蕪湖長江大橋無縫線路設(shè)計(jì)研究

黃 行 上海鐵路局工務(wù)處

蕪湖長江大橋2000年9月28日開通建成，為雙線公鐵兩用橋，大橋全長 10.527 km，里程標(biāo) K210＋500～K221＋824.54。橋上軌道最小曲線半徑1 001 m、限制坡度上行6‰、下行4‰，橋跨結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，沒計(jì)活載為“中－活載”，橋跨組成為：240孔混凝土簡支梁、一聯(lián)混凝土連續(xù)梁、一聯(lián)混凝土連續(xù)鋼構(gòu)梁、六聯(lián)大跨度連續(xù)鋼桁梁。

目前，混凝土梁橋上軌道為：有碴軌道、Ⅱ型橋枕，間距1 760根/km、Ⅰ型彈條扣件；鋼桁梁上軌道為木枕明橋面，K型扣件，橋上鋼軌為50 kg/m短鋼軌，并設(shè)有護(hù)軌。為滿足既有線提速的需要，我們開展了對該大橋鋪設(shè)無縫線路的研究。

1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及軌道試驗(yàn)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）軌溫。根據(jù)歷年監(jiān)測，該橋最高軌溫Tmax＝61℃，最低軌溫Tmin＝-13.1℃。

（2）鋼軌鋼種采用U75V不淬火鋼軌。

（3）斷縫允許值：[λ]=10 cm。

（4）道床阻力設(shè)計(jì)參數(shù)采用：2 mm單枕橫向阻力為3.8 kN，2mm單枕縱向阻力為10.2 kN(采用小阻力扣件)。

（5）列車荷載。撓曲力計(jì)算采用“中－活載”，荷載形式如圖1所示，軌道強(qiáng)度計(jì)算采用SS8電力機(jī)車（速度200 km/h），如圖 2 所示。

圖1 荷載形式圖

圖2 SS8電力機(jī)車輪重荷載圖式

1.2 道床阻力測試

⑴測試地點(diǎn)。測試地點(diǎn)選在蕪湖長江大橋蕪湖岸引橋上，該地段采用Ⅱ型混凝土枕（枕間距1760根/km）、Ⅱ型彈條扣件，設(shè)置了護(hù)軌及擋碴板，枕底道碴厚度不足25 cm。

⑵測試設(shè)備及測試方法。測試設(shè)備采用道床縱橫向阻力測試儀，測試方法采用軌枕頂推方法。

⑶測試數(shù)據(jù)及整理結(jié)果。本次測試了18根軌枕的橫向力，以及20根軌枕的縱向阻力。1.2.1橫向阻力

道床橫向阻力測試數(shù)據(jù)分布如圖3所示。實(shí)測2 mm單枕橫向阻力為9.7 kN。經(jīng)擬合計(jì)算，得到道床橫向阻力表達(dá)式為：

式中，Q：道床橫向阻力，單位：N/cm；Y：軌枕橫向位移，單位：mm。

擬合計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)R2＝0.8456，可見數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好。當(dāng)Y＝2mm時，由上式可得，橫向阻力Q＝169.7 N/cm。按枕間距56.8 cm換算得到，2 mm單枕橫向阻力R2＝9.6 kN。

圖3 道床橫向阻力測試數(shù)據(jù)及擬合曲線

1.2.2 縱向阻力

道床縱向阻力測試數(shù)據(jù)分布如圖4所示。實(shí)測2 mm單枕縱向阻力為17.2 kN。經(jīng)擬合計(jì)算，得到道床橫向阻力表達(dá)式為：

式中，Q：道床縱向阻力，單位：kN/m；Y：軌枕縱向位移，單位：cm。

擬合計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)R2＝0.501，可見數(shù)據(jù)的相關(guān)性一般，具有一定的離散性。當(dāng)Y＝2 mm時，由上式可得，縱向阻力Q＝29.6 kN/m。按枕間距56.8 cm換算得到，2 mm單枕縱向阻力R2＝16.8 kN。

圖4 道床縱向阻力測試數(shù)據(jù)及擬合曲線

2 橋上無縫線路設(shè)計(jì)方案

2.1 軌條布置

軌條布置由以下2部分組成：

⑴全橋每線在大跨度連續(xù)鋼桁梁梁端處設(shè)置單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，其它范圍均采用長鋼軌連接。設(shè)置調(diào)節(jié)器的鋼桁梁有：120 m+2×144 m連續(xù)鋼桁梁、3×144 m連續(xù)鋼桁梁、3×144 m 連續(xù)鋼桁梁、180 m＋312 m＋180 m 連續(xù)鋼桁梁、2×120 m連續(xù)鋼桁梁。

⑵橋上長鋼軌在小里程方延伸至合肥端橋臺外，并與路基無縫線路焊聯(lián)。橋上長鋼軌在大里程方延伸至蕪湖端橋臺外，并與路基上相距的道岔前緩沖軌聯(lián)結(jié)。

2.2 扣件及軌枕布置

（1）鋼桁梁軌道采用木枕及K型扣件。K型扣件的布置分以下2種情況：

①2×80 m連續(xù)鋼桁梁橋（即裕溪河鋼桁梁橋）在固定支座左右兩側(cè)各40 m的范圍采用“1－1－1”布置，其它范圍采用“1－5－1”。

②在120 m＋2×144 m連續(xù)鋼桁梁、3×144 m連續(xù)鋼桁梁、180 m＋312 m＋180 m 連續(xù)鋼桁梁、2×120 m連續(xù)鋼桁梁每一全聯(lián)梁范圍內(nèi)，在每個伸縮縱梁斷開的所在節(jié)間范圍內(nèi)“1－5－1”布置，其它范圍采用“1－1－1”布置。

（2）混凝土梁橋扣件布置：

①下行線從合肥端橋臺～蕪湖端橋臺前第11孔24 m簡支梁范圍，采用Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕及“石龍橋小阻力扣件”。軌枕間距：1760根/km，“石龍橋小阻力扣件”配置不銹鋼復(fù)合墊板及小扣壓力彈條，扣件螺母扭矩為60～80 N·m。

②下行線蕪湖端橋臺前10孔24 m簡支梁范圍，采用Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕及彈條Ⅱ型扣件。軌枕間距：1760根/km，扣件螺母扭矩保持 80～120 N·m。

⑶蕪湖端橋臺前為大橋C線，其橋跨：17×24 m＋3×32 m＋13×24 m＋蕪湖臺，上行線第10#墩上存在一組50軌9#道岔。鋼軌及扣件布置如下：

①在50軌道岔前后設(shè)緩沖區(qū)，采用3根12.5m短軌作緩沖軌，左右與道岔相鄰的緩沖軌采用60－50異形軌。緩沖區(qū)扣件為Ⅱ型扣件，扣件螺母扭矩保持80～120 N·m，軌枕間距：1840根/km，軌縫8 mm，采用普通凍結(jié)接頭。

②上行線從合肥端橋臺～蕪湖端橋臺前大橋C線50軌道岔無為方緩沖區(qū)軌縫范圍，采用Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕及“石龍橋小阻力扣件”。軌枕間距：1840根/km，“石龍橋小阻力扣件”配置不銹鋼復(fù)合墊板及小扣壓力彈條，扣件螺母扭矩保持 60～80 N·m。

③上行線大橋C線50軌道岔蕪湖方緩沖區(qū)軌縫至路基緩沖區(qū)范圍，采用Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕及Ⅱ型扣件。軌枕間距：1840根/km，橋內(nèi)扣件螺母扭矩保持80～120 N·m。

⑷要求所采用的Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕及木枕不能存在傷損或裂紋。

⑸橋臺兩端路基長鋼軌加強(qiáng)鎖定，Ⅱ型彈條扣件扭矩保持 120～150 N·m。

2.3 道床

道床臟污且石碴厚度普遍只有17～20 cm，故設(shè)計(jì)根據(jù)道床情況重新進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后道床厚度普遍在25 cm以上，并要求進(jìn)行大機(jī)起道整修，確保道碴飽滿、密實(shí)，枕底道碴厚度在25 cm以上。道床兩側(cè)增設(shè)擋碴板，并要求碴肩道碴密實(shí)，且堆高15 cm。

2.4 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

雙線共需12組單向鋼軌調(diào)節(jié)器，編號為EJ1～EJ12，上下行調(diào)節(jié)器的布置位置不同。所采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器型號為DMM60型，圖號為研線0618。

2.5 緩沖區(qū)

在蕪湖端橋臺至路基上道岔前接頭的56m范圍設(shè)置緩沖區(qū)。緩沖區(qū)的設(shè)置參數(shù)為：

⑴采用2根60 kg/m、25 m長的標(biāo)準(zhǔn)短鋼軌；

⑵共設(shè)3個軌縫，設(shè)置預(yù)留軌縫寬度8 mm；

⑶采用凍結(jié)接頭，參數(shù)：6孔夾板、M27高強(qiáng)螺栓及螺母、扭矩≥900 N·m；

⑷除與道岔相鄰的9 m范圍采用木枕外，其它范圍采用Ⅱ軌枕、間距1840根/km，Ⅱ型彈條扣件，扣件扭矩保持120～150 N·m；

⑸道床飽滿、密實(shí)，兩側(cè)碴肩堆高15 cm。

3 鎖定軌溫設(shè)計(jì)

3.1 允許溫降

3.1.1 計(jì)算參數(shù)

荷載類型：SS8電力機(jī)車，速度：200 km/h鋼軌類型：60 kg/m

軌枕布置：1760根/km，曲線半徑R=1000 m

3.1.2 計(jì)算結(jié)果

采用TDS計(jì)算得到軌底動彎應(yīng)力分布如圖5所示。鋼軌允許溫降ΔTd=69.0℃，由強(qiáng)度允許溫降決定。

圖5 軌底動彎應(yīng)力分布如圖

3.2 允許溫升

3.2.1 計(jì)算參數(shù)

曲線半徑：1000 m

軌枕布置：1760根/km

鋼軌附加縱向壓力：0 kN/軌

鋼軌類型：60 kg/m

軌道橫向阻力型式：Ⅱ型枕（B1760）、曲線半徑R＞800 m(詳見圖 6)。

圖6 道床橫向阻力曲線

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

采用不等變形波長理論，其計(jì)算模型及計(jì)算公式如圖1-10所示。

圖7 不等變形波長理論及計(jì)算公式

式中，P：鋼軌溫度力；E：鋼軌材料彈性模量；J：鋼軌截面對豎軸的慣性矩；f：彈性變形矢度；L：彈性變形波長；D：彈性初始彎曲率；i0：初始彎曲矢長比；l0：初始彎曲波長；Ψ、G、η: 積分系數(shù)；Q0、B、C、K、Z、N: 道床橫向阻力系數(shù)；S、θ、μ:扣件阻矩系數(shù)；R：曲線半徑。用不同的變形矢度f值進(jìn)行疊代，TDS3.2計(jì)算可得到：

1股鋼軌允許壓力：P=916.9 kN/軌;允許溫升ΔTu=47.8℃;臨界溫升:Pk=82.8℃;安全系數(shù)K=1.7。

3.3 設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍

3.3.1 計(jì)算參數(shù)

地區(qū)：蕪湖長江大橋，最高軌溫Tmax=61℃，最低軌溫Tmin=-13℃，允許溫升ΔTu=47.8℃，允許溫降ΔTd=69.0℃，鎖定軌溫上下限幅度ΔTs=±5℃。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

中和溫度Te按下式計(jì)算：

計(jì)算得，中和溫度Te=32℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍Ts=（32±5）℃（即：27～37 ℃）。最大溫升幅度ΔTumax=34.0℃≤ΔTu，最大溫降幅度ΔTdmax=50.0℃≤ΔTd。

校驗(yàn)結(jié)果：合格。

3.4 斷縫檢算

3.4.1計(jì)算參數(shù)

鋼軌類型：60 kg/m，鋼軌溫降△Td=-50℃，斷縫允許值[λ]=10 cm。

3.4.2 計(jì)算結(jié)果

斷縫λ=8.3 cm≤[λ]合格。

本橋范圍內(nèi)無縫線路設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍Ts＝(32±5)℃，最大溫升幅度ΔTumax=34.0℃≤ΔTu，最大溫降幅度ΔTdmax＝50.0℃≤ΔTd。

4 鋪設(shè)及養(yǎng)護(hù)注意事項(xiàng)

本橋無縫線路處于R1001 m曲線、混凝土簡支梁、混凝土連續(xù)梁及多聯(lián)大跨度公鐵兩用鋼桁梁橋，因此，防止曲線地段無縫線路脹軌跑道，和鋼桁梁橋長軌條及伸縮調(diào)節(jié)器是本橋無縫線路養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)。為此，施工部門及線路養(yǎng)護(hù)部門應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

⑴首先在橋上無縫線路鋪設(shè)施工中，應(yīng)遵照本設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，以及工程驗(yàn)收。

⑵施工鎖定軌溫必須在設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍之內(nèi)。

⑶扣件扭矩應(yīng)采用扭矩扳手校核。

⑷道床肩寬、道床阻力等參數(shù)達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

⑸裕溪河鋼桁梁橋上及左右相鄰1孔簡支梁的范圍內(nèi)不得設(shè)置工地焊接接頭。

⑹連續(xù)鋼桁梁橋上伸縮縱梁所在的節(jié)間及相鄰的1個節(jié)間范圍內(nèi)不得設(shè)置工地焊接接頭。

⑺鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、小阻力扣件都應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)技術(shù)條件或設(shè)計(jì)要求驗(yàn)收，并嚴(yán)格按照軌條布置圖進(jìn)行布設(shè)。

⑻鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的基本軌和尖軌應(yīng)采用焊接接頭與長鋼軌相聯(lián)。

⑼小阻力扣件的調(diào)高墊板應(yīng)放置于復(fù)合膠墊與軌枕之間，不得放置于復(fù)合膠墊與軌底之間。

⑽梁兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的鋼桁梁橋，夏季和冬季，長鋼軌在鋼桁梁中部存在較大的溫度力（詳見本報(bào)告之六）。因此，養(yǎng)護(hù)維修中與無縫線路固定區(qū)相同，應(yīng)注意防止脹軌和斷軌。

⑾養(yǎng)護(hù)維修工作應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)無縫線路的作業(yè)允許軌溫進(jìn)行作業(yè)。

⑿養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)方法的制定應(yīng)使無縫線路在作業(yè)后能迅速恢復(fù)到驗(yàn)收狀態(tài)為前提。

⒀橋臺外線路應(yīng)加強(qiáng)鎖定，加大扣件扭矩，防止橋臺外線路爬行造成橋上無縫線路鎖定軌溫改變。

⒁在橋上無縫線路鋪設(shè)驗(yàn)收合格后，在冬、夏季節(jié)應(yīng)加強(qiáng)無縫線路的位移觀測。

5 鋪設(shè)效果

⑴鋪設(shè)無縫線路后，通過一年多的運(yùn)營觀測，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，伸縮區(qū)位移在正常范圍，無異常爬行。

⑵鋪設(shè)無縫線路后，大大減少了蕪湖長江大橋橋上軌道養(yǎng)護(hù)工作量。

⑶鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器伸縮在正常范圍內(nèi)。