丁靜波,劉亞航,谷呈朋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

橋上無(wú)縫線路鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置問(wèn)題探討

丁靜波,劉亞航,谷呈朋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對(duì)協(xié)調(diào)長(zhǎng)大橋上無(wú)縫線路因梁體溫差引起的梁端及長(zhǎng)鋼軌伸縮位移起到重要作用。對(duì)調(diào)節(jié)器設(shè)置問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)論述,介紹國(guó)內(nèi)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)使用情況,建議橋梁和軌道一體化設(shè)計(jì),謹(jǐn)慎在曲線上設(shè)置調(diào)節(jié)器。并結(jié)合工程案例,計(jì)算分析了調(diào)節(jié)器設(shè)置計(jì)算方法以及調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)伸縮值,并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況,提出設(shè)置調(diào)節(jié)器的建議。

橋上無(wú)縫線路;鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器;設(shè)置

1 概述

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱調(diào)節(jié)器)是重要的軌道部件,其功能是:協(xié)調(diào)長(zhǎng)大橋梁因梁體溫差引起的梁端伸縮位移和長(zhǎng)鋼軌的伸縮位移,使橋上無(wú)縫線路自動(dòng)放散溫度應(yīng)力,從而減小軌道及橋梁所承受的無(wú)縫線路附加力作用,確保列車安全、平順地通過(guò)。

國(guó)外鐵路為有效地控制特大橋梁附加力和位移的影響,提高行車的平順性和確保安全,要求在溫度跨度180 m以上的混凝土橋和溫度跨度120 m以上的鋼橋上設(shè)置調(diào)節(jié)器。我國(guó)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10082—2005)對(duì)于橋上鋪設(shè)無(wú)縫線路做了如下規(guī)定:溫度跨度大于100 m的鋼梁,每一溫度跨度應(yīng)鋪設(shè)1組調(diào)節(jié)器;溫度跨度大于120 m的混凝土梁,調(diào)節(jié)器設(shè)置應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定[1]。我國(guó)城市軌道交通調(diào)節(jié)器設(shè)置的主要目的:(1)避免無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌縱向力向道岔傳遞;(2)大跨度連續(xù)梁上發(fā)生鋼軌折斷時(shí),減小墩臺(tái)所受斷軌力[2],以提高行車平順性和確保安全。

2 調(diào)節(jié)器設(shè)置方法

目前,鐵路橋上采用的調(diào)節(jié)器均為曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。曲線型是指基本軌由鋼軌調(diào)節(jié)器導(dǎo)向卡(軌撐)使其形成半徑300 m的曲線型基本軌并與尖軌密貼,在鋼軌縱向力傳遞時(shí),由基本軌伸縮釋放縱向力,而尖軌固定,這樣可實(shí)現(xiàn)梁軌伸縮,同時(shí)還消減了伸縮力、撓曲力以及其他的鋼軌縱向力的作用[3]。下面對(duì)調(diào)節(jié)器設(shè)置方法進(jìn)行論述。

(1)單向調(diào)節(jié)器的尖軌宜順列車運(yùn)行方向布置。由于調(diào)節(jié)器尖軌為固定,基本軌縱向移動(dòng),避免列車運(yùn)行車輪碾壓使基本軌移動(dòng),而影響無(wú)縫線路鋼軌內(nèi)的縱向力;調(diào)節(jié)器基本軌、尖軌接頭距橋梁橫梁、橋臺(tái)胸墻或支座的距離不應(yīng)小于2 m[4];混凝土橋梁上鋪設(shè)無(wú)縫線路,根據(jù)設(shè)計(jì)可在橋梁中部設(shè)置雙向調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器基本軌接長(zhǎng)鋼軌線路宜采用小阻力扣件,其鋪設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)按計(jì)算確定,一般約為150 m。

(2)時(shí)速小于160 km的客貨共線鐵路,調(diào)節(jié)器不宜設(shè)置在半徑小于1 500 m的曲線上,也不宜設(shè)置在豎曲線上。這是由于調(diào)節(jié)器基本軌設(shè)計(jì)單向伸縮量一般300～500 mm,基本軌全長(zhǎng)約8 500 mm,工作長(zhǎng)度(與尖軌密貼)7500 mm,半徑1500 m的曲線引起的正矢差正好在允許范圍4 mm內(nèi),故要求調(diào)節(jié)器應(yīng)設(shè)置在半徑大于1 500 m的曲線上。設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以上時(shí),由于曲線引起的正矢差僅2 mm,調(diào)節(jié)器宜設(shè)置在半徑大于3 000 m的曲線上,并且應(yīng)加強(qiáng)橋梁與軌道一體化設(shè)計(jì),避免曲線上設(shè)置調(diào)節(jié)器。

(3)低溫時(shí),活動(dòng)梁端橋臺(tái)處鋼軌產(chǎn)生最大伸縮拉力,各跨梁的固定端支座處鋼軌產(chǎn)生最大的撓曲拉力。高溫時(shí),活動(dòng)梁端橋臺(tái)處鋼軌產(chǎn)生最大伸縮壓力。因此,考慮到梁軌相互作用的穩(wěn)定控制,鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器一般設(shè)置在梁的活動(dòng)端[5]。當(dāng)調(diào)節(jié)器布置在梁端時(shí),尖軌不可跨越梁端,當(dāng)每跨或每聯(lián)的兩端都設(shè)置調(diào)節(jié)器時(shí),不得將尖軌同時(shí)設(shè)在兩端梁內(nèi)。梁端一般為活動(dòng)支座和固定支座,尖軌跨越梁端,活動(dòng)支座會(huì)使尖軌因梁伸縮而不固定,若把尖軌同時(shí)設(shè)在跨和聯(lián)的兩端,梁跨梁端全處于固定區(qū),鋼軌的溫度力釋放不掉。

以南京長(zhǎng)江大橋正橋3×160 m連續(xù)梁布置調(diào)節(jié)器為例[6]:左下行線,尖軌順列車運(yùn)行方向布置,尖軌設(shè)置在簡(jiǎn)支梁跨上,基本軌設(shè)置在連續(xù)梁的主聯(lián)上;右上行線,尖軌設(shè)置在連續(xù)梁的主聯(lián)上,基本軌設(shè)置在簡(jiǎn)支梁跨上。這樣左端簡(jiǎn)支梁跨右邊活動(dòng)支座,低溫時(shí)受壓,連續(xù)梁的壓力由基本軌伸縮釋放一部分。連續(xù)梁右邊固定支座后有2個(gè)活動(dòng)支座,能夠緩解連續(xù)梁右端活動(dòng)支座的受壓,從而保持無(wú)縫線路的穩(wěn)定。

因此,布置調(diào)節(jié)器時(shí),不僅應(yīng)分析梁跨關(guān)系,還要考慮固定支座和活動(dòng)支座的設(shè)置。

3 調(diào)節(jié)器分析計(jì)算

3.1 確定調(diào)節(jié)器設(shè)置方案

橋上設(shè)置調(diào)節(jié)器有2個(gè)基本因素:(1)鋼軌安全儲(chǔ)備不足,各項(xiàng)應(yīng)力之和超過(guò)其允許應(yīng)力值;(2)列車在快速制動(dòng)條件下位移過(guò)大,相對(duì)位移超過(guò)4 mm,使得道砟松動(dòng),影響安全。通過(guò)橋上無(wú)縫線路檢算,分析應(yīng)力和位移,其中一個(gè)因素不滿足時(shí),就應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)器。

以南廣鐵路肇慶西江特大橋?yàn)槔?其主橋?yàn)?5 m+50 m+386 m+50 m+49 m鋼混結(jié)構(gòu)連續(xù)梁拱,位于直線,輔跨為32 m簡(jiǎn)支梁,位于8 000 m曲線地段,全橋最大溫度跨度達(dá)到280 m。所在地區(qū)最高軌溫達(dá)58.7℃,最低軌溫-1.0℃,設(shè)計(jì)鎖定軌溫為35℃。軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)有砟軌道,100 m定尺長(zhǎng)鋼軌(材質(zhì)為U75V),每千米鋪設(shè)1 667根Ⅲc型混凝土枕,配套彈條Ⅴ型扣件,按一次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路設(shè)計(jì)。

西江特大橋無(wú)縫線路設(shè)計(jì)時(shí)考慮了設(shè)與不設(shè)調(diào)節(jié)器2個(gè)方案。通過(guò)建立有限元梁軌相互作用模型計(jì)算,不設(shè)調(diào)節(jié)器時(shí),橋上鋼軌最大附加力達(dá)到474 kN (61 MPa),檢算后各項(xiàng)鋼軌的應(yīng)力超過(guò)了鋼軌允許附加應(yīng)力[σ]=361 MPa,鋼軌安全儲(chǔ)備不足,并且快速制動(dòng)時(shí),鋼軌相對(duì)位移大于4 mm,影響運(yùn)營(yíng)安全,因此采用設(shè)置調(diào)節(jié)器方案。

在西江特大橋主橋兩端輔跨上設(shè)置單向調(diào)節(jié)器,通過(guò)建立模型計(jì)算,橋上附加力降低比較明顯,且能完全釋放梁端位移,較好解決梁軌相互作用,見圖1。

圖1 西江特大橋設(shè)與不設(shè)調(diào)節(jié)器附加力對(duì)比曲線

3.2 伸縮預(yù)留量計(jì)算

調(diào)節(jié)器的預(yù)留量y是由溫度變化產(chǎn)生的鋼軌伸縮、活載對(duì)梁的作用及線路可能產(chǎn)生的爬行量3個(gè)因素控制,預(yù)留量計(jì)算公式為y=y1+y2+y3+y4。其中,列車荷載作用下梁端部的最大位移量y2和鋼軌在其他縱向力作用下而產(chǎn)生的位移量y4均可不計(jì);y1是梁因溫度變化而產(chǎn)生的伸縮量;y3是鋼軌因溫度變化產(chǎn)生的伸縮量。

例如常用的曲線型單向調(diào)節(jié)器(專線9761),基本軌與尖軌貼合面采用半徑300 m的圓曲線,設(shè)計(jì)伸縮預(yù)留量為±500 mm[6]。以地區(qū)年溫差39.7℃計(jì)算,溫度跨度280 m時(shí)梁因溫度變化而產(chǎn)生的伸縮量y1= 101 mm;鋼軌因溫度變化產(chǎn)生的伸縮量y3=131 mm,最后確定調(diào)節(jié)器的伸縮量y=232 mm。一般計(jì)算調(diào)節(jié)器的伸縮量y均不應(yīng)大于允許伸縮量之半,因此設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器(專線9761)伸縮量為±500 mm,具有足夠的伸縮余量,滿足橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)使用要求。

2009年8月曾對(duì)廣州地鐵4號(hào)線運(yùn)營(yíng)多年的調(diào)節(jié)器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,對(duì)其伸縮量、梁縫伸縮量,以及調(diào)節(jié)器基本軌和尖軌凍結(jié)接頭等情況進(jìn)行測(cè)量(圖2)。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器伸縮量為±500 mm,實(shí)際伸縮量?jī)H為30～50 mm,均未達(dá)到理論計(jì)算值;基本軌凍結(jié)接頭未出現(xiàn)離縫,但是部分調(diào)節(jié)器尖軌出現(xiàn)2～5 mm離縫,可能部分梁伸縮過(guò)大,傳遞至固定尖軌;道岔內(nèi)軌縫均未出現(xiàn)“頂死”問(wèn)題,調(diào)節(jié)器達(dá)到使長(zhǎng)鋼軌位移不傳遞至道岔的目的。筆者僅對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)調(diào)節(jié)器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,國(guó)鐵由于橋梁溫度跨度較大,有些甚至達(dá)到300 m以上,調(diào)節(jié)器伸縮量會(huì)更大,有待讀者進(jìn)一步調(diào)研。

圖2 調(diào)節(jié)器現(xiàn)場(chǎng)伸縮量和凍結(jié)接頭調(diào)研照片

4 調(diào)節(jié)器使用問(wèn)題

伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它是橋上線路的薄弱環(huán)節(jié),即要釋放橋上位移和應(yīng)力,又要滿足列車運(yùn)營(yíng)的需要。正確使用伸縮調(diào)節(jié)器,控制施工質(zhì)量,加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)和制定行之有效的病害處置預(yù)案是十分重要且必要的[7]?？偨Y(jié)目前調(diào)節(jié)器使用情況,主要存在以下問(wèn)題。

(1)調(diào)節(jié)器設(shè)置問(wèn)題。調(diào)節(jié)器應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)器構(gòu)造特點(diǎn)布置,如曲線型調(diào)節(jié)器,其尖軌固定,基本軌伸縮,因此調(diào)節(jié)器不宜跨越梁縫布置。由于橋梁伸縮使得活動(dòng)端產(chǎn)生較大位移,對(duì)橋上軌道部件產(chǎn)生不利的影響。冬季時(shí),溫度跨度100 m時(shí),梁縫增大約35 mm,當(dāng)溫度跨度達(dá)到150 m時(shí),梁縫增加到55 mm。梁縫伸縮量達(dá)到200 mm,可能導(dǎo)致尖軌位置軌撐橫向螺栓和基礎(chǔ)破壞,見圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)器使用問(wèn)題實(shí)景

(2)調(diào)節(jié)器卡阻問(wèn)題。卡阻現(xiàn)象是調(diào)節(jié)器不能按照設(shè)計(jì)預(yù)期釋放梁端位移,出現(xiàn)少位移或“零”位移。原因是調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中,影響前后線路方向不良,造成調(diào)節(jié)器范圍內(nèi)軌距、水平、方向超限。為避免卡阻問(wèn)題,保證調(diào)節(jié)器良好的伸縮性能,制造時(shí)基本軌頂彎曲線應(yīng)圓順,接觸面光潔度應(yīng)良好;施工和運(yùn)營(yíng)期間,應(yīng)對(duì)伸縮的基本軌與尖軌、導(dǎo)向軌撐、滑床板、大墊板等摩擦面采取潤(rùn)滑措施。

(3)調(diào)節(jié)器構(gòu)造問(wèn)題。尖軌和接頭是調(diào)節(jié)器病害發(fā)生較為集中部件。尖軌出現(xiàn)肥邊不便處理而產(chǎn)生掉塊,其材質(zhì)不良,踏面淬火層金屬碎裂,這是尖軌剝落掉塊的根源[8]。調(diào)節(jié)器跟端接頭,受列車的沖擊荷載及梁端伸縮變形,導(dǎo)致產(chǎn)生大軌縫、高強(qiáng)螺栓扭矩?fù)p失,嚴(yán)重時(shí)接頭完全破壞而失效,影響行車安全。因此,調(diào)節(jié)器跟端凍結(jié)接頭(專線9673)高強(qiáng)螺栓應(yīng)提高強(qiáng)度等級(jí),螺栓扭矩也不宜小于1 000 N·m;另外加強(qiáng)復(fù)擰,使得螺母與螺栓間絲扣更加咬合,長(zhǎng)期保持足夠的緊固力[9-12]。

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)節(jié)器可確保大跨度橋上無(wú)縫線路列車運(yùn)營(yíng)的安全,可釋放橋梁因梁體溫差引起的梁端伸縮位移和長(zhǎng)鋼軌的伸縮位移,但又是線路薄弱環(huán)節(jié),因此加強(qiáng)橋梁與軌道一體化設(shè)計(jì),在工程預(yù)可研階段預(yù)留設(shè)置調(diào)節(jié)器的條件,滿足調(diào)節(jié)器設(shè)置要求,避免調(diào)節(jié)器設(shè)置引發(fā)的諸多問(wèn)題。

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Research on Relevant Issues in Arrangement of Rail Expansion Joint of Continuous Welded Rail on Bridge

DING Jing-bo,LIU Ya-hang,GU Cheng-peng
(Design and Research Institute of Track Engineering,China Railway Engineering Consultancy Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Rail expansion joint plays an important role in coordinating the girder end's and long steel rail's expansion and contraction displacement,which is caused by temperature difference of continuous welded rail on long and major bridge.This paper systematically expounded relevant issues about rail expansion joint,and introduced the design and application situation of rail expansion joints in China at present.Furthermore,this paper suggested that:the bridge and track of railway should be designed in the form of integration with each other,and the designers should be cautious about arranging rail expansion joint on curved line.In addition,by combining with engineering project cases,this paper analyzed the calculation method of rail expansion joint,and calculated the expansion and contraction values of rail expansion joint.Finally,based on field investigation,this paper made suggestion on how to arrange rail expansion joints.

continuous welded rail on bridge;rail expansion joint;arrangement

U213.9+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.006

1004-2954(2014)08-0027-03

2013-10-30;

2013-11-22

丁靜波(1979—),男,高級(jí)工程師,2002年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,工學(xué)學(xué)士,E-mail:dingjbo@163.com。