鐵路道岔便梁技術條件與結構方案研究

謝愛華

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著我國交通線路網的不斷完善，出現大量的新建道路、新建城市市政排水系統、城市道路與既有鐵路相互交叉，需要下穿站場、道岔區段等復雜情況。道岔區段鐵路線相互交匯，線間距與曲線半徑小，轉轍機、信號燈、道岔拉桿等相關設備多，同時線路要求高，直股與曲股之間的軌道受力也比較復雜，路基的下沉和不均勻沉降容易引起病害。以往下穿工程通常會選擇避開道岔區段，但近些年隨著城市交通工程的發展，越來越多的線路不可避免地需要下穿道岔區段[1－5]。傳統的下穿加固技術如縱橫梁法，沿鐵路線設置的樁位較多，另一側搭在下方框架涵的涵頂，頂推過程中若框架涵出現扎頭、偏位時，容易造成線路的傾斜或是過大變形，一旦在尖軌段或轍叉段出現變形過大，尖軌與基本軌不密貼導致軌距擴大，將會危及行車安全。

道岔區段采用便梁加固等于以橋代路，由于道岔區從岔尖區到轍叉區線路數量發生變化，需要加固的區域較寬[6－7]。因此需要一種縱橫向剛度大、斷面寬，并在施工中避免抽換岔枕的加固方式，達到快速施工和恢復線路，對營業線擾動少，不中斷行車，軌道條件好等目的，因此本文依托中鐵第五勘察設計院集團有限公司科技研究開發計劃項目，研究提出滿足上述要求的道岔便梁加固結構。

2 道岔便梁主要技術條件分析

道岔便梁技術條件主要從活載、限速、便梁剛度、線路條件等幾方面進行分析，并根據道岔區線路岔心和岔尾兩個部位分別分析豎向剛度要求。

2.1 活載

道岔便梁屬于臨時性鋼梁，設計時參考的規范主要有?鐵路橋梁搶修(建)技術規程(試行)?[8](以下簡稱?搶規?)和?鐵路橋涵設計規范TB 10002—2017?(以下簡稱?橋規?)。在搶修工況下，應急與短期使用年限一般在1～5年，設計活載為東風4型內燃機車單機隨掛70 kN/m均布活載。而營業線臨時架空時間多在半年以內，且不可能做到限載，因此道岔便梁設計活載依據架空線路設計活載及運營活載選定，目前各類工程中涉及到的設計活載主要為高速鐵路ZK活載、客貨共線ZKH活載與中活載3種。

2.2 限速

一般道岔區段離車站較近，運營列車繁忙，安全要求高，參考既有D型便梁設計限速為60 km/h，且不低于鐵路營業線施工限速45 km/h，因此道岔便梁的設計限速定為60 km/h，不僅在設計上可留有一定富裕量，使便梁適應鐵路荷載的覆蓋面更廣，也可提高客貨共線和高速鐵路架空加固后的通過能力和舒適度。

2.3 沖擊系數

?橋規?中的沖擊系數計算公式為:1＋μ＝1＋28/(40＋L)。

?搶規?中的沖擊系數計算公式為:1＋μ＝1＋φ28/(40＋L)。

式中:φ為折減系數，對于內燃機車、電力機車和車輛，當行車速度V＝60～120 km/h時，φ＝0.75；當V<60 km/h時，φ＝0.75 V/60。

從上述兩種不同規范關于沖擊系數的計算公式可以看出:由于臨時性鋼梁的限速較低，且為了更大限度地利用鋼材承載能力，重點保證應急與短期使用年限，在設計上不至于過于保守浪費，?搶規?相較于?橋規?對沖擊系數取0.75的折減系數，并對60 km/h以下速度進一步折減。為進一步明確兩個公式哪個更適用于臨時鋼梁的設計使用，結合B型梁(L＝24 m)動載試驗報告的有關數據，主要列出B型梁主梁跨中、主梁拼接處、橫梁上翼緣在4 種理論限速15 km/h、30 km/h、45 km/h 及60 km/h下的實測沖擊系數，與依據?搶規?和?橋規?沖擊系數計算方法的計算值進行對比分析，如表1所示。

表1 B型梁(L＝24 m)不同限速下動載沖擊系數實測值與計算值對比

由表1可以看出:45 km/h至60 km/h時，縱橫梁實測沖擊系數隨速度增加而增大，?橋規?計算的主梁沖擊系數約為實測值的1.25倍，?搶規?計算的主梁沖擊系數約為實測值的1.15倍；?橋規?計算的橫梁沖擊系數約為實測值的1.15倍，?搶規?計算的橫梁沖擊系數約為實測值的1.05倍。由以上數據分析對比，沖擊系數應按?搶規?計算，即留有一定的安全富裕量，也不致于造成較大浪費。

2.4 豎向剛度

參考D型便梁豎向剛度以及?普速鐵路線路修理規則?[9]中“道岔軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值”與“軌道動態質量容許偏差管理值”要求綜合確定。

(1)岔心段道岔便梁剛度

岔心位置處存在轉轍機、活動尖軌等設備[10]，為避免便梁撓度及振動對轉轍機工作及尖軌滑動產生影響，參考“軌道動態質量容許偏差管理值”中Vmax≤120 km/h、正線Ⅲ級時的軌道高低容許值20 mm，以該值作為軌道在便梁跨度范圍內的高低容許值，由此反推在不考慮沖擊系數后的道岔便梁縱梁豎向剛度容許值。表2為ZKH靜活載下各類常用跨度的岔心段道岔便梁縱梁撓度建議值。

表2 岔心段道岔便梁縱梁撓度建議值

(2)岔尾段道岔便梁剛度

轍岔及岔尾段等不存在轉轍機的區域，根據已有相關的下穿工程經驗，該區域沒有必要采用岔心段剛度要求。在轍岔和岔尾地段，列車通過主線或側線時縱梁會受到一定程度的偏載，在參考D型梁剛度基礎上適當提高岔尾段道岔便梁豎向剛度至Lp/500，有利于轍岔及岔尾段道岔便梁的受力均衡及軌道變形控制。

2.5 橫向剛度

我國鐵路隨著列車速度的提高，對橋梁橫向剛度的規定日益明確，鐵路運營單位也對便梁的橫向剛度提出過檢算要求，但鐵路臨時性鋼梁設計所參照的?搶規?中，并沒有對橫向剛度提出明確要求，而?橋規?中1/4 000水平撓度容許值對于臨時性鋼梁過于嚴苛，這使得設計人員在對臨時鋼梁橫向剛度的把握上無可參考依據。參照既有便梁豎向剛度與?橋規?中豎向剛度的比例關系，提出道岔便梁的水平撓度限值按跨度的1/2 000控制。由于道岔便梁使用跨度不大，在設計與運營限速下，通過多年使用檢驗證明該橫向剛度是安全的。

道岔段由于常存在小曲線半徑或兩條正線軌底有相對高差的情況，通常會將樁頂做成斜坡，便梁采取整體斜置的方式，由此因斜置產生的橫向分力會增大便梁結構的橫向變形。以32 m便梁在100 mm超高值下其斜置角度為3.8°為例，通過增加架設過程施工工況分析，累積縱梁自重下的橫向位移、縱橫梁連接成整體后自重下的橫向位移，以及搖擺力、橫向風力、離心力、列車活載作用下的橫向位移后，斜置架設后便梁橫向位移值約是平置架設的1.5倍。因此采用斜置便梁以滿足超高或軌底高差時，應綜合考慮架設過程的影響，適當提高便梁橫向剛度。

2.6 線路條件

道岔便梁主要針對單開、交叉渡線、復式交分等道岔，也可擴大應用至線間距4～5.6 m的雙線鐵路。

3 道岔便梁結構方案

3.1 總體結構

道岔區便梁的總體布置方案主要考慮下穿框架橋、道岔型號、道岔區段、岔枕角度與間距、線間距、限界[11]、軌底至框架橋頂距離等方面因素，遵循“因形而設、經濟緊湊”的原則，兩側縱梁分別為平行于正線方向或平行于岔線方向，形成八字形、小角度平行四邊形或方形平面結構。在部件設計上，通過采取低高度加長橫梁、高承載力縱梁、簡化平聯、配套多類型道岔扣件等一系列措施，形成各類道岔便梁結構，見圖1、圖2。

圖1 單開道岔便梁平面(單位:m)

圖2 渡線道岔平面(單位:m)

3.2 部件結構

道岔便梁結構簡單、部件種類少，安裝方法便于施工單位掌握。各個主要部件具有以下特點:

(1)道岔便梁通常采用直接架空2條正線及渡線的方式，斷面寬度在11 m左右，見圖3。

(2)縱梁為窄箱形截面，24 m跨度縱梁高度一般在1.7 m以內，寬度根據外側線間距下可用空間大小以及橫向剛度要求確定。

(3)橫梁為工字形，長度最大在10 m左右，高度在0.5～0.65 m之間，兩端通過連接板及隅撐與縱梁加勁肋連接。

(4)下平聯采用雙交叉型式，取消連接板，將平聯角鋼直接與橫梁下翼緣連接，減少一半連接螺栓[12]，在有效保證橫向變形的情況下大大減化現場安裝工作量。

(5)結合使用單位習慣，提出3種道岔便梁扣件種類，以解決小間隙鋼軌固定問題。其中A型扣件主要用于正線鋼軌的固定，通過螺栓與橫梁連接；B、C型扣件用于渡線鋼軌的固定，采用現場焊接方式與橫梁連接，見圖4。

圖4 道岔便梁軌道扣件

4 結束語

本文提出的道岔便梁設計指標，在綜合考量臨時鋼梁安全性與經濟性基礎上，明確了沖擊系數、橫豎向剛度及施工過程分析等要求，對于道岔便梁設計尺度的把控以及保證既有線施工運營安全提供了依據，同時本文提出的道岔便梁結構也在單開道岔、交叉渡線道岔及雙線鐵路中成功應用，減少了道岔線路對市政設施、公路選線的影響，降低了對鐵路運輸的干擾，給使用單位帶來了較好的社會效益與經濟效益。