鐵路鋼桁梁橋溫度調節器設置及維護管理研究

周　杰神華準能大準鐵路公司，內蒙古薛家灣　010300

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鐵路鋼桁梁橋溫度調節器設置及維護管理研究

周杰
神華準能大準鐵路公司，內蒙古薛家灣010300

摘要無縫線路是軌道現代化的一項重要技術措施，具有行車平穩、減少養護維修工作量、延長設備使用壽命、提高旅客舒適度等優點，可以大大降低輪軌撞擊所產生的振動、噪聲等環境污染。另外，鋼桁梁橋在溫度跨度等于100m時，因鋼梁伸縮和活載影響將產生20mm～40mm的軌縫，由于梁、軌的材質不同，在溫度變化因素作用下的縱向變形也不同，縱向變形受到限制時就會轉化為內應力。如果鋼軌所承受的內應力與其他各種應力疊加后超過鋼軌的容許應力，將會影響到軌道的安全性、穩定性，危及行車安全。解決這一問題的措施之一是鋪設鋼軌伸縮調節器。以阻斷無縫線路鋼軌伸縮對橋梁梁體及墩臺狀態的影響，確保行車安全。本文以大準鐵路黃河特大橋為例，對既有鋼桁梁橋上無縫線路進行檢算，為橋上無縫線路的設計和施工提供技術支持，同時也為設備使用單位的日常檢查和安全管理提供參考。

關鍵詞無縫線路；鋼桁梁；溫度力；伸縮力；撓曲力；縱向力

1　既有設備情況

黃河特大橋位于大準線DK223+136.67—DK223+771.09之間，為單線橋。橋跨組成為：大（同）方臺+9×32m混凝土簡支梁+（96+132+96）m下承式鋼桁梁橋+薛（家灣）方臺。本橋位于平坡、直線段，在大同側橋臺路基線路為R=800m曲線，在準旗側橋臺路基線路為曲線半徑R=600m的黃河隧道?；炷亮汗潭ㄖё诖笸较?，鋼桁梁固定支座在10號墩（如圖1）。

1.1橋上無縫線路布置和鋼軌伸縮調節器位置

橋上既有軌道為：鋼軌為60kg/m、U71鋼軌，在鋼桁梁的兩梁端處各設置一組單向鋼軌伸縮調節器，調節器尖軌朝梁外方向，基本軌與混凝土梁及薛方臺路基長鋼軌焊聯。本橋所處地區歷年最高氣溫為38℃，最低氣溫為-30.9℃。路基無縫線路設計鎖定軌溫范圍為20±5℃。混凝土梁軌道采用有碴、Ⅲ混凝土橋枕、彈條Ⅱ型扣件，鋼桁梁采用木枕、彈條剛性扣件。

1.2鋼軌伸縮調節器參數

本橋共采用2組鋼軌溫度調節器，產品圖號為研線0618（09），允許伸縮量1000mm。

2　無縫線路溫度力

2.1設計鎖定軌溫

2.1.1允許溫升

1）計算參數

曲線半徑：直線

軌枕布置：1840根/km

鋼軌附加縱向壓力：0kN/軌鋼軌類型：60kg/m

圖1

圖3　不等變形波長理論及計算公式

軌道橫向阻力型式：Ⅱ型枕（B1840）、曲線半徑R ＞800m

兩股鋼軌橫向阻力表達式(N/cm)：Q=23.0-63.0y^1.2+106.0(1/2.5)N/cm，阻力曲線如圖4所示。軌枕橫移2mm的阻力值，R=3.8kN/枕，r=7.0kN/m。

初始彎曲波長L0=7.2m，初始彎曲矢度f0=7.2mm，允許橫向變形[f]=0.2mm。

圖2　道床橫向阻力曲線

2）計算結果

采用不等變形波長理論，其計算模型及計算公式如圖3所示。

用不同的變形矢度f值進行疊代，TDS3.2計算得到：

1股鋼軌允許壓力[P]=960.5kN/軌

允許溫升[ΔTu]=50.0℃臨界溫升Pk=95.3℃

安全系數K=1.9

2.1.2允許溫降

1）計算參數

荷載類型：前進型QJ蒸汽機車，速度：80km/h

鋼軌類型：60kg/m。

考慮軌頭磨耗參數，鋼軌截面面積A=7.745E-3m^2，對水平軸慣性矩I_x=2.892E-5m^4，截面模量Wg=-3.78E-4m^3，鋼軌允許應力[σ]=300.0MPa。

軌枕布置：1840根/km，曲線半徑R=直線，支承剛度D=30kN/mm。

速度系數α＝0.640，偏載系數β=0.000，橫向水平力系數f=1.250，橋上鋼軌附加縱向力ΔP=0.0kN。

2）計算結果

采用TDS計算得到軌底動彎應力分布如圖4所示，動載系數Kd=1+α+β=1.640，綜合動載系數Zd=(1+α+β)f=2.050。鋼軌允許溫降[ΔTd]=76.2 ℃，由強度允許溫降決定。

2.1.3設計鎖定軌溫范圍

1）計算參數

地區：大淮線黃河特大橋，最高軌溫Tmax=58℃，最低軌溫Tmin=-30.9℃，允許溫升[ΔTu]=50.0℃，允許溫降[ΔTd]=76.2℃，鎖定軌溫上下限幅度ΔTs=±5℃。

2）計算結果

中和溫度Te按下式計算：

修正值ΔTk=-6.6℃。

計算得到，中和溫度Te=20℃，設計鎖定軌溫范圍Ts=20±5℃，即：15℃～25℃。

最大溫升幅度ΔTumax=43.0℃<=[ΔTu]，最大溫降幅度ΔTdmax＝55.9℃<=[ΔTd]。

校驗結果：合格！

2.2斷縫檢算

2.2.1計算參數

鋼軌類型：60kg/m，鋼軌溫降△Td=-43℃，有碴軌道，斷縫允許值[λ]=8cm，線路阻力區段如圖5所示。

圖5　斷縫計算圖

2.2.2計算結果

左側斷縫λ1＝2.4cm，右側斷縫λ2=2.4cm。

斷縫λ=λ1+λ2

=4.8cm <= [λ]合格

2.3橋上無縫線路縱向力

2.3.1伸縮力

圖6　混凝土梁伸縮力模型

1）混凝土梁橋

如圖9所示，建立混凝土梁伸縮力模型。采用BCWR5.0計算，計算得到墩臺承受無縫線路伸縮力T1的值如下表所列，鋼軌縱向力及梁軌位移如圖7所示，鋼軌縱向力及墩臺T1分布如圖8所示。由此得到，混凝土梁固定墩最大T1出現在伸縮區的起點，即T1＝249.6kN/軌（計算疊代誤差原因，計算結果為254.2kN/軌），伸縮區起點鋼軌截面最大縱向位移31.1mm（該值也是調節器的基本軌最大位移量）。

2）鋼桁梁橋

由于在鋼桁梁兩梁端各設置一組鋼軌伸縮調節器，因此，鋼桁梁固定墩承受梁上長鋼軌伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3均為0。

但是，由于溫差影響，鋼桁梁內長鋼軌在夏季和冬季存在溫度力。如圖9所示，夏季鋼軌最大溫升幅度為43℃時的鋼桁梁內長鋼軌溫度力（壓力）分布。由此可見，在橋梁中部鋼軌最大溫度壓力為345.4kN/軌。同樣可以得到，冬季鋼軌最大溫降幅度為-55.9℃時的長鋼軌溫度力（拉力）分布，如圖10所示。由此可見，在橋梁中部鋼軌最大溫度壓力為592.6kN/軌。

因此，工務部門在鋼桁梁內進行抬道作業時，同樣應遵守允許軌溫作業條件。

圖9　43℃時的鋼桁梁內長鋼軌溫度力（壓力）分布

圖10?。?5.9℃時長鋼軌溫度力（拉力）分布

2.3.2撓曲力

由于在鋼桁梁兩梁端各設置一組鋼軌伸縮調節器，因此，鋼桁梁固定墩承受梁上長鋼軌伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3均為0。故在此略去鋼桁梁撓曲力計算。

混凝土梁伸縮區：

從5.1伸縮力計算可知，伸縮區由伸縮力控制，因此，以下計算固定區撓曲力。如圖11所示，建立撓曲力計算模型。采用BCWR5.0計算得到各墩承受撓曲力如下表所列。

由此得到固定區車前撓曲力T2＝110.2kN/軌。圖12、圖13分別為鋼軌撓曲力及各墩T2分布。

圖11　撓曲力計算模型

圖12　鋼軌撓曲力

圖13　各墩T2分布

2.3.3斷軌力

由于在鋼桁梁兩梁端各設置一組鋼軌伸縮調節器，因此，鋼桁梁固定墩承受梁上長鋼軌伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3均為0。

混凝土梁伸縮區不計斷軌力，即T3＝0。固定區斷軌力為滿孔線路阻力，即T3＝32×8.8＝281.6kN/軌。

2.3.4制動力

由于本橋為單線橋，制動力T4屬附加力，T4值按現行橋規取梁上滿孔（聯）一線列車靜載的10%，且T4已在橋梁設計中檢算過，故在此不再進行檢算。

2.3.5縱向力小結

從以上計算可以得到混凝土梁固定墩縱向力如表1所示。

表1　混凝土梁固定墩縱向力

2.3.6墩頂縱向力組合

采用BCWR軟件計算，得到墩頂縱向力組合如下。1）伸縮區

按“主力”檢算，取δ=1，組合值為：2股鋼軌伸縮力傳遞，F1=499.2kN。

2）固定區

（1）按“主力”檢算，取δ=1，組合值為：

2股鋼軌撓曲力傳遞，F1=220.4kN。

（2）按“主力+特殊荷載”檢算，取δ=1.35，組合值為：

1股鋼軌撓曲力，另1股鋼軌斷軌力傳遞，F3=391.8kN。

2.4橋墩檢算

選取伸縮區較不利的固定墩8#墩進行檢算，8#墩為空心墩，墩底空心截面為較不利截面，因此檢算該截面應力。

2.4.1荷載

墩頂承受左右兩側32m梁的恒載相同，即N1＝N2 ＝1147.3kN。

根據《豐鎮至準格爾線黃河特大橋施工設計4、5、6、7、8橋墩詳圖》，8號墩墩帽及墩身空心部分的鋼筋及混凝土重為：

N3=126.8×25+(338.6-24.1)×25

=11032.5kN

8#墩頂無縫線路縱向力：F1=499.2kN。

2.4.2墩底空心截面計算

圖14

墩底空心部分截面如圖14所示，b＝4.63m，h＝5.22m，a＝0.04m。

墩身采用250號鋼筋混凝土，n＝15，彈性模量Eh＝2.9×107kN/m2。鋼筋為A3鋼，其允許應力 [σg] ＝130MPa。

該截面至墩頂高H＝0.36+2.1+47-6=43.46m。圖附1-1所示鋼筋面積為：

Ag＝Ag1＋Ag2

＝30×π×（0.012）2/4＋32×π×（0.012）2/4

=3.39×10-3＋3.62×10-3

＝7.01×10-3m2

混凝土面積為：

Ah＝5.22×4.63－4.22×3.63

＝8.85m2

配筋率μ＝Ag/Ah＝7.92×10-4A0＝Ah＋nAg

＝8.85＋15×7.01×10-3

＝9.0m2

＝54.9＋0.34

＝55.2m4

y＝h/2＝2.61m

2.4.3截面應力檢算

截面垂直荷載N＝N1＋N2＋N3＝1147.3＋1147.3＋11032.5＝13327.1kN

F1作用下截面彎矩MF1＝F1×H＝499.2×43.46 ＝21695.2 kN.m

支座反力偏心矩MR＝0

截面荷載彎矩M＝MF1＋MR＝21695.2kN.m

計算偏心增大系數η：

＝1.01

考慮彎曲后的偏心距e＝ηe0＝1.01×1.6＝1.6m

根據橋規，截面混凝土壓應力σh按下式計算：

＝2509.0 kN/m2

＝2.5MPa

<[σW]=9MPa

鋼筋應力σg按下式計算：

＝37363.1 kN/m2

＝37.4MPa

<[σg]＝130MPa

＝1512.5 kN/m2＝1.5MPa

<[σa]=7MPa

因此，在主力F1作用下，8號墩墩底空心截面混凝土、鋼筋應力和穩定性均合格。

3　設有溫度調節器的無縫線路養護維修注意事項

無縫線路在鋼桁梁的兩梁端各設置了一組單向調節器，與調節器基本軌焊聯的長鋼軌在一定范圍內處于無縫線路伸縮區。防止無縫線路脹軌跑道、防止軌道爬行、以及確保鋼軌調節器的安全使用是本橋無縫線路養護維修的重點。為此，線路養護部門應注意以下幾點。

包括混凝土梁范圍和鋼桁梁范圍內的長鋼軌，在冬、夏季節均存在較大的溫度力，養護維修工作應嚴格按照有關無縫線路的作業允許軌溫進行作業。

養護維修作業方法的制定應使無縫線路在作業后能迅速恢復到驗收狀態為前提。

在橋上無縫線路在冬、夏季節應加強無縫線路的位移觀測。

4）橋臺外線路應加強鎖定，加大扣件扭矩，防止橋臺外線路爬行造成橋上無縫線路鎖定軌溫改變。

4　結論

本文在認真分析大準鐵路黃河特大橋鋼軌伸縮調節器設置條件及依據的基礎上，詳細的分析了鋼桁梁橋上無縫線路受力的特點、特性，通過數據演算，明確了無縫線路鋼桁梁橋上設置溫度調節器的必要性和可行性。

參考文獻

[1]鐵路橋隧建筑物大修維修規則.

[2]對稱連續梁橋上無縫線路最大溫度跨度適應性研究.鐵道工程學報，2013(10).

[3]鋼軌伸縮調節器結構與布置研究，2011.

中圖分類號TG

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2015）155-0060-05