五峰山大橋鋼軌伸縮調節器狀態監測研究與應用

吳定翔 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

鋼軌溫度伸縮調節器（簡稱溫調器）作為一種類似道岔結構的鐵路工務設備，主要用于無縫線路橋梁地段鋼軌應力釋放與緩沖。溫調器按結構分為單向溫調器和雙向溫調器，按用途分為有砟溫調器和無砟溫調器。溫調器設置跟橋梁溫度跨度有關，德國設置溫調器標準為溫度跨度超高60 m的鋼結構橋梁或溫度跨度超高90 m的混凝土結構橋梁，中國目前溫度跨度超高200 m的橋梁設置溫調器。

五峰山長江大橋為連淮揚鎮鐵路控制性橋梁設備，懸索橋主跨跨度為1 092 m，溫度跨度較大，為了確保軌道結構安全性，采用有砟道床并上下行各鋪設2組溫調器，具體布置形式如圖1 所示，溫調器鋪設型號為BWG SA60-1800B 型單向鋼軌伸縮調節器，伸縮量達到±900 mm。大橋4 組溫調器自2020 年12 月11 日開通運營以來，除個別溫調器軌枕出現貫通裂紋外結構基本穩定。但在溫度變化過程中鋼軌和梁體同時伸縮可能造成混凝土枕竄動，從而出現軌距、軌向病害、動檢I 及Ⅱ偏差、晃車儀報警、添乘人體感覺不良、軌下膠墊竄出、剪刀叉扭曲、扣件松動等動靜態病害，溫調器作為工務設備養護過程中的三大薄弱環節之一，設備結構和幾何尺寸狀態是否良好需要進行實時監測與分析。

圖1 五峰山長江大橋鋼軌伸縮調節器布置示意圖

2 監測系統組成

鋼軌溫度伸縮調節器監測實施主要通過位移傳感器、傾角傳感器等振弦式傳感器監測D 值（兩固定鋼枕間距）、固定鋼枕相對橋梁擋砟墻間距G 值、固定鋼枕翻轉傾角等參數，以實現對伸縮調節器的狀態實時預警，分為D 值監測模塊、固定鋼枕位移監測模塊及傾角監測模塊，其中D 值監測模塊安裝在溫調器1#和6#鋼枕左右股外側上，固定鋼枕位移監測模塊安裝在3#鋼枕左右股外側上，傾角監測模塊安裝在靠橋梁欄桿單側1#、3#、6#鋼枕枕頭處，3 種監測系統具體布設見圖2。

圖2 鐵路溫調器平面布置示意圖

3 鋼軌伸縮調節器數據運用分析

針對大橋溫調器尖軌固定，基本軌隨著氣溫變化自由伸縮和梁體熱脹冷縮的特性，通過一周累積數據分析軌溫、氣溫、梁溫三種溫度工況溫調器D值、G值、傾角變化情況。

圖4 五峰山大橋1#溫調器梁溫及D值變化規律圖

從圖3-圖5可看出隨著軌溫、梁溫、氣溫變化D值也隨之變化，軌溫、梁溫、氣溫升高D 值變小，氣溫下降D 值變大，2#～4#溫調器也呈相同規律。從曲線走向及峰值大小來看，D值變化與氣溫符合性較好，主要由于在陽光照射下軌溫與梁溫變化是漸變的過程，具有一定的延遲，沒有氣溫靈敏度高。由于五峰山大橋跨越長江，受光照和風速等外界因素影響，橋梁不同位置氣溫峰值和變化情況差別顯著，如圖6、圖7 所示，2#溫調器中心里程為K318+250，3#溫調器中心里程為K319+580，兩者距離1.33km但氣溫變化情況截然不同。

圖3 五峰山大橋1#溫調器軌溫及D值變化規律圖

圖6 2#溫調器D值隨氣溫變化

圖7 3#溫調器D值隨氣溫變化

3.1 溫調器D值監測運用與分析

溫調器左右股固定鋼枕間距D 值監測是五峰山大橋溫調器設備監測一項重點指標，當固定鋼枕D 值變化過大時會導致溫調器及前后線路軌道框架幾何尺寸變化導致軌道結構失穩，影響高鐵列車運行品質。D 值通過拉線位移傳感器和鋼枕翻轉角度測量解算獲取，具體如下：

式中：D1、D2—溫調器左右股固定鋼枕間距；

a1、b1—溫調器1#鋼枕到3#鋼枕傳感器測量值；

a2、b2—溫調器3#鋼枕到6#鋼枕傳感器測量值；

q1、q2、q3—溫調器1#、3#、6#鋼枕傾角值；

T11為位移傳感器1測量起始點至1#軌中心的距離，T12為位移傳感器2 測量起始點至6#軌中心的距離，T13為錨把的寬度；

ΔD—左右股固定鋼枕間距差值。

通過五峰山大橋一體化監測數據分析系統，對溫調器D值數據變化情況進行日常跟蹤分析，并根據季節特點選取溫調器冬季和春季部分代表性數據進行分析，具體如表1、表2所示。

表1 不同季節1-4#溫調器ΔD極值情況

表2 不同季節1-4#溫調器D值隨溫度變化情況

根據表1 可以看出氣溫升高，溫調器D 值變小，但ΔD 值既可能變小也可能變大，說明同一處溫調器氣溫變化時，左股和右股鋼枕間距變化量不同，表2中D1、D2隨溫度平均變化率不同也可以論證。五峰山大橋主橋長1 428 m，采用（84+84+1092+84+84）m 跨徑布置，鋼材線膨脹系數1.18×10-5/℃，理論核算鋼梁單側隨溫度變化率約為8.42 mm/℃。D 值與理論計算鋼梁隨溫度變化率不一致說明除了氣溫為主要影響D值變化因素外還有其他影響因素如：風速導致大橋線性變化、橋梁跨中垂向位移、列車牽引力、傾角數據異常等。

溫調器鋼枕連接混凝土枕軌枕，軌枕間距容許偏差為±20 mm，連續6 根間距容許偏差為±30 mm，當軌枕間距超過20 mm 需要上道檢查，超過30 mm 需要安排維修計劃進行整治。溫調器鋼枕框架發生幾何變化能帶動其后混凝土枕間距變化，由于道床阻力和橋梁擋砟墻的存在，混凝土枕間距變化量要小于固定鋼枕間距（D值）變化量。當兩側固定鋼枕間距差值最大值（ΔD）超高30 mm時，溫調器設備管理單位就需要上道檢查溫調器連接零件結構狀態和相鄰混凝土枕結構狀態及軌枕間距，同時可結合日常車載晃車儀數據和動檢數據進行綜合分析。

從表 1 可知 3#、4#溫調器ΔD值最大分別為 12 mm 和11.27 mm，在可控范圍內但需要加強日常監測，除了對溫調器ΔD值變化進行峰值管理外，對ΔD值隨溫度和時間變化情況也進行分析，通過冬季和春季一周內△D隨溫度變化率進行數據分析。

式中：ΔD1、ΔD2—不同時刻固定鋼枕相錯量；

T1、T2—不同時刻氣溫；

從圖8、圖9 可以看出1#、2#溫調器，3#、4#溫調器△D 隨溫度變化率曲線雖然峰值差別較大但變化趨勢基本一致，主要由于同一位置上下行溫調器道床阻力和接收光照情況不同。k值最大處一般位于早晨或下午氣溫最高及最低時刻，冬季k值最大為1.74 mm/℃，春季k 值最大為 0.56 mm/℃，說明冬季溫調器固定枕框架幾何形態變化相對較快，需要加強盯控。

圖8 冬季1#～4#溫調器△D一周內隨時間變化情況

圖9 春季1#～4#溫調器△D一周內隨時間變化情況

3.2 溫調器G值監測運用與分析

上下行溫調器梁端鋼枕中心與橋梁梁縫擋砟板間距為G11、G12、G21、G22，通過表3中3個月的監測情況統計來看，數據基本穩定，2 月份4#溫調器G12和G22出現異常最大值與最小值差值分別達到52.23 mm和53.81 mm，經過分析為正橋固定枕傾角傳感器出現異常導致Q3傾角值接近-15°，剔除特殊情況G值最大變化量為9.7 m，在安全可控范圍。

表3 溫調器G值變化情況統計表

3.3 溫調器傾角監測運用與分析

溫調器傾角用于反映鋼枕翻轉情況，主要測量鋼枕縱向和垂直鋼枕方向的角度變化，通過測量出傾角值來補償D值，傾角測量精度為0.05°，量程范圍為±15°。從表4中3個月數據來看變化幅度不大，2月份4#溫調器傾角值最小值將近-15°，具體如圖10 所示，通過現場排查為監測設備故障，更換新的傳感器、連接線并對機柜連接接頭重新加固安裝后恢復正常。200 km/h～250 km/h線路（含溫調器）軌道動態質量一級偏差容許偏差管理值為5 mm，固定鋼枕寬度為320 mm，當固定鋼枕翻轉高度為5 mm時，傾角值約為0.9°。由于溫調器實際列車通過速度不超過160 km/h，當溫調器固定枕傾角值持續超高1°時，理論上可能造成溫調器動檢一級偏差。

表4 溫調器傾角變化情況統計表

圖10 大橋4#溫調器傾角監測異常變化情況

4 建議與對策

通過五峰山長江大橋溫調器監測裝置的安裝及現場應用，為了防止溫調器D 值和G 值變化過快和峰值過大造成一系列結構及幾何尺寸病害，維護部門在日常檢養修過程中需要做好以下幾點：

（1）加強溫調器及前后線路扣件扭力距日常周期檢查，確保不同結構的扭矩在鋪設圖和設計文件規定的合理范圍內，使基本軌左右股鋼軌伸縮過程中受到約束力盡可能一致，同時建議工務部門在軌枕處對溫調器不同部位扣件螺栓扭矩進行標識刷新，方便作業人員按標作業。

（2）在溫調器前后附近線路兩線間適量堆積部分石砟。溫調器方枕搗固整治作業后及時對作業地點及時補砟和勻砟，較好的均勻恢復道床縱向阻力。

（3）對軌溫調器前后線路軌下膠墊科學涂抹潤滑劑，防止鋼軌伸縮過程中造成軌下膠墊竄出。

5 結束語

（1）本文主要對溫調器D 值、G 值、傾角三項數據在冬季和春季兩個季節進行詳細分析，限于數據量有限未對溫調器全年運營狀態跟蹤分析。通過五峰山大橋溫調器監測數據應用，對其他類似大橋溫調器監測應用和有砟溫調器日常檢修具有一定借鑒意義。

（2）氣溫、軌溫、梁溫變化造成梁縫變化同時引起D 值變化，但D 值變化與氣溫符合性較好但無線性關系，溫度是影響D值變化主要因素，非唯一因素。

（3）溫調器D 值監測是三項指標的重點，當兩側固定鋼枕間距差值△D 最大值超高30 mm 時，工務部門要及時對溫調器及相鄰砼枕進行排查整治，同時加強冬季溫調器區段里程范圍內早晨及下午時刻的軌控分析。

（4）溫調器固定枕傾角值持續超過1°時，要結合動檢和晃車儀數據進行對比分析。