徐連高速鐵路邳州連續梁拱橋上鋼軌伸縮調節器鋪設技術

崔強

中國鐵路上海局集團有限公司徐州樞紐指揮部，江蘇徐州221000

新建徐州—連云港高速鐵路設計速度350 km/h，線路西自徐州，與徐蘭高速鐵路、京滬高速鐵路和徐鹽高速鐵路相連，東達連云港地區，連通青鹽鐵路和連鎮高速鐵路，線路全長180.092 km。

徐連高速鐵路大量以橋代路，橋梁總長163.635 km，占線路總長的89.5%。徐連高速鐵路跨度（84+168+84）m邳州連續梁拱橋（圖1）是全線溫度跨度最大的鋪設無砟軌道的橋梁。本文先對橋上無縫線路鋼軌強度進行檢算，然后對鋼軌伸縮調節器和梁端伸縮裝置的設計、鋪設及動態檢測進行介紹和分析，為我國大跨度橋梁上無砟軌道鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置鋪設提供參考。

圖1 橋跨布置示意

1 橋上無縫線路鋼軌強度檢算

由于梁軌相互作用，在溫度荷載作用下橋梁會發生縱向伸縮位移，而橋上鋼軌是連續的，二者伸縮位移不一致，會導致鋼軌內部產生伸縮附加應力［1］。特別是在冬季，梁縫處鋼軌受力更大。此外，在列車制動及溫度荷載作用下鋼軌很可能在梁縫處拉斷［2］。邳州連續梁拱橋小里程側溫度跨度為252 m，大里程側溫度跨度為116 m。根據TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》［3］，須對橋梁上僅鋪設小阻力扣件時無縫線路鋼軌強度進行檢算。

鋼軌強度檢算公式為

式中：σd、σt、σf、σz、[σ]分別為鋼軌的動彎應力、溫度應力、伸縮附加應力、制動應力和容許應力。

1.1 鋼軌動彎應力計算

σd的計算公式為

式中：M0為鋼軌靜彎矩，取17 431.50 kN·mm；α為速度系數，徐連高速鐵路設計速度為350 km/h，α取1；β為偏載系數，本橋位于直線地段，不設超高，β取0；f為橫向水平力系數，直線地段取1.25；W底為鋼軌軌底斷面系數，取3.75×105mm3。

經計算，σd=116.21 MPa。

1.2 鋼軌溫度應力計算

邳州連續梁拱橋所在地最高軌溫60.6℃，最低軌溫-22.6℃，設計鎖定軌溫（24±5）℃，由此可得鋼軌最大溫降為51.6℃。σt的計算公式為

式中：E為鋼軌彈性模量，取210 GPa；α為鋼軌熱膨脹系數，取1.18×10-5℃-1；Δt為鋼軌最大溫降，取51.6℃。

經計算，σt=127.86 MPa。

1.3 鋼軌伸縮附加應力及制動應力計算

當邳州連續梁拱橋全橋鋪設小阻力扣件時，采用橋上無縫線路梁軌相互作用計算模型［4］對鋼軌伸縮附加應力、鋼軌制動應力進行計算，結果見圖2。

圖2 鋼軌伸縮附加應力和制動應力計算結果

從圖2可以看出：小里程側梁縫處（DK125+430.75）鋼軌伸縮附加應力明顯大于大里程側梁縫處（DK125+768.05），鋼軌最大伸縮附加應力為85.92 MPa；鋼軌最大制動應力為22.84 MPa。

1.4 鋼軌容許應力

徐連高速鐵路采用U71MnG鋼軌，鋼軌屈服強度為457 MPa，考慮安全系數1.3，鋼軌容許應力［σ］為351 MPa。

綜合以上計算，邳州連續梁拱橋無縫線路鋼軌強度為σd+σt+σf+σz=116.21+127.86+85.92+22.84=352.83 MPa＞［σ］。即僅在橋梁上鋪設小阻力扣件，無縫線路鋼軌強度不滿足要求，因此考慮在橋梁梁縫設置鋼軌伸縮調節器。

對于大跨度連續梁拱橋，通常在兩側梁縫處均設置鋼軌伸縮調節器［5］。如果只布設在大溫度跨度側，連續梁拱橋將承受小溫度跨度側無縫線路的縱向力。橋梁不僅受力不平衡，而且在溫度應力循環作用下小溫度跨度側梁縫附近扣件墊板容易隨梁體伸縮而竄出，在低溫季節甚至存在斷軌風險。因此，邳州連續梁拱橋兩側梁縫處左右線均設置鋼軌伸縮調節器。邳州連續梁拱橋最大梁縫寬46 cm。為保證梁縫處扣件間距和鋼軌受力同時滿足要求，還須采用上承式梁端伸縮裝置。

2 鋼軌伸縮調節器和梁端伸縮裝置設計

2.1 總體設計

邳州連續梁拱橋兩側梁縫處左右線均設置鋼軌伸縮調節器和梁端伸縮裝置（共4組）。鋼軌伸縮調節器的型號為研線0706（19LX）（以下簡稱調節器）。調節器跨梁縫布置，調節器尖軌布置在連續梁梁面上，尖軌尖端朝向梁縫，基本軌跨越梁縫至簡支梁。調節器與上承式梁端伸縮裝置一體化設置。調節器全長19.96 m，設計伸縮量為±400 mm；上承式梁端伸縮裝置設計伸縮量為±300 mm。鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置布置如圖3所示。

圖3 邳州連續梁拱橋鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置布置示意

2.2 細部設計

調節器的扣件采用硫化墊板及偏心套結構，硫化墊板靜剛度與扣件鐵墊板一致。調節器的基本軌下采用可滑動扣件，尖軌下采用大阻力扣件。鋼軌左右兩側調整量均為±16 mm，高低調整量為-4～20 mm。調節器的軌撐螺栓采用了穿銷螺栓+開槽螺母+彈簧墊圈+平墊圈結構，以提高軌撐螺栓的加固性能。

為保證結構合理可靠，調節器的尖軌尖端設計為藏尖3 mm，尖軌非工作邊呈拋物線形。為保證基本軌滑動狀態穩定可靠，在基本軌軌撐下設置墊片，在基本軌跟端設置雙聯軌撐，如圖4所示。

圖4 調節器斷面示意

3 鋼軌伸縮調節器和梁端伸縮裝置鋪設

自下而上、從梁縫向兩側鋪設調節器及梁端伸縮裝置。具體步驟如下：

1）鋪設梁端伸縮裝置

首先將梁縫兩側的長桁架軌枕調整到合適位置，用支架將軌頂支撐到軌道結構高度處，使鋼軌中心線與線路中心重合。然后安裝扣件及縱梁，擰緊扣件和枕端連接板螺栓，形成完整的梁端伸縮裝置。

2）鋪設調節器

①在梁端伸縮裝置兩側依次排布調節器區軌枕，擰松軌枕的鋼軌扣件，取下彈條、軌撐等部件，拆下2根短鋼軌。②采用專用吊機從裝載車上起吊調節器尖軌和基本軌組件，平放到附近并進行支墊和防護。③放置扣件的硫化墊板、彈條、T形螺栓副、軌距塊、緩沖調距塊，安裝扣件并進行鋼軌軌距調整，以80～100 N·m扭矩初擰墊板螺栓，并將硫化墊板與軌枕聯結，同時調整支撐架高度。④測量每根軌枕的位置，用精調儀對軌枕位置進行精調。鋪放和綁扎道床板內鋼筋，按道床板位置設置模板，并做好澆筑混凝土相關準備。⑤在基本軌始端、尖軌尖端（或跟端）、基本軌跟端設置位移觀測樁。

3）澆筑混凝土及焊接鋼軌

①對關鍵部件覆蓋防護后方可澆筑混凝土，澆筑過程中嚴禁磕碰、踩踏剪刀叉和縱梁。在混凝土澆筑24 h內及時去除落入的臟物并養護。②首選鋁熱焊對基本軌始端及尖軌跟端進行焊接，焊頭打磨、探傷等應符合相關技術要求。鋼軌焊接后應檢查一體化設備各部件扭矩、涂油狀況、密貼程度與間隙。

4 動態檢測

2020年12月動車組通過邳州連續梁拱橋調節器處時，對動車組運行穩定性指標、軌道結構橫向穩定性指標、軌道結構振動指標進行了實測，結果見表1。

表1 動車組和軌道結構動力性能指標實測結果

由表1可見，動車組通過調節器處時，各項動力性能指標均在規范限值內。

5 結論

1）僅在橋梁上鋪設小阻力扣件，徐州—連云港高速鐵路邳州跨度（84+168+84）m連續梁拱橋上無縫線路鋼軌強度不滿足要求，因此確定在橋梁兩側梁縫處左右線均設置鋼軌伸縮調節器。為保證梁縫處扣件間距和鋼軌受力同時滿足要求，還須采用上承式梁端伸縮裝置。

2）鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置在邳州連續梁拱橋鋪設后，動車組通過鋼軌伸縮調節器處時各項動力性能指標均在規范限值內。

在徐連高速鐵路建設單位，調節器的研發單位、線路設計單位、施工單位等各方積極配合下，邳州連續梁拱橋鋼軌伸縮調節器及梁端伸縮裝置順利鋪設，為我國需鋪設無砟軌道鋼軌伸縮調節器的其他大跨度橋梁提供了經驗。