大跨度橋上鋼軌伸縮調節器區軌道病害分析與監測研究

王森榮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

大跨度橋上鋼軌伸縮調節器區軌道病害分析與監測研究

王森榮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

通過對我國大跨度橋上梁端鋼軌伸縮調節器及梁縫處抬軌裝置的調研和現場實測,得出該區域軌道結構可出現的病害有軌道幾何形位保持不良、混凝土軌枕與鋼枕歪斜、混凝土軌枕拉裂、剪刀叉發生彎曲或扭曲、鋼枕或混凝土軌枕與梁端擋砟墻間頂死等。通過理論分析,得出病害發生的主要原因是由于軌排框架左右枕端道床阻力不等導致軌排變成平行四邊形,從而導致軌枕及懸掛式鋼枕發生歪斜,剪刀叉發生彎曲或扭曲,嚴重時還導致軌枕開裂。針對病害的預防和整治,提出應對鋼軌伸縮調節器區軌道結構開展監測,并詳細介紹監測的內容及方法。

鋼軌伸縮調節器；抬軌裝置；剪刀叉；病害分析；監控測試

鋼軌伸縮調節器是鐵路軌道結構的重要設備部件，能夠允許相鄰鋼軌的縱向相對位移保證正確的鋼軌導向和支撐[1-4]。根據無縫線路受力檢算，由于溫度的變化，長大連續梁橋上無縫線路將產生相當大的鋼軌縱向力及位移，軌枕與道床之間的相對位移過大會破壞軌道的穩定性，這種情況下在無縫線路上設置鋼軌伸縮調節器，能夠明顯改善橋梁和軌道的運營狀態。隨著我國橋梁跨度的增加，鋼軌伸縮調節器伸縮量也越來越大，如天興洲長江大橋、大勝關長江大橋等目前其伸縮量已達1 200 mm(±600 mm)。同時大跨度橋梁由于梁縫較大，為滿足相關要求，還需要在梁縫處鋪設抬軌裝置。針對目前我國大跨度橋梁上鋪設鋼軌伸縮調節器及抬軌裝置地段，結合現場調研和實測，對其運營狀態進行總結，對軌道病害原因進行分析，并提出鋼軌伸縮調節器區軌道應進行監控測試的相關內容。

1 鋼軌伸縮調節器區軌道鋪設情況

目前我國大跨度橋梁上鋪設鋼軌伸縮調節器比較典型的有南京大勝關長江大橋、武漢天興洲長江大橋、銅陵公鐵兩用長江大橋等均鋪設了伸縮量為1200 mm的鋼軌伸縮調節器，并在梁縫處設置了抬軌伸縮裝置。

圖1為大跨度鋼橋上鋪設了伸縮量為1 200 mm的鋼軌伸縮調節器，調節器尖軌長10.2 m、基本軌長15.15 m，處于伸縮量中間位置時鋼軌伸縮調節器整體結構長17.55 m；尖軌設置在混凝土梁側，基本軌設置在鋼桁梁側。為保持梁縫處軌枕間距的均勻，鋼軌伸縮調節器內設置交叉桿機械的抬軌裝置(簡稱“剪刀叉”)，梁端剪刀叉與梁縫兩側邊緣混凝土枕相連；在梁縫中設置2根懸掛式鋼枕，鋼枕懸掛在兩根縱向鋼梁下，采用扣板式扣件聯結；鋼軌伸縮調節器在鋼桁梁上與混凝土梁上的軌枕兩端分別采用鋼板條縱聯。

當梁縫變化時，通過剪刀叉的剪切運動，使懸掛式鋼枕之間的間距、鋼枕與梁縫左右側邊混凝土枕的間距始終保持相等，以達到梁縫處扣件支點間距相等、支承剛度均勻的目的，確保剛度均勻、軌面平順。

圖1 大跨度鋼橋上鋼軌伸縮調節器及抬軌裝置

2 鋼軌伸縮調節器區軌道運營狀態

鋪設鋼軌伸縮調節器相對其他無縫線路地段，軌道結構較為薄弱，但總體來說目前運營使用狀態良好，能夠滿足列車高速、安全運行的要求。但是由于該區域軌道結構受力及梁軌相互作用復雜，對運營養護要求非常高，稍有不慎就可能出現病害。根據目前我國大跨度鋼橋上鋼軌伸縮調節器區軌道運營使用狀況調研，總結有以下病害。

2.1 鋼軌運營情況

通過基本軌上伸縮移動痕跡可以得出我國目前主要幾座大跨度橋梁上鋼軌伸縮調節器1年內單向行程：武漢天興洲長江大橋(主跨為98 m+196 m+504 m+196 m+98 m鋼桁斜拉橋)上基本軌根端為200 mm、尖軌尖端為20 mm；大勝關長江大橋(主跨為109.5 m+192 m+336 m+336 m+192 m+109.5 m連續鋼桁梁拱橋)上基本軌根端為200 mm、尖軌尖端為17 mm，如圖2所示。

在某大橋調研中還發現，4組鋼軌伸縮調節器在23號枕處的尖軌頂面光帶出現突變，如圖3所示。分析原因主要是該軌枕位置處基本軌伸縮過程中，其基本軌頂面略高于尖軌軌頂所造成。

圖2 尖軌爬行

圖3 尖軌頂面光帶異常

2.2 剪刀叉運營情況

剪刀叉易出現不同程度的彎曲，在某次調研實測中其彎曲矢度達到2 mm，如圖4、圖5所示。剪刀叉彎曲一般出現在與混凝土連續梁梁端的第一根軌枕聯結的剪刀叉。剪刀叉彎曲或扭曲的同時，左右股鋼枕位移不同步、鋼枕歪斜，進而可加劇剪刀叉的彎曲或扭曲，從而影響正常使用功能。

圖4 剪刀叉彎曲

圖5 剪刀叉扭曲

2.3 軌枕運營情況

鋼軌伸縮調節器混凝土軌枕及梁縫處的鋼枕可出現歪斜，在某次調研中實測最大歪斜量達到21 mm，最大歪斜的軌枕一般為混凝土連續梁側離梁縫最近的軌枕。對于伸縮調節器軌枕兩端采用鋼板條縱聯的結構，一旦軌枕發生歪斜，則聯結在一起的所有軌枕均出現歪斜。見圖6。

圖6 軌枕歪斜現場實測圖示

此外，近梁縫處的軌枕，當伸縮量較大時，可導致混凝土軌枕被拉裂，裂紋一般從連接鋼板條的螺栓孔處開裂。見圖7。

圖7 軌枕拉裂

2.4 扣件運營情況

鋼軌伸縮調節器區尖軌一般采用常阻力扣件，基本軌采用小阻力或常阻力扣件。從目前的運營維護來看，采用小阻力扣件對軌距擴大的控制相對較弱。軌距一般在4、5、10、11月份的時候保持相對較好，但其他月份由于伸縮量值較大保持能力要差一些。

鋼軌伸縮調節器區為了適應鋼軌的縱向伸縮位移，扣件需要進行持續養護。如針對某大橋伸縮調節器區鋼軌件生銹，一般每隔1～2個月需不定期地進行涂油(潤滑油)，從而保證其正常伸縮。

2.5 橋梁伸縮(支座位移)情況

大跨度橋梁梁縫變化(橋梁伸縮量)基本與調節器的鋼軌伸縮量相當，如某鋼桁橋梁端鋼軌伸縮調節器基本軌和橋梁支座的縱向伸縮量現場實測分別為200 mm、206 mm。對于4線或6線橋梁，橋梁受溫度荷載影響還將發生較大的橫向位移。

2.6 軌道病害情況

鋼軌伸縮調節器范圍主要軌道病害[5-8]：

(1)軌道幾何形位保持不良，可產生軌向、軌距及軌距遞減不順等病害，其前后線路易產生高低、空吊、三角坑等病害；

(2)混凝土軌枕歪斜及拉裂：左右股鋼軌伸縮不同步，軌排成平行四邊形，調節器區域全部或部分軌枕易出現歪斜，特別是梁縫左右兩側的混凝土軌枕出現明顯的歪斜；當變形受阻，或者歪斜量過大時，易導致軌枕(一般為梁縫兩側軌枕)開裂；

(3)在特定位置鋼軌踏面光帶不連續，出現跳躍；

(4)道床不夠飽滿，道床阻力較小；

(5)鋼軌和扣件生銹，扣件縱向阻力增大等。

梁端抬軌裝置主要病害：

(1)梁縫處鋼枕列車通過時變形較大；

(2)剪刀叉不能均勻軌枕間距，剪刀叉自身出現較大變形(彎曲或扭曲)；

(3)鋼枕發生歪斜；

(4)鋼枕與梁端擋砟墻間頂死，鋼枕的自由滑動受阻等。

3 調節器區主要病害原因分析

大跨度橋梁上鋪設鋼軌伸縮調節器以大跨度鋼桁梁梁端鋪設REJ60—1200型單向鋼軌伸縮調節器為例，如圖8所示，其在梁縫左右兩側的各8根和20根調節器軌枕兩端分別采用鋼板進行縱向聯結，形成軌排框架，具有較強縱向、橫向穩定性，而且調節器尖軌與引橋混凝土梁上的長鋼軌焊聯，尖軌處于無縫線路伸縮區。

圖8 鋼軌伸縮調節器與梁跨布置示意

夏季升溫時，梁縫變窄。根據實測資料，溫度跨度為97 m的混凝土連續梁，其梁端將向鋼桁梁方向移動25 mm左右，由于Ⅲ型枕和V型彈條扣件縱向阻力大于道床阻力，因此，混凝土梁在向鋼桁梁移動的同時帶動Ⅲ型枕和V型扣件及鋼軌同時朝鋼桁梁方向移動。尖軌焊聯著混凝土梁上長鋼軌，混凝土連續梁也帶動尖軌朝鋼桁梁方向移動。由于調節器11號～30號軌枕兩端采用鋼連板縱聯形成軌排框架，道床縱向阻力較大，尖軌縱向阻力小于或與軌排道床縱向阻力相當，夏季溫升過程中，尖軌無法帶動軌排隨混凝土梁朝鋼桁梁方向移動，出現了尖軌爬行。當軌排框架的左右枕端道床阻力不等時，左右股位移不等，軌排框架易從長方形變形成平行四邊形，可導致調節器混凝土枕歪斜，并進一步導致剪刀叉扭曲、懸掛式鋼枕歪斜，如圖9所示。冬季降溫時，梁縫變寬，與夏季升溫情況類似，軌排框架的左右枕端道床阻力不等時，左右股位移不等，亦可導致調節器混凝土枕歪斜、剪刀叉扭曲、懸掛式鋼枕歪斜等。

圖9 鋼軌伸縮調節器軌排框架歪斜示意

總結分析大跨度橋上鋼軌伸縮調節器區段，軌道病害的主要原因有以下幾個方面：

(1)溫度變化，導致鋼軌伸縮，當軌排框架的左右枕端線路阻力不等時，左右股鋼軌位移不等，軌排框架易從長方形變形成平行四邊形，因此可導致調節器混凝土枕歪斜，并可進一步導致剪刀叉扭曲、懸掛式鋼枕歪斜；

(2)鋼軌及扣件生銹，增大了扣件縱向阻力，從而增加了無縫線路縱向力，加劇了對軌道結構的破壞；

(3)梁縫處的混凝土軌枕或鋼枕與擋砟板貼緊，軌枕發生歪斜及隨著伸縮量的增大，導致混凝土軌枕開裂；

(4)隨著軌排框架發生歪斜成平行四邊形，鋼梁也發生歪斜，伸縮位移不能均勻進行分配，使剪刀叉受力不均，導致剪刀叉發生彎曲或扭曲；

(5)調節器的基本軌頂面高于尖軌軌頂，易導致鋼軌踏面光帶不連續，出現跳躍，影響行車的平順性；

(6)此外，抬軌裝置的剛度不足、道床不夠飽滿、梁端道砟錯動導致道床阻力降低、調節器區軌道幾何形位保持不良等均可進一步加劇調節器區段的的病害的發生和發展。

4 軌道監控測試

根據相關線路上鋼軌伸縮調節器及梁縫處的抬軌裝置在使用過程中，由于高速鐵路天窗時間短、大橋上道檢查困難，在養護過程中難以做到及時發現相關問題，應對鋼軌伸縮調節器區軌道結構開展監測。

4.1 監控測試的目標和意義

對鋼軌伸縮調節器區開展監控測試，可實時掌握調節器區軌道結構及部件的運營狀態，一旦發現異常可及時進行維修和整治，避免病害的進一步發展和惡變，從而確保軌道結構和部件的正常使用、降低養護維修工作量、減少經濟損失。鋼軌伸縮調節器區軌道結構進行監測的目標和意義主要有以下幾方面。

(1)對鋼軌伸縮調節器鋼軌(尖軌、基本軌)、軌枕、抬軌裝置等關鍵部位進行監測，確保該段軌道結構、無縫線路和主要設備的運營安全；

(2)對調節器和抬軌裝置等進行監控，當發生較大變形時，及時發現并通知運營養護部門上道及時整修，確保正常的安全使用；

(3)掌握鋼軌伸縮調節器地段變形規律，為軌道伸縮調節器地段養護提供依據；

(4)實時監控無縫線路關鍵部位變形狀態，建立安全預警機制，并及時反饋線路病害。

4.2 監控測試的主要內容

根據上述大跨度橋梁上鋼軌伸縮調節器區軌道運營狀態和可能出現的病害，提出對其監控測試的主要內容有：

(1)伸縮調節器區及兩端一定范圍內鋼軌與橋梁的相對位移；

(2)尖軌與基本軌相對位移；

(3)基本軌相對橋梁位移；

(4)尖軌相對橋梁位移；

(5)尖軌與基本軌密貼情況；

(6)橋梁梁縫伸縮情況；

(7)伸縮調節器區鋼軌頂面光帶情況；

(8)剪刀叉的歪斜及聯接點位移；

(9)抬軌裝置鋼枕垂向位移、歪斜情況；

(10)軌枕框架的變形情況，特別是梁縫兩側軌枕的歪斜和相對橋梁的位移情況；

(11)鋼軌、橋梁溫度及氣溫情況；

(12)扣件狀態。

4.3 監控測試的方法與手段

目前監控測試的主要以振弦式、光纖光柵、視頻圖像等為主要手段，對結構的位移、溫度、應變等進行監測，實現數據連續采集，并利用3G或4G的移動網絡實現實時無線傳輸、自動報警等功能，如圖10所示。

圖10 大跨度橋梁鋼軌伸縮調節器區監控系統方案示意

(1)振弦式監控傳感器系統[9-11]

以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應的測量電路，就可得到與拉力成一定關系的電信號。優點主要是設備相對簡單，造價較低；缺點主要是數據穩定性較差、設備使用年限相對較低。

(2)光纖光柵監控傳感系統[12-14]

利用光纖材料的光敏性將光信號轉換成電信號，進行數據采集。優點主要是穩定性好，使用年限較長，對軌道電路及信號干擾低；缺點主要是造價較高，安裝相對復雜，現場安裝時間較長。

(3)視頻監控系統[15-16]

采用視頻監控，通過遠程控制現場球機的攝像位置和焦距變化，可實現遠程實時查看現場的軌道運營狀況，極大的提高檢查維護的效率。

5 結論

通過對大跨度橋梁上鋪設鋼軌伸縮調節器區的軌道運營狀態進行調研和分析，主要結論如下。

(1)大跨度橋上鋪設鋼軌伸縮調節器和抬軌裝置地段，軌道結構可出現的病害有：軌道幾何形位保持不良、混凝土軌枕與鋼枕歪斜、混凝土軌枕拉裂、剪刀叉發生彎曲或扭曲、鋼枕或混凝土軌枕與梁端擋砟墻間頂死等。

(2)鋼軌伸縮調節器和抬軌裝置的病害原因主要是：調節器的軌排框架左右股位移不等，使軌排變成平行四邊形，導致軌枕及懸掛式鋼枕發生歪斜，進而導致剪刀叉發生彎曲或扭曲；當梁縫處軌枕緊貼擋砟墻時，軌枕歪斜及隨著伸縮量的增大，易導致混凝土軌枕開裂。

(3)應對大跨度橋上鋼軌伸縮調節器區軌道結構開展具有實時傳輸、自動預警等功能的監控測試，確保軌道結構和部件的正常使用。

(4)鋼軌伸縮調節器區軌道主要監測內容應包括基本軌相對尖軌位移、基本軌相對橋梁位移、尖軌相對橋梁位移、剪刀叉聯接點位移、尖軌與基本軌密貼情況、橋梁梁縫伸縮情況、軌枕和鋼枕的歪斜情況、鋼軌、橋梁溫度及氣溫情況等。

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Defects Analysis and Monitoring Research on Track in Rail Expansion Joint Area on Large Span Bridge

WANG Sen-rong

(China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Based on the research and field measurement of rail expansion joint at beam end and rail lift device at beam joint on China’s large span bridges, this paper analyzes the track operation condition of this section and concludes that the such defects may appear in track structures as poor track geometry, skewing of concrete and steel sleeper, cracking of concrete sleeper, bending or twisting of scissors fork, getting stuck between steel or concrete sleeper and ballast retaining walls at the end of beam. The theoretical analysis shows that the main reason is the unequal ballast resistance around the sleeper on the track panel framework, which results in parallelogram of the track panel, leading consequently to sleeper and hanging steel skewing and scissors fork bending or twisting, and even sleeper cracking. Aiming at defects prevention and control, this paper proposes contents and approaches in the monitoring of rail structures in rail expansion joint area.

Rail expansion joint; Rail lift device; Scissors fork; Defect analysis; Monitor and test

1004-2954(2018)01-0018-05

2017-01-28；

2017-04-27

中鐵第四勘察設計院集團有限公司科研計劃課題(2015K05);上海鐵路局科研計劃課題(2016064)

王森榮(1980—)，男，高級工程師，2007年畢業于西南交通大學，工學碩士，E-mail:wsr88@126.com。

U213.9+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201701280002