大溫差地區(qū)有砟橋上無縫線路的設(shè)計(jì)分析

馬貴軍

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000)

大溫差地區(qū)有砟橋上無縫線路的設(shè)計(jì)分析

馬貴軍

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000)

我國西部地區(qū)的鐵路，以現(xiàn)場(chǎng)條件差、高寒、高海拔、大溫差等特點(diǎn)帶來許多技術(shù)難題，特別是在小半徑曲線、大跨度橋梁地段鋪設(shè)無縫線路，更加需要精心設(shè)計(jì)和施工，為以后的安全運(yùn)營提供最直接的基礎(chǔ)條件。本文通過內(nèi)蒙古、青藏等地區(qū)橋上無縫線路的研究設(shè)計(jì)，對(duì)高寒大溫差地區(qū)鋪設(shè)無縫線路的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究和總結(jié)，為今后在該地區(qū)拓寬無縫線路鋪設(shè)范圍積累經(jīng)驗(yàn)。

大溫差 有砟軌道 無縫線路 橋上線路

橋上無縫線路鋪設(shè)與路基上不同，其鋼軌除受溫度力作用之外，還受到因梁體伸縮而引起的伸縮力、因梁體撓曲而引起的撓曲力作用。這些力同時(shí)又反作用于梁跨及固定支座，使墩頂發(fā)生縱向位移。此外，如果在橋上發(fā)生斷軌，或者是無縫線路伸縮區(qū)設(shè)置在梁上時(shí)，鋼軌的伸縮變形也會(huì)通過梁軌間的約束，使墩臺(tái)和固定支座受到斷軌力或溫度力的作用。

本文介紹了內(nèi)蒙地區(qū)某大橋橋上無縫線路的設(shè)計(jì)計(jì)算，并提出幾點(diǎn)設(shè)計(jì)技巧。

1 大溫差區(qū)大跨度橋上無縫線路分析與設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙某鐵路項(xiàng)目鋪設(shè)無縫線路地段，屬于寒冷大溫差地區(qū)，且為重載鐵路。鐵路主要技術(shù)條件為：萬噸電力牽引，最小曲線半徑800 m，縱坡6‰～13‰，有砟軌道。所在地區(qū)歷史最高、最低氣溫分別為40.2℃和-34.5℃。某特大橋橋高80 m，設(shè)計(jì)主跨為(48+80+80+48)m連續(xù)剛構(gòu)。根據(jù)本項(xiàng)目的具體特征，結(jié)合《暫規(guī)》和其它研究成果，編制了該處特殊結(jié)構(gòu)橋上無縫線路的設(shè)計(jì)方案。

1.1 無縫線路鎖定軌溫

無縫線路鎖定軌溫的確定需要綜合考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件、軌道強(qiáng)度、軌溫變化幅度、無縫線路穩(wěn)定性和斷縫允許值等因素。

對(duì)于寒冷大溫差地區(qū)，鎖定軌溫的取值范圍通常較窄，修正值的選擇一般為負(fù)值，但也要根據(jù)允許溫升、允許溫降及其它因素綜合考慮，視具體情況而定。通過計(jì)算得到曲線半徑800 m區(qū)段允許溫升［Δtc］為50.86℃，由斷縫決定的允許溫降［Δtd］為65.11℃，所得設(shè)計(jì)鎖定軌溫為(18±5)℃，其溫升、溫降幅度均在允許范圍內(nèi)。因溫差較大，預(yù)留軌縫難以取值，同時(shí)考慮重載鐵路大坡道制動(dòng)引起軌溫升高對(duì)溫度壓力的影響，最終確定在800 m半徑及相鄰段設(shè)計(jì)鎖定軌溫為(17±3)℃。

1.2 橋上無縫線路設(shè)計(jì)

線路條件為鋪設(shè)60 kg/m U75V鋼軌，Ⅱ型混凝土橋枕(每公里鋪設(shè)1 667根)，Ⅱ型彈條扣件，道床肩寬為45 cm、堆高15 cm。機(jī)車類型為SS4型，設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h。

1.2.1 基本參數(shù)

1)梁溫差：混凝土有砟梁Δt=15℃。

2)線路縱向阻力(見表1)。

表1 線路縱向阻力值 N/(cm·軌)

3)將該橋連續(xù)剛構(gòu)兩側(cè)多跨32 m簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)化為各5跨。

1.2.2 伸縮附加力計(jì)算

墩頂縱向水平線剛度取500 kN/(cm·線)，橋臺(tái)臺(tái)頂縱向水平線剛度取2 200 kN/(cm·線)。鋼軌伸縮附加力如圖1所示(橫坐標(biāo)原點(diǎn)為橋端)，鋼軌最大附加拉力為297.946 kN，出現(xiàn)在連續(xù)剛構(gòu)右側(cè)梁端;鋼軌最大附加壓力為243.963 kN，出現(xiàn)在鄰近固定端橋臺(tái)梁跨。

梁軌縱向位移如圖2所示，最大墩頂水平位移為4.33 mm≤5=28 mm，墩臺(tái)頂位移滿足要求。最大墩臺(tái)作用力發(fā)生在鄰近連續(xù)剛構(gòu)的梁跨，最大墩臺(tái)力為108.4 kN，連續(xù)剛構(gòu)梁跨的墩臺(tái)力為54.4 kN。

圖1 鋼軌伸縮附加力

圖2 梁軌縱向位移

圖3 斷軌后縱向力分布

圖4 斷軌后梁軌縱向位移

1.2.3 撓曲附加力計(jì)算

以列車荷載由活動(dòng)端一側(cè)進(jìn)入梁內(nèi)，或由連續(xù)梁端進(jìn)入梁內(nèi)作為不利條件。由于撓曲附加力遠(yuǎn)小于伸縮附加力，故本文不再列出。

1.2.4 斷縫及斷軌力計(jì)算

由當(dāng)?shù)刈畹蛙墱豑min=-34.5℃，假設(shè)該段無縫線路最大降溫幅度為58℃。線路縱向阻力取110 N/(cm·軌)。其斷軌后縱向力及梁軌位移分布結(jié)果如圖3、圖4所示。

斷縫發(fā)生在連續(xù)剛構(gòu)右側(cè)梁端，設(shè)最大降溫幅度為58℃時(shí)斷縫值為79.5 mm，不超過允許斷縫值80 mm，因此降溫幅度58℃已為極值。

橋梁墩臺(tái)及固定支座承受的斷軌力，按一跨簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)的線路縱向阻力之和計(jì)算，但斷軌力不得超過最大溫度拉力。

取鋼軌的線膨脹系數(shù)α為1.18×10-5/，彈性模量E為2.1×105MPa，斷面積F為7 745 mm2。則鋼軌拉斷力T3=110(縱向阻力)×7 902(梁長(zhǎng))=869 kN。最大溫度力 Ptmax=αEΔtF=2.478×58×7 745=1 113 kN。

兩相比較斷軌力滿足要求。

斷軌時(shí)另一股未斷軌最大伸縮拉力由298.11 kN增大至391.41 kN，鋼軌底部拉應(yīng)力=393.57 MPa≤［σ］=489 MPa，則另一股鋼軌不會(huì)在同一斷面處折斷。

1.2.5 軌道強(qiáng)度檢算

溫度拉應(yīng)力

σt=αEΔt=2.478Δt=2.478×58=143.72 MPa

附加拉應(yīng)力

σs=P附/F=(298.11/7 745)×1 000=38.49 MPa

(啟)制動(dòng)力按一跨剛構(gòu)梁上列車豎向靜活載的10%計(jì)算，則(啟)制動(dòng)應(yīng)力為

σc=68.95 MPa

考慮鋼軌初彎應(yīng)力，總應(yīng)力σ為

σ =σd+σt+σs+σc=131.64+143.72+38.49+68.95=382.8 MPa

國產(chǎn) 60 kg/m U75V鋼軌，允許應(yīng)力［σ］取489 MPa，則總應(yīng)力≤［σ］;鋼軌強(qiáng)度滿足要求。

1.2.6 軌道穩(wěn)定性檢算

橋上無縫線路兩鋼軌受到的溫度壓力和伸縮壓力之和不應(yīng)超過軌道穩(wěn)定的容許壓力，即2(Pt壓+Pt伸壓)≤［P］。其中 Pt壓= αEFΔt升=905.87 kN，Pt伸壓=298.11 kN。

Ⅱ型軌枕等效道床阻力Q取84 N/cm，代入溫度力計(jì)算程序得PN=2 628.6 kN。允許溫度壓力［P］=PN/K=2 628.6/1.3=2 021 kN。

軌道穩(wěn)定性檢算：2(Pt壓+Pt伸壓)=2 ×(905.87+298.11)=2 408 kN ＞［P］=2 021 kN。

穩(wěn)定性檢算不能滿足要求。

采用新Ⅲ型混凝土橋枕，等效道床阻力 Q取112 N/cm，代入溫度力計(jì)算程序得PN=3 365.6 kN。允許溫度壓力［P］=2 588 kN。

2(Pt壓+Pt伸壓)=2 × (905.87+298.11)=2 408 kN ＜［P］=2 588 kN。

軌道穩(wěn)定性檢算滿足要求。

1.2.7 設(shè)計(jì)小結(jié)

采用60 kg/m U75V軌、新Ⅲ型混凝土橋枕、彈條Ⅱ型扣件、道床肩寬＞45 cm，堆高＞150 mm的軌道結(jié)構(gòu)，在最高最低軌溫差為94.7℃、設(shè)計(jì)鎖定軌溫Ts=(18±5)℃的情況下，橋上無縫線路的軌道強(qiáng)度、穩(wěn)定性、斷縫及斷軌力均滿足要求，不需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

2 大溫差地區(qū)橋上無縫線路設(shè)計(jì)技巧

通過對(duì)該工點(diǎn)及其他工點(diǎn)的橋上無縫線路設(shè)計(jì)與研究，總結(jié)大溫差地區(qū)橋上無縫線路設(shè)計(jì)方法和技巧如下。

2.1 與橋梁設(shè)計(jì)緊密結(jié)合

通過對(duì)不同跨度、結(jié)構(gòu)橋梁的計(jì)算分析，采用不同的橋型、不同的固定支座位置、不同的加載方式、墩臺(tái)不同的線剛度，對(duì)鋼軌附加力的影響是不一樣的，特別是橋梁結(jié)構(gòu)類型和固定支座設(shè)置位置的影響。例如經(jīng)計(jì)算，對(duì)于大跨度梁結(jié)構(gòu)，奇數(shù)跨連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)通過調(diào)整不同固定墩位置，其梁端最大附加伸縮力前者較后者大很多。

2.2 增大軌道允許降溫和升溫幅度

提高軌道允許降溫幅度，實(shí)質(zhì)上是提高軌道結(jié)構(gòu)的容許溫差。通過選用高強(qiáng)度鋼軌，如強(qiáng)度等級(jí)大于980，1 180 MPa的U75V，U78CrV等高強(qiáng)度熱軋和熱處理鋼軌，使得容許溫差增大，為擴(kuò)大橋上無縫線路鋪設(shè)范圍提供技術(shù)保證。

軌道允許降溫幅度的增大，相應(yīng)鋼軌斷縫值會(huì)隨之增大，當(dāng)斷縫到一定程度，會(huì)影響到行車的安全，加速軌道惡化。因此在提高線路縱向阻力減小斷縫值的同時(shí)，降溫幅度會(huì)有一極值，計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮。

2.3 合理確定鎖定軌溫及其容許范圍

合理確定鎖定軌溫及其容許范圍，是在高寒、大溫差地區(qū)擴(kuò)大鋪設(shè)溫度應(yīng)力式無縫線路范圍的有效途徑，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1)提高軌道結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度

Ⅲ型混凝土枕，Ⅱ、Ⅲ型扣件，特級(jí)、一級(jí)碎石道床，以及通過加寬砟肩寬度、堆高，加設(shè)小曲線半徑處橫向撐等，均能有效加大線路縱橫向阻力，從而提高允許升、降溫幅度，對(duì)設(shè)計(jì)鎖定軌溫的確定及其容許范圍可以有較大的空間。

2)盡量縮小設(shè)計(jì)鎖定軌溫的范圍

在可能的條件下盡量縮小設(shè)計(jì)鎖定軌溫的范圍，實(shí)質(zhì)是讓施工鎖定軌溫更接近于設(shè)計(jì)鎖定軌溫中間值，以擴(kuò)大容許升、降溫幅度，適應(yīng)更極端的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。因此可以在偏低軌溫下采用長(zhǎng)軌條拉伸法施工，一次拉伸到中間鎖定軌溫進(jìn)行鎖定。

3)采用二次鎖定法鎖定線路

無縫線路鋪設(shè)時(shí)先按常規(guī)方法予以鎖定，待線路通過一定噸數(shù)后，進(jìn)行一次應(yīng)力放散，把因列車輾壓而降低的軌溫放散出來，再進(jìn)行最終鎖定。從而使鎖定軌溫更可靠準(zhǔn)確，充分利用原設(shè)計(jì)的容許溫升和容許溫降。

3 結(jié)語

由于我國西部地區(qū)海拔高、高寒、溫差大，給大跨度橋梁地段無縫線路鋪設(shè)帶來困難，因此除對(duì)橋上無縫線路進(jìn)行檢算外，還可以通過合理確定鎖定軌溫、增大軌道允許降溫和升溫幅度等方法加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)，提高橋上無縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定，使橋上無縫線路的鋪設(shè)范圍更廣泛。

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U443.31+2;U213.9+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.02.31

1003-1995(2014)02-0098-03

2013-06-13;

2013-10-22

馬貴軍(1981— )，男，甘肅蘭州人，工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)