鋼桁梁明橋面板式無砟軌道用扣件研究

李秋義方杭瑋李子睿

1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

廣州南沙港鐵路主要承擔(dān)西南、中南地區(qū)進出口外貿(mào)集裝箱疏運任務(wù)，對于建設(shè)以南沙港為核心的陸海聯(lián)運大通道具有重大意義。該鐵路跨洪奇瀝水道特大橋的主橋為跨徑（138+360+360+138）m鋼桁梁橋（圖1），采用明橋面結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)板式無砟軌道［1］。與傳統(tǒng)的明橋面木枕、復(fù)合材料軌枕相比，該軌道可以延長使用壽命，減少養(yǎng)護維修量，符合低碳環(huán)保要求。無砟軌道的彈性幾乎完全來自扣件，幾何精度也全靠扣件來保持和調(diào)整［2-4］。在大跨度鋼桁梁橋明橋面鋪設(shè)無砟軌道的關(guān)鍵技術(shù)是解決扣件的彈性、調(diào)整能力和小阻力問題。

圖1 跨洪奇瀝水道鋼桁梁橋

常用的木枕K型分開式扣件和復(fù)合材料軌枕MQ-1型扣件的彈性、調(diào)整能力均較差，無法提供小阻力，道釘容易松動變形，安裝維修不便，故不適用于板式無砟軌道［5］。本文研究了鋼桁梁明橋面板式無砟軌道結(jié)構(gòu)用扣件，并通過各種性能試驗和現(xiàn)場鋪設(shè)，驗證其適用性和可靠性。

1 扣件設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

與鋼桁梁明橋面板式無砟軌道結(jié)構(gòu)配套的扣件須滿足：①扣件適用于客貨共線鐵路明橋面上曲線半徑不小于600 m地段、鋪設(shè)板式無砟軌道地段；②適用50、60 kg/m鋼軌；③扣件采用無擋肩、彈性分開式結(jié)構(gòu)；④明橋面無砟軌道剛度較大，扣件系統(tǒng)應(yīng)具有足夠彈性；⑤明橋面無砟軌道幾何形位調(diào)整困難，扣件應(yīng)具有較大的鋼軌幾何形位調(diào)整能力；⑥為減少大跨度鋼橋梁軌相互作用，扣件應(yīng)具有小阻力功能。根據(jù)該六項要求設(shè)計了MQ-2型扣件。

1.2 扣件組成及特點

MQ-2型扣件（圖2）由彈條、T形螺栓、螺母、平墊圈、軌距塊、鐵墊板、軌下墊板、緩沖墊板、螺旋道釘、重型彈簧墊圈、預(yù)埋套管等部件組成。

圖2 MQ-2型扣件結(jié)構(gòu)

MQ-2型扣件的特點：①扣件與軌道板采用螺旋道釘和預(yù)埋套管連接。為防止螺旋道釘在使用過程中松動，在螺旋道釘與鐵墊板間加裝重型彈簧墊圈。②由軌下墊板提供彈性，并實現(xiàn)鋼軌高低調(diào)整。③通過更換不同類型的彈條、軌距塊和軌下墊板，可實現(xiàn)常阻力、小阻力和超小阻力三種縱向阻力，滿足不同工況無縫線路設(shè)計需求。④由不同厚度的軌下調(diào)高墊板和絕緣緩沖墊板來調(diào)整鋼軌高低。

1.3 扣件設(shè)計參數(shù)

①常阻力、小阻力、超小阻力三種扣件的鋼軌縱向阻力設(shè)計值分別大于等于9.0、4.0、2.5 kN；②參考軌道剛度及扣件墊板剛度的相關(guān)研究成果［6-11］，結(jié)合MQ-2型扣件運營條件，確定軌下墊板靜剛度為（100±10）kN/mm；③預(yù)埋套管抗拔力不小于60 kN；④兩股鋼軌間絕緣電阻不小于5 kΩ；⑤軌距調(diào)整量為-8~+8 mm，鋼軌高低調(diào)整量為-4~+20 mm。

1.4 軌距調(diào)整

采用不同號碼的軌距塊調(diào)整鋼軌左右位置，可實現(xiàn)軌距調(diào)整。軌距塊分為7、9、11、13和15五種號碼。軌距塊配置見表1。

表1 軌距塊配置

1.5 鋼軌高低調(diào)整

為滿足鋼軌高低調(diào)整，需采用不同厚度的軌下調(diào)高墊板和鐵墊板下緩沖墊板。軌下調(diào)高墊板厚度分別為1、2、5、8、10 mm。具體配置見表2。

表2 軌下調(diào)高墊板和鐵墊板下緩沖墊板配置mm

2 軌下墊板性能試驗

軌下墊板性能試驗包括靜剛度試驗、動剛度試驗和疲勞試驗。軌下墊板動靜剛度比根據(jù)動、靜剛度試驗結(jié)果計算。軌下墊板靜剛度疲勞試驗前測試一次，經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后再次測試，計算出軌下墊板靜剛度變化率。

2.1 軌下墊板靜剛度、動剛度試驗

根據(jù)TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件 第1部分：通用技術(shù)條件》附錄A和附錄B，最大加載100 kN，起始、終止荷載分別為20、80 kN。試驗結(jié)果見表3。設(shè)計要求軌下墊板靜剛度在（100±10）kN/mm，動靜剛度比不大于1.5。可見，軌下墊板靜剛度和動靜剛度比均滿足設(shè)計要求。

表3 軌下墊板靜剛度試驗結(jié)果

2.2 軌下墊板疲勞試驗

根據(jù)TB/T 3395.1—2015附錄C，循環(huán)荷載為20~130 kN。軌下墊板疲勞試驗結(jié)果見表4?？芍?00萬次疲勞試驗前后軌下墊板靜剛度變化率最大值為3.2%，滿足不超過20%的規(guī)范要求。

表4 軌下墊板疲勞試驗結(jié)果

3 扣件組裝疲勞性能試驗

按照TB/T 3396.4—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第4部分：組裝疲勞性能試驗》，垂向荷載為75 kN、橫向荷載為40 kN，試驗用60 kg/m鋼軌高度由176 mm截至130 mm。三種阻力扣件分別在標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下經(jīng)300萬次荷載循環(huán)，試驗結(jié)果見表5。扣件各零部件均無傷損。軌距變化量最大值為2.5 mm，小于規(guī)范限值6.0 mm；組裝靜剛度變化率最大值為7%，滿足不大于25%的規(guī)范要求。

表5 扣件組裝疲勞性能試驗結(jié)果

4 扣件其他性能試驗

4.1 鋼軌縱向阻力試驗

按照TB/T 3396.1—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第1部分：鋼軌縱向阻力的測定》進行試驗，常阻力、小阻力、超小阻力扣件的鋼軌縱向阻力試驗結(jié)果見表6?？芍N類型扣件的鋼軌縱向阻力均滿足設(shè)計要求。

表6 鋼軌縱向阻力試驗結(jié)果 kN

4.2 預(yù)埋套管抗拔力試驗

按照TB/T 3396.7—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第7部分：預(yù)埋件抗拔力試驗》進行試驗。加載速率50 kN/min，上拔力加至60 kN，保載3 min后卸載。預(yù)埋套管未被拔出，且在套管周圍未見裂紋或砂漿剝離，滿足設(shè)計要求。

4.3 絕緣性能試驗

按TB/T 3396.5—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第5部分：絕緣電阻的測定》進行試驗。測得兩軌間絕緣電阻為16.7 kΩ，滿足不小于5 kΩ的設(shè)計要求。

5 應(yīng)用效果

南沙港鐵路跨洪奇瀝水道特大橋采用板式無砟軌道和MQ-2型扣件（圖3），這是國內(nèi)在大跨度鋼桁梁橋上首次嘗試。2021年12月南沙港鐵路開通運營，已完成2.1萬個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱運輸，列車通過跨洪奇瀝水道特大橋時安全、平穩(wěn)，軌道幾何形位良好，扣件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

圖3 板式無砟軌道和MQ-2型扣件

6 結(jié)論

本文開展了鋼桁梁明橋面板式無砟軌道用MQ-2型扣件室內(nèi)試驗。主要結(jié)論如下：

1）軌下墊板靜剛度測試值在101.3~103.9 kN/mm，動靜剛度比最大值為1.4，300萬次疲勞試驗前后軌下墊板靜剛度變化率最大值為3.2%，均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

2）經(jīng)300萬次扣件組裝疲勞性能試驗，各零部件均無傷損，軌距變化量最大值為2.5 mm，扣件組裝靜剛度變化率最大值為7%，滿足規(guī)范要求。

3）通過更換不同類型的彈條、軌距塊和軌下墊板，可實現(xiàn)常阻力、小阻力和超小阻力三種縱向阻力，滿足不同工況無縫線路設(shè)計需求。

4）常阻力、小阻力、超小阻力扣件的鋼軌縱向阻力平均值分別為12.5、3.4、2.3 kN，預(yù)埋套管抗拔力為60 kN，絕緣電阻值為16.7 kΩ，均滿足設(shè)計要求。

MQ-2型扣件已在廣州南沙港鐵路跨洪奇瀝水道特大橋上應(yīng)用，該鐵路自開通以來運營效果良好。