鐵路橋梁梁端伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討

費(fèi)維周

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

鐵路橋梁梁端伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討

費(fèi)維周

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

鐵路橋梁梁端伸縮裝置是大跨度橋梁的重要部件，為實(shí)現(xiàn)軌道的連續(xù)性和平順性，需要具備滑動(dòng)和支撐功能。對國內(nèi)各種鐵路橋梁梁端伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理以及各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對比，目的在于分析出國內(nèi)自主研發(fā)的梁端伸縮裝置需要改進(jìn)的思路和方向。我國要實(shí)現(xiàn)鐵路橋梁梁端伸縮裝置完全自主化，需要吸收國外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提升自身的制造精度和水平。

鐵路橋梁； 梁端伸縮裝置； 梁縫； 支撐梁；鋼枕 ；小阻力扣件

1 概述

為了滿足江流航道運(yùn)營需求，近年來在長江鐵路大橋上，選用了大跨度鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁。為適應(yīng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁的伸縮位移，梁縫設(shè)計(jì)一般達(dá)到±300 mm以上，如武漢天興洲長江大橋、南京大勝關(guān)長江大橋、銅陵長江大橋[1]等。當(dāng)軌道通過上述梁縫時(shí)，為確保軌道的連續(xù)性和平順性[2]，一般采用橋梁梁端伸縮裝置，該裝置一般鋪設(shè)在兩梁端之間、梁端與橋臺之間或橋梁的鉸接位置上，以滿足橋梁伸縮位移的需要。橋梁梁端伸縮裝置至少需要具備的功能：滑動(dòng)功能，滿足橋梁主橋最大位移伸縮量的要求；滑動(dòng)部位具有足夠的豎向剛度，能夠支撐軌道及列車荷載；滑動(dòng)部位具有足夠的橫向剛度，確保其上軌道的穩(wěn)定。

我國鐵路軌道通過較大梁縫時(shí)，先后采用過梁端抬枕裝置、箱形結(jié)構(gòu)梁端伸縮裝置以及支撐梁式梁端伸縮裝置，其在使用過程中均存在一些問題[3]，因此在高速線路上大多數(shù)采用的是BWG支撐梁式梁端伸縮裝置[4]，國產(chǎn)的結(jié)構(gòu)僅僅在武漢天興洲長江大橋(箱形結(jié)構(gòu)梁端伸縮裝置)上采用過。

本文重點(diǎn)對上述鐵路橋梁梁端伸縮裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹和對比，提出我國下一步鐵路橋梁梁端伸縮裝置自主化的思路和方向，適應(yīng)行車需要[5]，為我國鐵路橋梁梁端伸縮裝置的完全自主化提供參考。

2 橋梁梁端伸縮裝置

2.1 梁端抬枕裝置

2.1.1 布置圖

該裝置由2根縱梁、固定端墊板、活動(dòng)端墊板、1根鋼枕、連桿機(jī)構(gòu)、軌道鋼軌、小阻力扣件等組成，見圖1。

圖1 梁端抬枕裝置布置(單位：mm)

2.1.2 主要特點(diǎn)

(1)縱梁通過扣壓件與梁縫兩側(cè)的混凝土枕連接，并通過扣壓件將中間的鋼枕抬起。

(2)鋼枕兩端固定在縱梁上，鋼枕中部通過扣壓件支撐軌道鋼軌，確保軌道的連續(xù)性。

(3)縱梁一端扣件與縱梁之間為滑動(dòng)扣壓，一端為固定扣壓(豎向螺栓栓接)，確?？v梁滑動(dòng)端能夠滑動(dòng)。

(4)軌道采用WJ-7B型小阻力扣件，適應(yīng)鋼軌的伸縮滑動(dòng)。

(5)連桿機(jī)構(gòu)與梁縫兩端混凝土枕連接并在中部與鋼枕連接，保證鋼枕始終處于梁縫中間。

2.1.3 原理

梁縫發(fā)生位移時(shí)，鋼軌在WJ-7B型小阻力扣件中能夠伸縮，縱梁一端為滑動(dòng)扣壓，一端為固定扣壓，確保了縱梁能夠隨著梁縫伸縮；同時(shí)縱梁為鋼枕提供懸掛，將鋼枕抬起，梁縫處鋼軌由鋼枕支撐，確保了軌道的連續(xù)性。連桿機(jī)構(gòu)與梁縫兩端混凝土枕連接并在中部與鋼枕連接，保證鋼軌枕始終處于梁縫中間[6]。

2.1.4 優(yōu)缺點(diǎn)

(1)WJ-7B型扣件屬于成熟扣件，支撐梁活動(dòng)端扣件結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。

(2)2根縱梁制造精度和鋪設(shè)平行度要求高，否則易出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

(3)縱梁活動(dòng)端扣件制造精度要求高，其減摩性能很難保證，易出現(xiàn)伸縮阻力過大現(xiàn)象。

(4)總梁固定端豎向螺栓受力狀態(tài)不良，易出現(xiàn)剪斷現(xiàn)象。

(5)適應(yīng)的梁縫范圍小，一般在±300 mm以內(nèi)。

(6)連桿機(jī)構(gòu)穩(wěn)定型差，位移伸縮過大時(shí)可能出現(xiàn)二力桿頂死現(xiàn)象。

(7)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)時(shí)需要經(jīng)常對滑動(dòng)扣件進(jìn)行涂油減摩養(yǎng)護(hù)。

2.1.5 試驗(yàn)效果

伸縮阻力的試驗(yàn)采用精度不低于1 kN的油壓千斤頂頂推活動(dòng)端臨近鋼枕的混凝土枕，重復(fù)3次試驗(yàn)，見圖2；另外將活動(dòng)端混凝土枕整體抬升1 mm，重復(fù)頂推試驗(yàn)；再將固定端混凝土枕整體抬升1 mm，重復(fù)頂推試驗(yàn)；再者將活動(dòng)端混凝土枕抬升1 mm、固定端混凝土枕降低1 mm，重復(fù)頂推試驗(yàn)；最后將活動(dòng)端混凝土枕降低1 mm、固定端混凝土枕抬升1 mm，重復(fù)頂推試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)施加5 kN的頂推力[7]時(shí)，活動(dòng)端混凝土枕和鋼軌枕已開始活動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好。鋼軌枕在移動(dòng)過程中，距離鄰近的混凝土枕間距最大偏差為14 mm?？蹓杭涂奂顟B(tài)良好。

圖2 梁端抬枕裝置試驗(yàn)示意(單位：mm)

2.2 箱形結(jié)構(gòu)梁端伸縮裝置

2.2.1 布置圖

該裝置由2根支撐梁、2個(gè)固定位移控制箱、2個(gè)活動(dòng)位移控制箱、2根活動(dòng)鋼枕、6根固定鋼枕、2根過渡鋼枕、2根側(cè)向?qū)к壍冉M成，見圖3。

圖3 箱形結(jié)構(gòu)梁端伸縮裝置布置(單位：mm)

2.2.2 主要特點(diǎn)

(1)該裝置張開時(shí)滑動(dòng)軌枕之間的最大中心距不得超過650 mm，伸縮裝置合龍時(shí)，相鄰軌枕的最小邊距不小于50 mm，伸縮位移理論上達(dá)到±600 mm。

(2)固定位移控制箱、活動(dòng)位移控制箱與兩端的固定鋼枕栓接，致使該裝置能夠滿足其兩側(cè)梁體順橋向、橫橋向和豎向位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。

(3)兩端的位移控制箱與固定鋼枕栓接，確保位移控制箱的固定。

(4)支撐梁一端通過固定端橫向位移擋塊，與固定位移控制箱緊固，另一端通過活動(dòng)端橫向位移擋塊，與活動(dòng)端位移控制箱間隙配合，實(shí)現(xiàn)支撐梁在活動(dòng)端位移控制箱中滑動(dòng)。一般是通過對調(diào)節(jié)螺栓施加不同扭矩，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的抵抗縱向阻力的數(shù)值，達(dá)到導(dǎo)軌一端固定(“緊”狀態(tài))，一端活動(dòng)效果(“松”狀態(tài))；見圖4。

圖4 支撐梁固定端活動(dòng)端調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意

(5)支撐梁通過吊架本體支撐活動(dòng)鋼枕，在梁縫位置支撐鋼軌，保持軌道的連續(xù)支撐。

(6)為降低梁體伸縮時(shí)橫向位移，引導(dǎo)支撐梁的平行伸縮，在軌道兩側(cè)設(shè)置了側(cè)向?qū)к?，?cè)向?qū)к壱欢斯潭ǎ欢嘶瑒?dòng)，以適應(yīng)梁體的伸縮。

(7)該裝置的各鋼枕通過雙連桿機(jī)構(gòu)連接，確保中心距均勻變化。

2.2.3 原理

當(dāng)主橋梁體發(fā)生伸縮位移時(shí)，將帶動(dòng)固定端位移控制箱和側(cè)向?qū)к壱徊⒒瑒?dòng)，支撐梁固定端的隨固定端位移控制箱滑動(dòng)，此時(shí)支撐梁活動(dòng)端伸入活動(dòng)端位移控制箱內(nèi)；同時(shí)側(cè)向?qū)к壔瑒?dòng)端亦滑動(dòng)前移?；瑒?dòng)鋼枕與固定鋼枕之間通過雙連桿結(jié)構(gòu)約束，當(dāng)梁體伸縮時(shí)，由于受到雙連桿限制，將均勻的縮小間距，滑動(dòng)鋼枕通過吊架本體與支撐梁連接，長度方向自由約束，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)鋼枕在支撐梁上滑動(dòng)，同時(shí)活動(dòng)鋼枕對鋼軌進(jìn)行支撐，實(shí)現(xiàn)梁縫伸縮時(shí)有效均勻的支撐，確保了行車的安全。

2.2.4 優(yōu)缺點(diǎn)

(1)適應(yīng)范圍廣，能夠適應(yīng)至少±400 mm以上梁縫伸縮工況。

(2)位移控制箱及支撐梁能夠很好對鋼軌實(shí)現(xiàn)支撐。

(3)側(cè)向?qū)к壞軌蛴行У膶?dǎo)向，確保伸縮時(shí)軌道的方向穩(wěn)定，同時(shí)增加了軌道的橫向剛度。

(4)位移控制箱制造精度高，質(zhì)量控制難度大，特別是活動(dòng)端橫向位移擋塊，既要對支撐梁進(jìn)行約束，又要能夠確保支撐梁的伸縮滑動(dòng)。

(5)鋼枕制造、焊接質(zhì)量難度大。

(6)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，對各個(gè)部件質(zhì)量要求高，特別是滑動(dòng)部位制造精度、裝配精度。

(7)裝配難度大。

2.2.5 試驗(yàn)效果

為了驗(yàn)證產(chǎn)品性能：在設(shè)計(jì)荷載作用下進(jìn)行了支撐梁橫向位移、豎向位移、伸縮裝置的伸縮阻力、軌枕中心距均勻性等試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)在專用試驗(yàn)臺座上進(jìn)行，試驗(yàn)臺座由鋼板制成，在臺座上焊接水平力反力架和垂直力反力架，見圖5。

圖5 箱形結(jié)構(gòu)梁端伸縮裝置試驗(yàn)示意(單位：mm)

在豎向250 kN荷載[8]作用下，測得伸縮裝置豎向位移變形≤1 mm，在100 kN橫向荷載[9]作用下，測得伸縮裝置橫向位移變形≤1 mm；對伸縮裝置進(jìn)行伸縮試驗(yàn)，在伸縮荷載≤50 kN時(shí)[10]，伸縮裝置即開始滑動(dòng)，能夠確保伸縮裝置均勻的伸縮。

2.3 支撐梁式梁端伸縮裝置

2.3.1 布置圖

該裝置由4根支撐梁、2根固定鋼岔枕、2根活動(dòng)鋼岔枕、雙剪刀連桿、6根混凝土枕、小阻力扣件等組成，見圖6。

圖6 支撐梁式梁端伸縮裝置平面布置(單位：mm)

2.3.2 主要特點(diǎn)

(1)4根支撐梁，固定端通過水平螺栓與扣件連接，見圖7，活動(dòng)端通過減摩扣件與鋼岔枕、混凝土枕連接，見圖8，實(shí)現(xiàn)支撐梁隨著梁縫伸縮。

圖7 支撐梁固定端扣件示意

圖8 支撐梁活動(dòng)端扣件示意

圖9 鋼軌小阻力扣件示意

(2)軌道鋼軌通過減摩扣件(鑲嵌了聚四氟乙烯塊)與墊板連接，見圖9，當(dāng)梁縫伸縮時(shí)軌道能夠自由伸縮。

(3)活動(dòng)鋼岔枕，通過雙剪刀連桿約束，確保梁縫伸縮時(shí)鋼岔枕均勻伸縮。

2.3.3 原理

當(dāng)梁縫伸縮時(shí)，帶動(dòng)軌道鋼軌、支撐梁以及雙剪刀連桿機(jī)構(gòu)伸縮，此時(shí)支撐梁滑動(dòng)端克服摩擦力伸縮，鋼軌克服減摩扣件的扣壓力伸縮，由于雙剪刀連桿結(jié)構(gòu)的約束，使得滑動(dòng)鋼枕均勻移動(dòng)，梁縫處鋼枕間距均勻。支撐梁懸掛滑動(dòng)鋼枕，滑動(dòng)鋼枕支撐其軌道鋼軌，確保了軌道在梁縫部位的連續(xù)性。支撐梁既承擔(dān)支撐作用，同時(shí)又承擔(dān)導(dǎo)向作用。

2.3.4 優(yōu)缺點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)簡潔，固定扣件、滑動(dòng)扣件實(shí)現(xiàn)方便。

(2)雙剪刀連桿機(jī)構(gòu)，能夠克服兩力桿頂死現(xiàn)象，可靠性高。

(3)支撐梁制造精度要求高，4根支撐梁鋪設(shè)時(shí)平行度要求高。

(4)要實(shí)現(xiàn)0.2 mm≤縫隙≤0.5 mm，支撐梁滑動(dòng)端減摩扣板制造難度大，鋪設(shè)要求高。

(5)要實(shí)現(xiàn)0.2 mm≤縫隙≤0.5 mm，鋼軌上減摩扣件制造難度大，鋪設(shè)要求高。

2.3.5 試驗(yàn)效果

為驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的合理性，對該產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)際工況的模擬試驗(yàn)，見圖10。

圖10 支撐梁式梁端伸縮裝置試驗(yàn)圖片

在豎向250 kN、縱向與橫向100 kN的荷載下進(jìn)行頂推試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在豎向荷載時(shí)，梁端伸縮裝置能夠自由伸縮，軌道幾何尺寸變化≤1 mm，在橫向荷載作用下，未發(fā)生伸縮卡阻現(xiàn)象；頂推荷載≤5 kN，符合相應(yīng)技術(shù)條件要求。

2.4 BWG支撐梁式梁端伸縮裝置

BWG公司研制的梁端伸縮裝置，由固定混凝土枕、活動(dòng)鋼枕、側(cè)向?qū)к?、“剪刀”連桿等組成。與我國自主研發(fā)的支撐梁式梁端伸縮裝置結(jié)構(gòu)基本一致，滿足《南京大勝關(guān)長江大橋大位移梁端伸縮裝置暫行技術(shù)條件》的要求[11]，主要區(qū)別在于：共計(jì)采用2根支撐梁，單剪刀連桿機(jī)構(gòu)，見圖11。

圖11 支撐梁式梁端伸縮裝置試驗(yàn)(大勝關(guān)長江大橋上用)

其主要優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡潔，滑動(dòng)扣件采用減摩塊或者鑲嵌聚四氟乙烯方式，滑動(dòng)效果良好；支撐梁制造精度要求高，鋪設(shè)狀態(tài)良好。

不足之處在于：橫向剛度略有不足，同時(shí)備品備件周期長，養(yǎng)護(hù)維修成本高。

3 結(jié)論與展望

梁端伸縮裝置，一般與鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器配合使用，根據(jù)橋梁的伸縮范圍進(jìn)行選型。目前，國內(nèi)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)水平已趨于成熟，但是梁端伸縮裝置與鋼軌伸縮器成套的研制和運(yùn)營實(shí)際業(yè)績較少。近年來，隨著國內(nèi)伸縮調(diào)節(jié)器和梁端伸縮裝置研制技術(shù)水平的不斷提高，我國已經(jīng)具備了完全自主研制的條件。

武漢天興洲長江大橋是世界上較大的公鐵兩用橋，鐵路橋上采用了國內(nèi)自主研發(fā)的箱形結(jié)構(gòu)梁端伸縮裝置，基本能夠滿足使用要求，存在的主要問題在于橋梁伸縮時(shí)梁端伸縮裝置的伸縮阻力較大，需要進(jìn)一步研究小阻力扣件及活動(dòng)扣件的減摩效果，同時(shí)需要對軌道的鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)提出更高的要求，以降低伸縮阻力。

南京大勝關(guān)長江大橋是世界首座六線鐵路大橋，其主跨336 m的長度名列世界同類高速鐵路橋之首，鐵路梁端伸縮裝置采用了BWG公司生產(chǎn)的支撐梁式梁端伸縮裝置，其質(zhì)量穩(wěn)定，養(yǎng)護(hù)維修工作量小，缺點(diǎn)是備品備件成本高昂。

銅陵長江大橋是一座公鐵兩用橋，是合肥—廬江—銅陵鐵路和銅陵至巢湖高速公路的過江通道。鐵路按4條鐵路復(fù)線建設(shè)，其中，京?？瓦\(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，由于建設(shè)工期的要求，選用了BWG公司生產(chǎn)的支撐梁式梁端伸縮裝置。

從現(xiàn)場使用的效果以及國外使用經(jīng)驗(yàn)看，支撐梁式梁端伸縮裝置更適合我國鐵路的運(yùn)營條件，目前與國外產(chǎn)品的差距在于制造精度和鋪設(shè)精度方面[12]，我國只要在滑動(dòng)扣件的制造精度、耐候性、鋪設(shè)精度等方面進(jìn)行提升，同時(shí)配套完善相關(guān)的制造標(biāo)準(zhǔn)及鋪設(shè)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)行車要求，完全能夠?qū)崿F(xiàn)梁端伸縮裝置的自主化。

近年來，中國鐵路總公司在梁端伸縮裝置的自主研發(fā)方面做了大量工作，多次立專項(xiàng)進(jìn)行研制，其中武漢天興洲長江大橋、銅陵長江大橋客貨混運(yùn)線路就是在這種背景下自主研制的梁端伸縮裝置。隨著國內(nèi)自主研發(fā)的端伸縮裝置的不斷總結(jié)改進(jìn)，我國自主研制的梁端伸縮裝置一定能夠完全取代進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)高速道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、梁端伸縮裝置全部自主化。

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Approach to Structural Features of Telescopic Devices at Beam Ends of Railway Bridge

FEI Wei-zhou

(China Railway Baoji Bridge Group Co.， Ltd.， Baoji， Shaanxi 721006， China)

Telescopic devices at beam ends of railway bridges are important attachments to large span bridges. That should be provided with functions of sliding and support to insure track continuity and smoothness. In this paper， structural features， operating mechanics and performances of various domestic telescopic devices at beam ends of railway bridges are analyzed and compared to improve domestic self-developed telescopic devices. To achieve full independent development of the devices， not only foreign advanced technologies and experiences need to be absorbed， but also the manufacturing accuracy and manufacturing level need to be improved．

Railway bridge; Telescopic device at beam end; Beam joint; Support beam; Steel sleeper; Small resistance fastener

2014-10-10；

2014-11-02

費(fèi)維周(1977—)，男，高級工程師，1999年畢業(yè)于石家莊鐵

1004-2954(2015)07-0060-06

U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.014

道學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。