中低速磁浮線F型鋼軌軌道接頭伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 艷　蔡文鋒　顏 華

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，610031，成都∥第一作者，工程師）

中低速磁浮線F型鋼軌軌道接頭伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 艷蔡文鋒顏 華

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，610031，成都∥第一作者，工程師）

摘 要中低速磁浮線既有的軌道約束方式和一般接頭結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)軌縫伸縮量超過40 mm的軌道設(shè)計要求。本設(shè)計的軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將縱向間隔設(shè)置的鋼軌枕單元，通過縱向連接板和筋板結(jié)構(gòu)連接成一個整體；并在縱向連接板上考慮地腳螺栓式、彈條扣壓式和扣板式三種約束方式，從根本上改變了既有軌道結(jié)構(gòu)及其約束方式。軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)可使橋梁和軌道之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，以釋放橋梁過大的縱向伸縮變形，從而減小大跨度橋梁伸縮量對行車的影響。

關(guān)鍵詞中低速磁浮線；軌道伸縮調(diào)節(jié)器；結(jié)構(gòu)設(shè)計

Author＇s address address Science and Technology Research Institute，China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，610031，Chengdu，China

中低速磁浮線以其成熟的常導(dǎo)電磁鐵吸力型懸浮、導(dǎo)向技術(shù)以及國內(nèi)近10年的試運(yùn)線成功經(jīng)驗，逐步在眾多城市軌道交通制式［1］中脫穎而出，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)主要采用鋼軌枕型式，軌道自上而下主要由感應(yīng)板、F型鋼軌（以下簡為“F軌”）、伸縮節(jié)、連接件、緊固件、H型鋼軌枕、扣件、道床等部分組成，以軌排為單元整體鋪裝。兩段F軌的通過接頭進(jìn)行連接?？紤]中低速磁浮車輛懸浮控制系統(tǒng)特點(diǎn)和車輛行車需要，F(xiàn)軌的接頭軌縫大小是受到限制的。在城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ∕T 413—2012《中低速磁浮交通軌排通用技術(shù)條件》［2］中，定義了I型、II型和III型三種F軌接頭，但其可承受的軌縫伸縮量亦是有限的，軌縫伸縮量變化范圍僅為10～40 mm。既有接頭結(jié)構(gòu)是被動地適應(yīng)兩段F軌的軌縫伸縮量，并不能從根本上對軌縫伸縮量進(jìn)行主動調(diào)節(jié)。由于國內(nèi)試運(yùn)線［3-4］的橋梁通常采用簡支梁或小跨度混凝土連續(xù)梁（長度通常在20 m左右），橋梁和軌道的溫差伸縮變形基本控制在40 mm以內(nèi)。因此，對于中低速磁浮線軌道伸縮調(diào)節(jié)器的研究還未得到足夠重視。在迄今為止的國內(nèi)外已公開的技術(shù)資料中，尚無有關(guān)介紹適合于大跨度橋梁上使用的中低速磁浮線軌道伸縮調(diào)節(jié)器裝置。

但是，當(dāng)橋梁跨度增大時，溫度引起的橋梁伸縮變形將增大，在設(shè)計溫度范圍內(nèi)形變量可達(dá)200 mm及以上。若繼續(xù)沿用當(dāng)前中低速磁浮軌排通過扣件固定在橋梁梁體上、相鄰軌排之間采用一般F軌接頭聯(lián)結(jié)的軌道約束方式，線路設(shè)計中就必須嚴(yán)格限制橋梁跨度，這將影響中低速磁浮線在大跨度橋梁上的適應(yīng)性，不利于中低速磁浮交通技術(shù)的推廣。隨著中低速磁浮線作為一種新型城市軌道交通制式在大中城市內(nèi)及旅游景區(qū)的逐漸推廣應(yīng)用，必將面對多種多樣跨越河谷與城市主要道路的情況［5］，因此，針對大跨度橋梁情況，中低速磁浮線軌道伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)計和研究就十分必要。

1　中低速磁浮線軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計思考

既有的中低速磁浮線的鋼枕單元通過螺栓固定在現(xiàn)澆于橋梁體的承軌臺上（見圖1），這種固定方式限制了軌排和橋梁體之間的相對運(yùn)動，導(dǎo)致軌排與橋梁一同伸縮，在軌面上僅能通過F軌接頭進(jìn)行調(diào)節(jié)；而過大的伸縮量將給接頭設(shè)計和車輛懸浮控制帶來難度，且會影響行車安全。

圖1　既有軌排和橋梁的連接方式

橋上軌縫設(shè)置主要為適應(yīng)軌排自身的伸縮量以及橋梁梁體伸縮變形?，F(xiàn)以長沙磁浮工程初步設(shè)計跨越瀏陽河Ⅳ級主河道的瀏陽河特大橋為例進(jìn)行說明。該特大橋設(shè)計采用矮塔斜拉橋方案（見圖2），橋梁伸縮量（考慮升溫25℃、降溫25℃、收縮、徐變等）為161.3 mm。

圖2　長沙磁浮線瀏陽河大橋主橋總體布置圖（初步設(shè)計）

根據(jù)TB 10082—2005《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》，軌縫計算公式為：

Δ=αL（Tmax－t）－C式中：

Δ——軌縫值，mm；

α——鋼軌鋼線膨脹系數(shù)，取1.18×10-5∕℃；

L——鋼軌長度，mm；

Tmax——當(dāng)?shù)貧v史最高軌溫，℃；

t——鋪設(shè)鎖定軌溫，℃；

C——接頭阻力和扣件、道床縱向阻力限制鋼軌自由伸縮的數(shù)值，mm。

針對長沙磁浮工程，F(xiàn)軌及軌排標(biāo)準(zhǔn)長度初步設(shè)計為25 m，長沙地區(qū)歷史最高軌溫63℃，最低軌溫-11.3℃，鋪設(shè)鎖定軌溫取25℃，接頭阻力取400 k N，扣件阻力取26 k N，考慮橋梁伸縮量，據(jù)此計算，在極端氣溫變化條件下，梁端鋼軌伸縮量最大約190 mm。

橋梁的伸縮形變量由橋梁材料自身特性而決定，不能從結(jié)構(gòu)設(shè)計上控制形變量，因此，為減小橋梁伸縮量對行車的影響，只能考慮在縱向釋放橋梁的伸縮，使之與軌道結(jié)構(gòu)之間能有相對運(yùn)動。這需要從根本上改變既有軌道結(jié)構(gòu)及其約束方式。本文提出了軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案［6］，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

此結(jié)構(gòu)由縱向間隔設(shè)置的鋼枕單元、筋板和縱向連接板等組成，將已有的單個鋼枕單元通過縱向連接板連接成一個整體，并通過焊接的筋板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)軌道伸縮調(diào)節(jié)器的整體剛性。鋼枕單元兩端開設(shè)有配合F軌固定的安裝孔，利用螺栓組件將F軌固定在鋼枕單元上，以保證軌排與F軌之間無相對運(yùn)動，形成軌道模塊。

相對于既有的鋼枕單元H型鋼底部的螺栓固定約束方式，伸縮調(diào)節(jié)器的約束方式則可轉(zhuǎn)變?yōu)閷v向連接板的約束。按約束方式的不同，本文設(shè)計了地腳螺栓式、彈條扣壓式和扣板式三種型式。

圖3　中低速磁浮線軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

2　地腳螺栓式軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

地腳螺栓式軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)［6］如圖4所示。其主要考慮在縱向連接板縱、橫向間隔布置縱向延伸的長槽孔；在筋板式軌排底面與橋梁體表面間設(shè)置軌下支撐減振體；利用地腳螺栓組件實(shí)現(xiàn)軌下支撐減振體和縱向連接板之間的連接。其中，軌下支撐減振體自上而下包含減振墊、鐵墊板和承軌臺。地腳螺栓組件底部預(yù)埋嵌入橋梁結(jié)構(gòu)中，可實(shí)現(xiàn)軌下支撐減振體和地腳螺栓組件之間不產(chǎn)生相對運(yùn)動，使其成為一個固接的承軌模塊。而縱向連接板的長槽孔則可釋放承軌模塊的縱向運(yùn)動。

圖4　地腳螺栓式軌道伸縮調(diào)節(jié)器

在橋梁因溫差發(fā)生大的伸縮變形時，承軌模塊會跟隨橋梁一并運(yùn)動；而軌排與減振墊之間的摩擦阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以抵抗橋梁的溫差形變力，軌排與橋梁之間必將產(chǎn)生相對運(yùn)動，可通過釋放橋梁的縱向大伸縮量控制軌道模塊的小縱向位移。軌道模塊縱向承受的合力是由摩擦阻力、軌道模塊在F軌接頭處受到相鄰軌道模塊施加的縱向反力以及磁浮車輛通過時的牽引力或制動力組成。為防止車輛通過而引起的軌道運(yùn)動，設(shè)計的摩擦阻力就必須高于車輛牽引力或制動力，可以此設(shè)計地腳螺栓組件尺寸和預(yù)緊力大小。長槽孔長度根據(jù)橋梁跨度、軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計溫度范圍和結(jié)構(gòu)伸縮變形量而確定。

2.2效果

地腳螺栓式軌道伸縮調(diào)節(jié)器，可大大減小橋梁與軌道的縱向相互作用力，改善軌道和橋梁的受力狀態(tài)，同時能有效釋放大跨度橋梁因溫度變化而產(chǎn)生的大伸縮變形，適應(yīng)40 mm及以上的橋梁伸縮變形；可保持F軌的軌縫變化不致過大，穩(wěn)定連接相鄰的軌排，維持線路平順，從而提高中低速磁浮線的系統(tǒng)適應(yīng)性，確保車輛安全、平穩(wěn)地運(yùn)行；其結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝和加工，且易于維護(hù)，可提高軌道鋪設(shè)效率，減少投資和運(yùn)營維護(hù)成本。

3　彈條扣壓式軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合一般鐵路常用的彈條扣件應(yīng)用情況，在軌道伸縮調(diào)節(jié)器的約束方式上亦引入了此彈條扣壓結(jié)構(gòu)。彈條扣壓式軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)［7］如圖5所示，主要由軌道伸縮調(diào)節(jié)器、彈條、承軌臺、墊板、鋼枕橫向擋塊和地腳螺栓組件等組成。根據(jù)承軌結(jié)構(gòu)投影面的不同，設(shè)計了矩形和T形投影兩種承軌結(jié)構(gòu)。墊板上設(shè)計了2個或3個彈條固定凸塊，分別位于縱向連接板的內(nèi)側(cè)、外側(cè)，以配合彈條的固定；鋼枕橫向擋塊放置在彈條固定凸塊和鋼枕之間，以調(diào)整軌道伸縮調(diào)節(jié)器橫向位置，并限制其橫向位移。利用地腳螺栓組件及彈條，將承軌臺、墊板與橋梁組成了一個運(yùn)動體，通過彈條扣壓力轉(zhuǎn)換為軌排底部和承載模塊間接觸面的摩擦力，實(shí)現(xiàn)承載模塊和軌排的縱向相對運(yùn)動，以釋放大跨度橋梁的伸縮變形。彈條材質(zhì)的選型應(yīng)充分結(jié)合磁浮車輛通過時的牽引、制動特性，以及軌排和墊板間的摩擦特性、彈條扣壓力和縱向阻力特性而確定。

圖5　彈條扣壓式軌道伸縮調(diào)節(jié)器

矩形投影的承軌結(jié)構(gòu)在單個鋼枕單元下方形成了四點(diǎn)扣壓，結(jié)合軌排結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和彎曲變形特性，合理布局承軌臺位置，可消除單個H型鋼枕底部處于懸空狀態(tài)而引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和彎曲變形問題。T形投影的承軌結(jié)構(gòu)在單個鋼枕單元下方形成了六點(diǎn)扣壓，可充分保證軌道伸縮調(diào)節(jié)器強(qiáng)度和抗彎變形能力，同時通過合適的彈條扣壓力和縱向阻力設(shè)計，可有效消除磁浮車輛通過時引起的軌排運(yùn)動。

本結(jié)構(gòu)中無需對軌道伸縮調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開槽處理，便可達(dá)到地腳螺栓式結(jié)構(gòu)釋放橋梁大伸縮變形的目的，且更進(jìn)一步簡化了結(jié)構(gòu)，保證了整體剛性。

4　扣板式軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

扣板式軌道伸縮調(diào)節(jié)器［8］，主要采用扣板結(jié)構(gòu)替換彈條結(jié)構(gòu)進(jìn)行軌道伸縮調(diào)節(jié)器的約束，如圖6所示。

圖6　扣板式軌道伸縮調(diào)節(jié)器

扣板簡潔的結(jié)構(gòu)和小尺寸外形，利于承軌臺和墊板尺寸更進(jìn)一步地減小，可降低投資和運(yùn)營維護(hù)成本?？郯鍞?shù)目及其所需提供的扣壓力和縱向阻力的設(shè)計，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有磁浮車輛通過的牽引制動特性、扣板材質(zhì)、外形、軌排底部和承載模塊間接觸面的摩擦特性以及軌排結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗彎變形特性而確定。矩形和T形投影的承軌結(jié)構(gòu)同樣適用于扣板式軌道伸縮調(diào)節(jié)器。

5　結(jié)語

針對大跨度橋梁因溫差引起的伸縮問題，本文提出了軌道伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，考慮其定位方式的不同，設(shè)計了地腳螺栓式、彈條扣壓式和扣板式三種方案。為更進(jìn)一步研究三種軌道伸縮調(diào)節(jié)器的工程可實(shí)施性，下階段還需結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論分析、樣件試制、試驗線路試鋪和試驗測試等工程數(shù)據(jù)而開展工作。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李東屹.新型軌道交通捷運(yùn)系統(tǒng)在郊區(qū)新城中的適應(yīng)性分析——以上海臨港新城為例［J］.交通與運(yùn)輸，2011（05）：51.

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［3］ 張佩竹.中低速磁浮交通唐山試驗線工程實(shí)踐及設(shè)計反思［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009（11）：22.

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［5］ 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.長沙磁浮工程初步設(shè)計——第一篇總說明書［R］.成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2014.

［6］ 李艷，蔡文鋒，顏華.中低速磁浮交通系統(tǒng)軌道伸縮調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)：中國，CN 203923905 U［P］.2014-11-05.

［7］ 李艷，蔡文鋒，顏華.彈條扣壓式中低速磁浮交通系統(tǒng)軌道伸縮調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)：中國，CN203923903 U［P］.2014-11-05.

［8］ 李艷，蔡文鋒，顏華.扣板式中低速磁浮交通系統(tǒng)軌道伸縮調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)：中國，CN203923904 U［P］.2014-11-05.

（Continued from Special Commentary）

cities with environment sensitiveness and middle-low passenger flow demand，or they could be used as the public transport backbone of urban new districts，and the“trams in combination with urban rapid rail transit＂mode should be paid attention to，so as to form a multi-level，three-dimensional，fish-bone type transportation system.

（2）Intersection-passing delays and parking-time at the station are the main influence factors of the minimum departure interval of trams.Comprehensively considering urban road traffic organizations，operation benefits and tram-driving safety，under the condition of the relative priority of signals：①at the initial stage of operation，the minimum departure intervals during high peak periods should not be greater than 10 min，and the maximum departure intervals during flat peak periods should not be greater than 15 min.②at the future stage of operation，the minimum departure intervals during high peak periods should not be greater than 5 min，and the maximum departure intervals during flat peak periods should not be greater than 10 min.

（3）Under the conditions of the average spacing of 500～600 m at intersections and the average spacing of 600～700 m at stations and when the relative priorities strategy of signals is implemented，the tram travel speed is 18.4～20.8 km∕h.The travel speed range of modern trams is 15～25 km∕h.Based on the function orientation of modern trams and their own characteristics，it is suggested that not less than 18 km∕h travel speed should be taken as the target value of travel speed at the design phase.

（4）When the whole line adopts the relative priorities strategy of signals，the reasonable transport capacity of 5 module vehicles is 5 000～8 000 person-time∕h，and the maximum transport capacity of 7 module vehicles is not more than 10 000 person-time∕h.Based on the different travel speeds and the different departure intervals，when the travel speed is 20 km∕h and the minimum departure interval at the high peak periods of initial stage is 8 min，the vehicle configuration per km in oneway direction is 0.4 vehicle；when the minimum departure interval at the future stage is adjusted to 5 min，the vehicle configuration per km in one-way direction is 0.6 vehicle.

（5）Considering the operating efficiency and the actual transport capacity of modern trams，if the proposed tram line is predicted that the passenger flow strength in the long term is less than 4 000 person-time per km per day or more than 10 000 person-time per km per day，the modern tram system is not recommended.If the passenger flow load strength at the initial stage is less than 2000 person-time per km per day，the tram line should not be implemented in the recent periods.

（6）The suitable average distance of modern trams’carrying passengers is 5～9 km.The suitable line-layout length range is 9～18 km.The shortest line-length should not be less than 7 km，the longest line-length should not be greater than 25 km，and the longest line of small and medium-sized cities should not be greater than 20 km.

（Translated by Sun Zheng）

Structural Design of F-shaped Track Joint Expansion and Contraction Adjuster for Mid-low Speed Maglev Line

Li Yan，Cai Wenfeng，Yan Hua

AbstractThe existing track constraint ways and the structure of general track joint used for mid-low speed maglev system are unable to meet the track design requirements for large expansion and contraction joint that exceeds 40mm.A new track expansion and contraction joint adjuster is designed，where the longitudinal-arrayed rail sleepers are connected by longitudinal connecting plates and ribs.The adjuster is constrained by three ways：the foundation bolt，rail spring clip and spring blade，they have changed the traditional track structure and constraint ways.Since relative movement exists between track and bridge，the large longitudinal expansion and contraction of a bridge can be released.This adjuster design could reduce the impact of bridge expansion and contraction on train safety running.

Key wordsmid-low speed maglev line；track joint expansion and contraction adjuster；structure design

中圖分類號U 213.4＋6：U 237

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.028

收稿日期：（2015-02-03）