區間無縫線路設計。

西江特大橋無縫線路設計時考慮了設與不設調節器2個方案。通過建立有限元梁軌相互作用模型計算,不設調節器時,橋上鋼軌最大附加力達到474 kN (61 MPa),檢算后各項鋼軌的應力超過了鋼軌允許附加應力[σ]=361 MPa,鋼軌安全儲備不足,并且快速制動時,鋼軌相對位移大于4 mm,影響運營安全,因此采用設置調節器方案。

在西江特大橋主橋兩端輔跨上設置單向調節器,通過建立模型計算,橋上附加力降低比較明顯,且能完全釋放梁端位移,較好解決梁軌相互作用,見圖1。

圖1 西江特大橋設與不設調節器附加力對比曲線

3.2 伸縮預留量計算

調節器的預留量y是由溫度變化產生的鋼軌伸縮、活載對梁的作用及線路可能產生的爬行量3個因素控制,預留量計算公式為y=y1+y2+y3+y4。其中,列車荷載作用下梁端部的最大位移量y2和鋼軌在其他縱向力作用下而產生的位移量y4均可不計;y1是梁因溫度變化而產生的伸縮量;y3是鋼軌因溫度變化產生的伸縮量。

例如常用的曲線型單向調節器(專線9761),基本軌與尖軌貼合面采用半徑300 m的圓曲線,設計伸縮預留量為±500 mm[6]。以地區年溫差39.7℃計算,溫度跨度280 m時梁因溫度變化而產生的伸縮量y1= 101 mm;鋼軌因溫度變化產生的伸縮量y3=131 mm,最后確定調節器的伸縮量y=232 mm。一般計算調節器的伸縮量y均不應大于允許伸縮量之半,因此設計的調節器(專線9761)伸縮量為±500 mm,具有足夠的伸縮余量,滿足橋上無縫線路設計使用要求。

2009年8月曾對廣州地鐵4號線運營多年的調節器現場調查,對其伸縮量、梁縫伸縮量,以及調節器基本軌和尖軌凍結接頭等情況進行測量(圖2)。結果表明,設計調節器伸縮量為±500 mm,實際伸縮量僅為30～50 mm,均未達到理論計算值;基本軌凍結接頭未出現離縫,但是部分調節器尖軌出現2～5 mm離縫,可能部分梁伸縮過大,傳遞至固定尖軌;道岔內軌縫均未出現“頂死”問題,調節器達到使長鋼軌位移不傳遞至道岔的目的。筆者僅對城市軌道交通系統調節器進行了現場調查,國鐵由于橋梁溫度跨度較大,有些甚至達到300 m以上,調節器伸縮量會更大,有待讀者進一步調研。

圖2 調節器現場伸縮量和凍結接頭調研照片

4 調節器使用問題

伸縮調節器結構特點決定了它是橋上線路的薄弱環節,即要釋放橋上位移和應力,又要滿足列車運營的需要。正確使用伸縮調節器,控制施工質量,加強運營維護和制定行之有效的病害處置預案是十分重要且必要的[7]?？偨Y目前調節器使用情況,主要存在以下問題。

(1)調節器設置問題。調節器應根據調節器構造特點布置,如曲線型調節器,其尖軌固定,基本軌伸縮,因此調節器不宜跨越梁縫布置。由于橋梁伸縮使得活動端產生較大位移,對橋上軌道部件產生不利的影響。冬季時,溫度跨度100 m時,梁縫增大約35 mm,當溫度跨度達到150 m時,梁縫增加到55 mm。梁縫伸縮量達到200 mm,可能導致尖軌位置軌撐橫向螺栓和基礎破壞,見圖3。

圖3 現場調節器使用問題實景

(2)調節器卡阻問題?？ㄗ璎F象是調節器不能按照設計預期釋放梁端位移,出現少位移或“零”位移。原因是調節器結構應力集中,影響前后線路方向不良,造成調節器范圍內軌距、水平、方向超限。為避免卡阻問題,保證調節器良好的伸縮性能,制造時基本軌頂彎曲線應圓順,接觸面光潔度應良好;施工和運營期間,應對伸縮的基本軌與尖軌、導向軌撐、滑床板、大墊板等摩擦面采取潤滑措施。

(3)調節器構造問題。尖軌和接頭是調節器病害發生較為集中部件。尖軌出現肥邊不便處理而產生掉塊,其材質不良,踏面淬火層金屬碎裂,這是尖軌剝落掉塊的根源[8]。調節器跟端接頭,受列車的沖擊荷載及梁端伸縮變形,導致產生大軌縫、高強螺栓扭矩損失,嚴重時接頭完全破壞而失效,影響行車安全。因此,調節器跟端凍結接頭(專線9673)高強螺栓應提高強度等級,螺栓扭矩也不宜小于1 000 N·m;另外加強復擰,使得螺母與螺栓間絲扣更加咬合,長期保持足夠的緊固力[9-12]。

5 結語

調節器可確保大跨度橋上無縫線路列車運營的安全,可釋放橋梁因梁體溫差引起的梁端伸縮位移和長鋼軌的伸縮位移,但又是線路薄弱環節,因此加強橋梁與軌道一體化設計,在工程預可研階段預留設置調節器的條件,滿足調節器設置要求,避免調節器設置引發的諸多問題。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10082—2005鐵路軌道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2] 丁靜波,等.廣州地鐵4號線一期工程高架橋上無縫線路設計研究[J].鐵道標準設計,2007(7):10-12.

[3] 盧耀榮.無縫線路研究與應用[M].北京:中國鐵道出版社,2004: 140-83.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10015—2012鐵路無縫線路設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[5] 丁靜波.北京軌道交通房山線軌道結構設計研究[J].鐵道標準設計,2011(1):11-12.

[6] 廣鐘巖,高慧安.鐵路無縫線路[M].4版.北京:中國鐵道出版社,2001.

[7] 潘成杰.淮河大橋鋼梁伸縮調節器狀態評定及劣化控制措施和病害處置預案[J].鐵道標準設計,2004(11):80-82.

[8] 孫積順,等.伸縮調節器幾種常見病害的分析處理[J].鐵道標準設計,2003(2):13-15.

[9] 蔡炳華.提速道岔接頭凍結技術與鋪設運營效果分析[J].鐵道標準設計,2002(3):7-8.

[10]劉華,韓啟孟.《鐵路軌道設計規范》編制的主要內容及特點[J].鐵道標準設計,2006(3):11-12.

[11]謝鎧澤,等.橋上無縫線路附加伸縮力放散的計算研究[J].鐵道標準設計,2012(4):28-30.

[12]丁靜波,曹亮.珠江三角洲城際快速軌道交通廣佛線軌道工程設計[J].鐵道標準設計,2012(4):25-27.

Research on Relevant Issues in Arrangement of Rail Expansion Joint of Continuous Welded Rail on Bridge

DING Jing-bo,LIU Ya-hang,GU Cheng-peng
(Design and Research Institute of Track Engineering,China Railway Engineering Consultancy Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Rail expansion joint plays an important role in coordinating the girder end's and long steel rail's expansion and contraction displacement,which is caused by temperature difference of continuous welded rail on long and major bridge.This paper systematically expounded relevant issues about rail expansion joint,and introduced the design and application situation of rail expansion joints in China at present.Furthermore,this paper suggested that:the bridge and track of railway should be designed in the form of integration with each other,and the designers should be cautious about arranging rail expansion joint on curved line.In addition,by combining with engineering project cases,this paper analyzed the calculation method of rail expansion joint,and calculated the expansion and contraction values of rail expansion joint.Finally,based on field investigation,this paper made suggestion on how to arrange rail expansion joints.

continuous welded rail on bridge;rail expansion joint;arrangement

U213.9+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.006

1004-2954(2014)08-0027-03

2013-10-30;

2013-11-22

丁靜波(1979—),男,高級工程師,2002年畢業于西南交通大學土木工程學院,工學學士,E-mail:dingjbo@163.com。