周 韜

(重慶軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 401120， 重慶∥工程師)

1 高架段線路接觸軌膨脹接頭安裝曲線概述

作為城市軌道交通牽引供電方式之一的第三軌，多采用鋼鋁復(fù)合接觸軌。鋼鋁復(fù)合接觸軌一般在錨段間設(shè)置膨脹接頭，來(lái)保證鋼鋁復(fù)合軌既可自由伸縮，又可正常向城市軌道交通車(chē)輛供電。膨脹接頭可視為一個(gè)具備機(jī)械連接、電氣連接、補(bǔ)償供電線路伸縮的元件[1]，一般采用預(yù)留空間間隙的方案來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。膨脹接頭的空間間隙需滿(mǎn)足2個(gè)方面的要求：①車(chē)輛受流器可平滑地滑入及滑出，并可靠取流：②接觸軌錨段間無(wú)應(yīng)力，即空間間隙值大于錨段整體伸縮量[2]。

膨脹接頭安裝曲線主要體現(xiàn)為膨脹接頭在不同軌條溫度條件下預(yù)留的空間間隙值a(如圖1所示)，以保證線路運(yùn)營(yíng)后接觸軌在各種工況條件下不會(huì)出現(xiàn)錨段間膨脹接頭補(bǔ)償不足的情況。

圖1 接觸軌膨脹接頭預(yù)留空間間隙示意圖

傳統(tǒng)的接觸軌膨脹接頭安裝曲線一般針對(duì)接觸軌工程全線統(tǒng)一給出，只考慮接觸軌本身溫度升高的情況，并根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)預(yù)留了安裝余量，如圖2所示。

與地下段線路相比，高架段線路接觸軌的錨段伸縮量受外部土建因素的影響較大，該傳統(tǒng)做法未考慮高架段與地下段軌道工況的區(qū)別，容易發(fā)生高架段按傳統(tǒng)膨脹接頭安裝曲線安裝后出現(xiàn)補(bǔ)償不足的問(wèn)題。因而，本文根據(jù)高架段的不同工況對(duì)膨脹接頭安裝曲線進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高架段接觸軌錨長(zhǎng)與膨脹接頭安裝曲線的匹配，避免因安裝曲線的不合理引起膨脹接頭無(wú)法有效補(bǔ)償接觸軌錨段伸縮的情況[3]。

注：L錨——接觸軌錨段長(zhǎng)度；t——安裝時(shí)接觸軌溫度。圖2 傳統(tǒng)的接觸軌膨脹接頭安裝曲線

2 外部因素對(duì)高架段接觸軌錨段伸縮量的影響分析

與地下段的接觸軌相比，高架段的接觸軌由于位于高架橋梁上，其伸縮量除了與地下段一樣受軌條溫度變化影響外，還需考慮高架橋梁外部因素的影響。高架橋外部因素產(chǎn)生的接觸軌錨段伸縮量根據(jù)橋梁伸縮特性可分為2部分：①橋梁受環(huán)境氣溫變化發(fā)生伸縮，使接觸網(wǎng)產(chǎn)生錨段伸縮量ΔLt；②橋梁發(fā)生徐變和干燥收縮，使接觸軌產(chǎn)生錨段伸縮，其錨段伸縮量包含橋梁干燥收縮引起接觸軌的伸縮量ΔLs和橋梁徐變引起的接觸軌的收縮量ΔLe。因此，需要對(duì)這2部分的錨段伸縮量進(jìn)行研究，并根據(jù)研究結(jié)果對(duì)膨脹接頭安裝曲線進(jìn)行修正。

2.1 因外部因素引起錨段伸縮的計(jì)算原理

對(duì)于多跨連續(xù)橋梁而言，由于城市軌道交通線路上列車(chē)的運(yùn)行速度較高，行車(chē)密度及載重量也較大，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮設(shè)置伸縮縫。而橋梁設(shè)置伸縮縫也意味著橋梁具有較大的伸縮量，在進(jìn)行接觸軌設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合橋梁的伸縮情況，計(jì)算橋梁伸縮等外部因素對(duì)接觸軌錨段伸縮量的影響。

根據(jù)對(duì)橋梁伸縮特性的研究[4]，ΔLt的計(jì)算式為：

ΔLt=(tmax-tmin)αL影

(1)

式中：

tmax——所在地區(qū)的最高環(huán)境溫度；

tmin——所在地區(qū)的最低環(huán)境溫度；

α——橋梁混凝土的溫度膨脹系數(shù)；

L影——橋梁伸縮等外部因素對(duì)接觸軌影響的計(jì)算長(zhǎng)度。

根據(jù)對(duì)橋梁徐變及干燥收縮的研究[5]，ΔLs和ΔLe的計(jì)算式分別為：

ΔLs=2×10-4L影β

(2)

(3)

式中：

β——徐變、干燥收縮的遞減系數(shù)；

σp——由預(yù)應(yīng)力等引起的平均軸向應(yīng)力；

Ec——混凝土的彈性模量；

φ——混凝土的徐變系數(shù)，一般取2.0。

2.2 高架段錨段布置與接觸軌伸縮量計(jì)算分析

由于高架連續(xù)梁一般將伸縮縫設(shè)置于橋臺(tái)處，故連續(xù)梁的計(jì)算長(zhǎng)度一般可視為連續(xù)梁伸縮縫間長(zhǎng)度的一半。設(shè)高架橋單跨長(zhǎng)度為L(zhǎng)橋，其所對(duì)應(yīng)的錨段中心錨結(jié)處在x軸(線路縱向)上的坐標(biāo)為x1。結(jié)合接觸軌錨段布置情況及連續(xù)梁?jiǎn)慰缭O(shè)置情況，以及實(shí)際橋梁伸縮縫設(shè)置情況(一般設(shè)在連接處)，接觸軌的錨段伸縮量計(jì)算存在4種情況：①L橋>2L錨；②L錨

2.2.1 情況①下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況①下具體的接觸軌錨段及橋梁布置情況如圖3所示。橋梁本身對(duì)接觸軌的影響主要體現(xiàn)在對(duì)接觸軌中心錨結(jié)處支架的影響。本文將在外界因素影響條件下膨脹接頭呈現(xiàn)出來(lái)的伸縮狀態(tài)作為參照狀態(tài)，將橋梁徐變及干燥后在當(dāng)?shù)刈畹蜏囟葧r(shí)的伸縮量視為0，在此基礎(chǔ)上計(jì)算外界因素影響所產(chǎn)生的伸縮量。將膨脹接頭處因外部因素產(chǎn)生的最大伸縮量ΔL外1分為左側(cè)的ΔL外1，左和右側(cè)的ΔL外1，右，其計(jì)算式分別為：

圖3 情況①下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

式(4)、(5)合并相加后可得：

(6)

2.2.2 情況②下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況②下具體的接觸軌錨段及橋梁布置如圖4所示。膨脹接頭處因外部因素產(chǎn)生的最大伸縮量ΔL外2可以分為左側(cè)的ΔL外2，左和右側(cè)的ΔL外2，右，其計(jì)算式分別為：

圖4 情況②下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

(7)

(8)

式(7)、(8)相加后可得到：

(9)

2.2.3 情況③下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況③下具體的接觸軌錨段及橋梁布置如圖5所示。膨脹接頭處因外部因素產(chǎn)生的最大伸縮量ΔL外3可以分為左側(cè)的ΔL外3，左和右側(cè)的ΔL外3，右。其計(jì)算式分別為：

圖5 情況③下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

(10)

(11)

式(10)、(11)相加后可得到：

(12)

2.2.4 情況④下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況④下具體的接觸軌錨段及橋梁布置如圖6所示。膨脹接頭處因外部因素產(chǎn)生的最大伸縮量ΔL外4可以分為左側(cè)的ΔL外4，左和右側(cè)的ΔL外4，右，其計(jì)算式分別為：

圖6 情況④下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

(13)

(14)

式(13)、(14)相加后可得到：

(15)

2.3 接觸軌因高架橋外部因素引起的錨段伸縮量

基于上文的分析，結(jié)合橋梁參數(shù)及接觸軌錨段布置情況，選取L錨為45 m、60m 、75 m、90 m 4種情況，分別對(duì)每種情況下不同L橋時(shí)接觸軌因高架橋外部因素引起的錨段伸縮量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同L橋下接觸軌因高架橋外部因素引起的錨段伸縮量

如表1所示，高架橋因外部因素對(duì)接觸軌錨段伸縮量與L橋、L錨相關(guān)。當(dāng)L錨>1.33L橋時(shí)，錨段伸縮量為負(fù)值，即可認(rèn)為外部因素對(duì)接觸軌錨段產(chǎn)生收縮影響；其他情況下外部因素對(duì)接觸軌錨段產(chǎn)生膨脹影響。

3 高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線修正

傳統(tǒng)的接觸軌膨脹接頭安裝曲線已考慮了接觸軌自身溫度升高引起的伸縮量。因此，高架段膨脹接頭安裝曲線中的實(shí)際安裝余量可結(jié)合高架橋因外部因素引起的錨段伸縮量，對(duì)安裝曲線進(jìn)行修正，以避免安裝后出現(xiàn)補(bǔ)償不足的情況。

高架段進(jìn)行膨脹接頭安裝設(shè)置預(yù)留間隙a時(shí)需充分考慮外部因素引起錨段的伸縮量。由表1可知，高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線的修正跟L橋有關(guān)。針對(duì)不同L橋下得到修正后的安裝曲線如圖7所示。

如圖7中所示，在不同L橋下，高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線的修正有所不同。L橋在20～60 m時(shí)，為保證錨段可自由伸縮，膨脹接頭在85 ℃時(shí)a為5～15 mm，總體上可以認(rèn)為L(zhǎng)橋每增加10 m，在85 ℃時(shí)a需增加2～3 mm。

就高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線而言，其與傳統(tǒng)的膨脹接頭安裝曲線相比，接觸軌錨段均存在因接觸軌自身溫度變化產(chǎn)生的伸縮影響，其安裝曲線的斜率僅受錨段長(zhǎng)度影響。

傳統(tǒng)安裝曲線在85 ℃時(shí)a一般固定為10 mm。由于高架段接觸軌錨段伸縮量受到外部因素影響，當(dāng)20 m≤L橋≤60 m時(shí)，修正后的高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線根據(jù)L橋的情況，其膨脹接頭在85 ℃時(shí)的a為5～15 mm。a隨L橋增加呈現(xiàn)線性增加。

4 結(jié)論

1) 高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線需綜合考慮高架橋的單跨長(zhǎng)度及錨段長(zhǎng)度，在橋梁?jiǎn)慰玳L(zhǎng)度不同時(shí)，不同工況下的安裝曲線存在一定的差異，需綜合考慮錨段長(zhǎng)度與橋梁?jiǎn)慰玳L(zhǎng)度的關(guān)系修正安裝曲線。

2) 當(dāng)橋梁?jiǎn)慰玳L(zhǎng)度在20～60 m范圍時(shí)，高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線在85 ℃時(shí)的預(yù)留間隙值與橋梁?jiǎn)慰玳L(zhǎng)度存在一定的線性關(guān)系。

此外，本文主要從理論上分析了高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線的情況，而在城市軌道交通線路的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，還有如車(chē)輛振動(dòng)沖擊等其他因素的影響，且橋梁的外部因素對(duì)接觸軌膨脹伸縮量的影響是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)對(duì)高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線進(jìn)行進(jìn)一步的修正，并應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況采用更換膨脹接頭型號(hào)等多種方案，以保證高架段接觸軌的正常運(yùn)行。

a) L橋=20 m時(shí)

c) L橋=40 m時(shí)