斜拉橋無縫線路鋪設

龐芳偉

（南寧局集團公司 工務檢測所，工程師，廣西 南寧 530029）

湘桂線紅水河斜拉橋位于湘桂鐵路下行線來賓～良江區間，是我國第一座預應力鋼筋混凝土斜拉橋。為適應運營形勢變化，改善線路狀況，提高軌道平順度，減小軌道不平順引起的列車振動、輪軌動力作用增大等因素對橋梁和軌道結構耐久性的影響，擬在橋上鋪設無縫線路。

1 橋上無縫線路方案比選

方案一：橋梁位于無縫線路的固定區，橋上不設置鋼軌伸縮調節器，采用普通扣件無縫線路。

方案二：橋梁位于無縫線路固定區，橋上不設置鋼軌伸縮調節器，采用小阻力扣件無縫線路。

方案三：橋梁位于無縫線路的伸縮區，在連續梁的跨中設置鋼軌伸縮調節器。

由于鋼軌伸縮調節器尖軌與基本軌間存在結構不平順，根據鐵道科學研究院實測資料，列車通過鋼軌伸縮調節器時，其簧下豎下振動加速度（7.0g～8.0g）為通過平順的焊接接頭的簧下豎下振動加速度（2.5g～5.0g）的1.4～3.2倍，鋪設鋼軌伸縮調節器會對行車舒適性產生不利影響。另一方面，鋼軌伸縮調節器是軌道的薄弱環節，在運營過程中，養護、維修作業量大，因此本次橋上無縫線路設計不采用方案三。

橋梁位于無縫線路的固定區，采用與橋梁兩端一致的軌道結構。不設置鋼軌伸縮調節器，減小軌道部件的種類，能夠節約軌道成本，降低造價并且利于線路的養護維修；但是長鋼軌伸縮力較大，不利于保證軌道結構強度和穩定性。

橋上鋪設無縫線路除承受溫度力之外，橋梁和軌道的結構設計還應考慮橋梁與無縫線路的相互作用。為了最大限度地減小梁軌相互作用力，并保持軌道有較好的承載能力，必須合理地選擇鋼軌的布置方式和線路縱向阻力參數，它是橋上無縫線路設計中的一項至關重要的內容。

經計算比選，采用方案二在紅水河斜拉橋無縫線路是可行的。

2 橋上無縫線路軌道結構方案

全橋鋪設P60無縫線路。采用標軌100m素軌，R〈800m的曲線使用大調量扣件。鎖定軌溫為36±5℃，區間單元軌節鎖定溫差小于10℃。采用小阻力扣件，扣件扭矩80～100N.m。Ⅱ型橋枕，按1760根/km布置，要求軌枕狀態良好。橋上道床道頂面寬350cm，碴肩堆高15cm，邊坡坡度1∶1.75。道床厚度最小30cm。橋梁與兩端線路軌道道床厚度在橋臺外30m范圍內順坡。

3 橋上無縫線路設計計算

橋上無縫線路的附加縱向力基本計算模型依據的是梁軌相互作用原理。采用有限元分析的方法，劃分單元，將結點位移視為變量。在彈性范圍內，運用疊加原理進行鋼軌和梁體的位移以及鋼軌縱向附加力的計算。采用ANSYS建立有限元模型進行鋼軌縱向附加力的計算。

3.1 模型假定

1）考慮一股道的兩根鋼軌，鋼軌視為縱向支承于彈性地基上的有限長梁，能夠承受拉、壓作用，其拉、壓剛度相等，且為常量。

2）鋼軌和兩端路基、鋼軌和橋梁之間的連接用非線性彈簧簡化模擬。

3）鋼軌和橋梁產生縱向相對位移，二者通過線路縱向阻力相互作用，線路縱向阻力大小與二者間的相對位移為非線性關系，一般為扣件阻力和道床阻力的較小者。

4）鋼軌結點兩端縱向力與線路縱向阻力相平衡，鋼軌兩相鄰結點位移差與該鋼軌單元釋放的縱向力成正比。

5）橋梁截面特性參數，主要截面按設計圖紙計算，其余內插。

6）由于幾何非線性對中、小跨度橋梁的分析結果影響不大。對本橋只作線性分析。

7）所有斜拉索一端鉸接在橋塔上，另一端鉸接在橫梁端部結點。

8）索的預應力用初應變來考慮。

3.2 模型建立建立ANSYS模型如圖1所示。

圖1 ANSYS模型示意圖

在ANSYS有限元模型中，采用BEAM4單元來模擬全橋混凝土實體部分（縱梁、橫梁、塔柱）以及鋼軌；采用能模擬纜索承受拉力的LINK10單元模擬斜拉索；采用能模擬非線性彈簧的COMBIN39單元模擬縱向阻力。在模擬索塔、索梁錨固時，使索單元與橋梁混凝土實體（縱梁、橫梁、塔柱）單元結點共用。

模型采用空間三維模型，線路方向為柳州至黎塘。從上到下依次為主梁、斜拉索、鋼軌、道床、上剛臂，梁體，下剛臂。單個主塔從塔頂往下共設置6個張拉點，每側3個，每個張拉點張拉2條斜索，單個主塔共有12條斜索，整個塔索結構共劃分32個結點，46個單元。路基延長長度選取滿足起點位移和鋼軌力為0為準，在此橋梁模型中，兩端各取100m路基長度，鋼軌在線路方向劃分1193個單元，1194個結點，每個單元長度0.5m。道床結點1194個，采用非線性彈簧單元模擬道路縱向阻力。梁體形心結點以中性軸所在位置選取，共792個結點，784個單元，每個單元長度0.5m用與中性軸垂直的上剛臂來模擬梁上高和橋梁上翼緣的撓曲，在支座處設置下剛臂模擬梁下高和橋墩縱向阻力的約束。在梁體溫度變化過程中，拉索的力也在變化。梁體溫度變化引起的作用和拉索力變化引起的作用可以相互疊加。

3.3 計算結果根據計算的附加力，對紅水河斜拉橋橋梁結構墩臺、支座、鋼軌斷縫、軌道強度、穩定性進行檢算，檢算結果都符合相關規范、規定要求。可以采用方案二無縫線路軌道結構在紅水河斜拉橋上鋪設無縫線路。

4 結束語

紅水河斜拉橋鋪設無縫線路以來，橋梁結構完好，線路穩定。實踐表明通過對單元軌結、鎖定軌溫的合理設計，并選擇合理的扣件類型和線路縱向阻力，在斜拉橋上鋪設無縫線路是可行的。