高速鐵路曲線地段長(zhǎng)大連續(xù)梁橋無(wú)縫線路方案研究

曾憲海，蔣金洲

(1.鐵道部 運(yùn)輸局，北京 100038;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

自20世紀(jì)60年代我國(guó)開始實(shí)踐無(wú)縫線路技術(shù)以來(lái)，始終堅(jiān)持走自主創(chuàng)新的道路，取得了輝煌的成就，使我國(guó)無(wú)縫線路技術(shù)位居世界前列。UIC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，橋梁溫度跨度≥90 m時(shí)，須設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。早在2001年建成的京哈線秦沈段中，我國(guó)設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的橋梁溫度跨度已達(dá)到180 m，這是UIC規(guī)定的2倍，其效果就是線路上大量減少了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，更加提高了線路的平順度和列車的舒適度。

隨著高速鐵路的深入研究和應(yīng)用，我國(guó)高速鐵路已在橋梁溫度跨度達(dá)到250 m時(shí)不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。但是，目前正在設(shè)計(jì)或建設(shè)的高速鐵路中，有的橋梁出現(xiàn)了溫度跨度超過(guò)250 m，有的甚至達(dá)到了300～400 m，如溫福線飛云江特大橋溫度跨度達(dá)到400 m，且連續(xù)梁一端位于半徑4 500 m的曲線上。在如此長(zhǎng)大溫度跨度且位于曲線的橋梁上如何減少或不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，以確保軌道平順度的問(wèn)題亟待研究解決。本文以溫福線飛云江特大橋?yàn)槔?，給出三大類型的7個(gè)方案，并提出推薦方案。

2 線橋設(shè)計(jì)參數(shù)

溫福鐵路為客貨共線鐵路，旅客列車設(shè)計(jì)行車速度為250 km/h，貨物列車設(shè)計(jì)行車速度不大于120 km/h。正線軌道采用60 kg/m、U75V鋼軌，Ⅲb型混凝土軌枕及配套彈條Ⅳ型扣件(1 667根/km)，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路，全線以鋪設(shè)有砟軌道為主。飛云江特大橋里程DK24+060—DK26+650，橋跨布置為2×32 m簡(jiǎn)支梁+(48+7×80+48)m連續(xù)梁+57×32 m簡(jiǎn)支梁。連續(xù)梁大里程端位于半徑為4 500 m的平曲線上。

鋼軌采用60 kg/m、U75 V鋼軌，屈服強(qiáng)度?。郐遥?363 MPa。當(dāng)?shù)貧v年最高軌溫 Tmax=61.7℃，最低軌溫Tmin=3.9℃。設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍為(33±5)℃。溫福鐵路客車采用動(dòng)車組，貨車采用SS7型電力機(jī)車牽引。Ⅲb型軌枕(1 667根/km)配套彈條Ⅳ型扣件的線路縱向阻力為14 kN/m/軌。

3 軌道強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 軌道強(qiáng)度

動(dòng)車組速度 250 km/h，SS7電力機(jī)車速度 120 km/h。60 kg/m鋼軌截面參數(shù)考慮軌頭垂直磨耗6 mm。1 667根/km，曲線半徑 R=4 500 m，支承剛度 D=30 kN/mm。

采用無(wú)縫線路鎖定軌溫設(shè)計(jì)軟件 TDS計(jì)算軌道強(qiáng)度，按動(dòng)車組荷載計(jì)算結(jié)果為:軌底動(dòng)彎應(yīng)力 σd=117.2 MPa，鋼軌允許溫降［ΔTd］=99.2℃;按 SS7電力機(jī)車荷載計(jì)算，結(jié)果為軌底動(dòng)彎應(yīng)力 σd=119.4 MPa，鋼軌允許溫降［ΔTd］=98.3℃。

比較可知，SS7電力機(jī)車工況較不利，鋼軌允許溫降［ΔTd］=98.3℃。

3.2 無(wú)縫線路穩(wěn)定性計(jì)算

曲線半徑為4 500 m;軌道橫向阻力?、骲型枕及機(jī)械動(dòng)力穩(wěn)定后的道床狀態(tài)。軌道初始變形取初始彎曲波長(zhǎng)L0=7.2 m，初始彎曲矢度f(wàn)0=7.2 mm，允許橫向變形［f］=0.2 mm。

采用不等變形波長(zhǎng)理論計(jì)算，該理論考慮了無(wú)縫線路鋼軌縱向力不均勻性的影響，相當(dāng)于8℃溫度力，計(jì)算得到:1股鋼軌允許壓力［P］=2 793.3 kN/軌;無(wú)縫線路允許溫升［ΔTu］=72.8℃。

3.3 無(wú)縫線路計(jì)算結(jié)果

飛云江特大橋所在地區(qū)最高軌溫Tmax=61.7℃，最低軌溫 Tmin=3.9℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍(33±5)℃，允許溫降［ΔTd］=98.3℃，允許溫升［ΔTu］=72.8℃，最大溫降 ΔTdm=34.1℃，最大溫升 ΔTum=33.7℃。

4 橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)方案研究

4.1 方案一

4.1.1 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

本方案不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，不采用小阻力扣件，全橋處于無(wú)縫線路固定區(qū)。軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)，扣件采用彈條 IV型扣件。由于高速鐵路橋梁墩頂剛度較大，且雙線箱梁梁體截面剛度也較大，因此無(wú)縫線路梁軌相互作用的撓曲力不控制設(shè)計(jì)。

4.1.2 伸縮力

采用橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件VRF計(jì)算得到:連續(xù)梁梁端鋼軌縱向力較大，為 970.1 kN，相當(dāng)于50.2℃的附加力。簡(jiǎn)支梁固定墩承受伸縮力=448.6 kN/軌;連續(xù)梁固定墩承受伸縮力=114.5 kN/軌。

圖1 方案二橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

4.1.3 鎖定軌溫檢算

本方案無(wú)縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加力的溫差(50.2℃)，允許溫降［ΔTd］=98.3-50.2=48.1℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-50.2=22.6℃。檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=48.1℃，合格，富余14℃。最大溫升 ΔTum=33.7＞［ΔTu］=22.6℃，不合格。

因此，鎖定軌溫檢算不合格。

4.1.4 小結(jié)

方案一雖然橋上無(wú)縫線路處于固定區(qū)，鋼軌連續(xù)不間斷，但本方案的鋼軌截面縱向力較大，簡(jiǎn)支梁承受的伸縮力T1較大，鎖定軌溫檢算結(jié)果不合格，方案一不可行。

4.2 方案二

4.2.1 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

如圖1，本方案不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，全橋處于無(wú)縫線路固定區(qū)，軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)。采用彈條Ⅳ型小阻力扣件，線路阻力為7 kN/m/軌?？奂贾梅秶缦?連續(xù)梁左梁端100 m及相鄰2孔簡(jiǎn)支梁采用小阻力扣件(164 m范圍);連續(xù)梁右梁端的小阻力扣件與左梁端對(duì)稱布置(164 m范圍);其它范圍采用彈條Ⅳ型扣件。

4.2.2 伸縮力

采用橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件VRF計(jì)算鋼軌截面承受的伸縮力及固定墩承受伸縮力T1，分布如圖2所示。計(jì)算得到:①連續(xù)梁梁端鋼軌截面縱向力較大，為657.2 kN，相當(dāng)于34.2℃的附加力;②簡(jiǎn)支梁固定墩承受伸縮力=222.2 kN/軌，連續(xù)梁固定墩承受伸縮力 =78.8 kN/軌。

4.2.3 鎖定軌溫檢算

本方案無(wú)縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加力的溫差(34.2℃)，即允許溫降［ΔTd］=98.3-34.2=64.1℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-34.2=38.6℃，檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=64.1℃，合格，富余30℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=38.6℃，合格，富余4.9℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.2.4 小結(jié)

方案二軌道檢算通過(guò)，本方案可行。方案二的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1)優(yōu)點(diǎn):全橋處于無(wú)縫線路固定區(qū)，長(zhǎng)鋼軌延續(xù)不間斷，軌道平順度較好。

2)缺點(diǎn):方案二存在以下較大的風(fēng)險(xiǎn):①鋼軌截面縱向力較大，達(dá)到657.2 kN，該數(shù)值使高溫季節(jié)無(wú)縫線路溫升富余量?jī)H為4.9℃。②連續(xù)梁相鄰簡(jiǎn)支梁的墩(臺(tái))承受的梁軌伸縮力較大，達(dá)到 T1=222.2 kN/軌，雙線墩(臺(tái))將承受888.8 kN的縱向水平力，該力值將對(duì)支座和墩(臺(tái))長(zhǎng)期使用不利。

4.3 方案三

4.3.1 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

如圖3，本方案不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，采用超小阻力扣件，全橋處于無(wú)縫線路固定區(qū)。

圖2 方案二鋼軌截面及固定墩承受伸縮力分布

采用的超小阻力扣件的線路阻力為2.5～7.0 kN/m/軌可調(diào)。布置范圍如下:連續(xù)梁左梁端100 m及相鄰2孔簡(jiǎn)支梁采用小阻力扣件(164 m范圍);連續(xù)梁右梁端的小阻力扣件與左梁端對(duì)稱布置(164 m范圍);其它范圍采用彈條Ⅳ型扣件(Ⅲb型軌枕、1 667根/km)。

4.3.2 伸縮力

采用橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件VRF計(jì)算鋼軌截面承受的伸縮力及固定墩承受伸縮力T1分布如圖4所示。計(jì)算得到:①連續(xù)梁梁端鋼軌縱向力為424.6 kN，相當(dāng)于22.1℃的附加力。②簡(jiǎn)支梁超小阻力軌道范圍固定墩承受伸縮力:78.8 kN/軌，彈條Ⅳ型扣件范圍固定墩承受伸縮力:119.4 kN/軌，連續(xù)梁T1=71.9 kN/軌。

4.3.3 鎖定軌溫檢算

本方案無(wú)縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加溫差(22.1℃)，即允許溫降［ΔTd］=98.3-22.1=76.2℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-22.1=50.7℃，檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=76.2℃，合格，富余42.1℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=50.7℃，合格，富余17℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.3.4 小結(jié)

本方案軌道檢算通過(guò)，方案三合格。本方案優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1)優(yōu)點(diǎn):①全橋處于無(wú)縫線路固定區(qū)，長(zhǎng)鋼軌延續(xù)不間斷，軌道平順度較好。②橋上無(wú)縫線路強(qiáng)度和穩(wěn)定性具有一定的富余量，橋梁墩臺(tái)承受無(wú)縫線路縱向力值合理。③超小阻力軌道的應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，將極大促進(jìn)橋上無(wú)縫線路技術(shù)進(jìn)步。

2)缺點(diǎn):需投入人力和物力進(jìn)行超小阻力扣件的研發(fā)。

4.4 方案四

4.4.1 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

本方案在連續(xù)梁中部每線設(shè)一組雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，自調(diào)節(jié)器向左至相鄰的2孔32 m簡(jiǎn)支梁范圍(380 m范圍)采用既有小阻力扣件(7 kN/m/軌)，調(diào)節(jié)器右側(cè)小阻力扣件對(duì)稱布置(380 m范圍)，其余范圍采用彈條Ⅳ型扣件。

圖3 方案三橋上無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

圖4 方案三鋼軌截面及固定墩承受伸縮力分布

4.4.2 伸縮力

采用橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件VRF計(jì)算得到:①連續(xù)梁梁端鋼軌縱向力較大，為655.7 kN，相當(dāng)于34.2℃的附加力。②簡(jiǎn)支梁固定墩承受伸縮力為221.8 kN/軌，連續(xù)梁固定墩承受伸縮力為77 kN/軌。

4.4.3 鎖定軌溫檢算

本方案無(wú)縫線路允許溫降和允許溫升均需扣除附加力溫差(34.2℃)，允許溫降［ΔTd］=98.3-34.2=64.1℃，允許溫升［ΔTu］=72.8-34.2=38.6℃。檢算后最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=64.1℃，合格，富余30℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=38.6℃，合格，富余4.9℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.4.4 小結(jié)

方案四軌道檢算通過(guò)，但本方案的軌道及墩臺(tái)受力與方案二相同，表明在連續(xù)梁中部設(shè)置雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器并無(wú)任何效果，屬多余設(shè)置。因此，方案四不可行。

4.5 方案五

4.5.1 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

本方案在連續(xù)梁左右梁端內(nèi)距梁縫3 m處，每線各設(shè)一組單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器;連續(xù)梁左右各相鄰的2孔32 m簡(jiǎn)支梁(64 m范圍)采用既有小阻力扣件(7 kN/m/軌)，其余范圍采用彈條Ⅳ型扣件。所采用調(diào)節(jié)器的型號(hào)為:①小里程梁端(左側(cè))位于直線地段，采用時(shí)速250 km客運(yùn)專線(兼顧貨運(yùn))有砟軌道60 kg/m鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。②大里程梁端(右側(cè))位于半徑為4 500 m曲線地段，采用高速鐵路曲線用60 kg/m鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

4.5.2 伸縮力

連續(xù)梁固定墩承受的伸縮力為0。簡(jiǎn)支梁小阻力扣件范圍的簡(jiǎn)支梁固定墩伸縮力為110 kN/軌;其它范圍的簡(jiǎn)支梁固定墩伸縮力為60 kN/軌。

4.5.3 鎖定軌溫檢算

本方案無(wú)縫線路允許溫降［ΔTd］=98.3℃，允許溫升［ΔTu］=72.8℃，檢算最大溫降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=98.3℃，鎖定軌溫檢算合格，富余64.2℃。最大溫升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=72.8℃，合格，富余39.1℃。

鎖定軌溫檢算合格。

4.5.4 小結(jié)

本方案軌道檢算通過(guò)，因此，方案五合格。

1)優(yōu)點(diǎn):①鋼軌截面及簡(jiǎn)支梁固定墩(臺(tái))承受無(wú)縫線路縱向力較小，連續(xù)梁固定墩除承受制動(dòng)附加力外，不承受其它無(wú)縫線路縱向力。②橋上無(wú)縫線路軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性富余量較大。

2)缺點(diǎn):①連續(xù)梁兩端設(shè)置了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，對(duì)保持軌道平順度不利，而且還需對(duì)調(diào)節(jié)器投入較大的養(yǎng)護(hù)工作量。②連續(xù)梁右端所采用的高速鐵路曲線用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器需著手研發(fā)。

4.6 方案六

4.6.1 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

本案橋上無(wú)縫線路不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)，扣件彈條Ⅳ型扣件，但無(wú)縫線路設(shè)置夏季和冬季2個(gè)不同的鎖定軌溫，如表1所示。

表1 方案六鎖定軌溫 ℃

4.6.2 小結(jié)

本方案屬于應(yīng)急預(yù)案，全橋處于無(wú)縫線路固定區(qū)，長(zhǎng)鋼軌延續(xù)不間斷，軌道平順度較好。全橋無(wú)縫線路需在夏季和冬季設(shè)置不同鎖定軌溫，因此每年在夏季和冬季來(lái)臨前，都需對(duì)橋上無(wú)縫線路進(jìn)行應(yīng)力放散，并按要求進(jìn)行鎖定。該項(xiàng)任務(wù)工作量巨大，且頻繁。

4.7 方案七

4.7.1 無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)

本方案在連續(xù)梁左右梁端內(nèi)距梁縫3.0 m處、每線各設(shè)一根基本長(zhǎng)度為12.5 m的調(diào)節(jié)器軌;軌枕采用Ⅲb型軌枕(1 667根/km)，扣件彈條Ⅳ型扣件。

采用一個(gè)鎖定軌溫，為(33±5)℃。調(diào)節(jié)軌的功能相當(dāng)于方案五的單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，其基本長(zhǎng)度為12.5 m，兩端采用夾板凍結(jié)接頭，軌縫設(shè)置為8 mm。夏季和冬季長(zhǎng)度分別采用不同長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)軌，如表2。

表2 調(diào)節(jié)軌長(zhǎng)度及軌縫設(shè)置

4.7.2 小結(jié)

本方案屬于應(yīng)急預(yù)案，全橋只需設(shè)置一個(gè)鎖定軌溫，即(33±5)℃。②鋼軌截面及簡(jiǎn)支梁固定墩(臺(tái))承受無(wú)縫線路縱向力較小，連續(xù)梁固定墩除承受制動(dòng)附加力外，不承受其它無(wú)縫線路縱向力。橋上無(wú)縫線路軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性富余量較大。但全橋每股鋼軌存在4個(gè)軌縫，軌道平順度和列車通過(guò)舒適度差。每年需在夏季和冬季來(lái)臨前，更換相對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)軌，該項(xiàng)任務(wù)工作量巨大，且頻繁。

5 總結(jié)與建議

5.1 總結(jié)

為提高高速線路的平順度、減少線路設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修工作量，盡量減少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器數(shù)量是高速鐵路橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)最重要原則之一。本文根據(jù)高速鐵路曲線上長(zhǎng)大溫度跨度橋梁的特點(diǎn)提出了橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)方案，包括三大類7個(gè)方案，如表3所示。這7個(gè)方案的優(yōu)良順序?yàn)榉桨溉⒎桨肝?、方案六、方案七、方案二。方案一和方案四不可行，推薦采用方案三。

表3 高速鐵路曲線地段高架橋無(wú)縫線路方案

5.2 建議

應(yīng)急預(yù)案(方案六和方案七)只用于應(yīng)急情況，不應(yīng)長(zhǎng)期應(yīng)用。加大力度進(jìn)行高速鐵路曲線地段大跨度連續(xù)梁鋪設(shè)無(wú)縫線路研究。著手開展方案三(不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，采用超小阻力扣件)和方案四(采用曲線用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器)的研究及相關(guān)部件的開發(fā)，重點(diǎn)研究方案三。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)函［2003］205號(hào) 新建鐵路橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB2034 鐵路軌道強(qiáng)度檢算法［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1988.

［3］盧耀榮.無(wú)縫線路研究與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［4］蔣金洲.高速鐵路混凝土高架橋無(wú)縫線路的研究［J］.鐵道建筑，2004(增刊):34-38.

［5］高應(yīng)安.連續(xù)梁橋無(wú)縫線路計(jì)算分析［J］.鐵道建筑，2005(11):18-20.