高速鐵路大跨度橋梁梁端板式無砟軌道設(shè)計研究

楊靖東

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

高速鐵路大跨度橋梁梁端板式無砟軌道設(shè)計研究

楊靖東

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

嚴寒地區(qū)高速鐵路大跨度橋梁梁端扣件間距超限問題比較普遍，通過梁端無砟軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形分析，確定梁端扣件間距的最大限值，提出橋梁預(yù)延長、道床懸出梁端及減少軌道板端部扣件間距的設(shè)計措施，并通過哈大客運專線的典型工點，介紹梁端無砟軌道設(shè)計。結(jié)果表明，該設(shè)計措施簡單實用，可解決大跨度橋梁梁端大扣件間距達1 000 mm的問題。

嚴寒地區(qū)；高速鐵路；無砟軌道；扣件間距；設(shè)計

1 概述

哈大客運專線沈陽至哈爾濱段為我國在嚴寒地區(qū)修建的首條高速鐵路，最高設(shè)計速度350 km/h， 線路長480.3 km，橋梁所占的比例為77%，大跨度橋梁廣泛應(yīng)用，正線主要鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道，道岔區(qū)及伸縮調(diào)節(jié)器地段鋪設(shè)軌枕埋入式無砟軌道。

嚴寒地區(qū)極端氣溫低、年溫差大，大跨度橋梁收縮徐變和伸縮位移較大，梁端位移不僅對軌道板的穩(wěn)定性和扣件受力產(chǎn)生不利影響[1-2]，而且造成梁縫處無砟軌道扣件間距超限，影響梁端軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和線路的平順性[3]。

目前國內(nèi)高速鐵路主要采用抬枕裝置或過渡板結(jié)構(gòu)解決大梁縫處扣件間距過大問題[4-5]，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，造價較高，采用的特殊軌道部件制造施工難度大，維修更換不便。通過分析橋梁變形特性及梁端軌道結(jié)構(gòu)的受力特點，提出了簡單經(jīng)濟的梁端無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計措施。

2 梁縫處扣件間距增大的原因

2.1 扣件間距增大的主要原因

(1)設(shè)計梁縫寬度較大。嚴寒地區(qū)溫差較大，一般簡支梁設(shè)計梁縫寬度為100 mm，梁縫處扣件間距為621～637 mm，大跨度橋梁梁縫較大，一般為150～200 mm，個別達到250 mm，扣件間距最大增加150 mm，達到771 mm。

(2)溫度變化引起的橋梁伸縮。本項目沿線年溫差為70～80 ℃，極端最低溫度為-39.9 ℃，隨著溫度變化梁體發(fā)生伸縮變形，大跨度橋梁溫度降低引起的最大梁縫增加62～122 mm。

(3)混凝土橋梁收縮徐變。高速鐵路混凝土橋梁采用預(yù)應(yīng)力箱梁，橋梁收縮徐變引起橋梁縮短，梁縫處扣件間距相應(yīng)增大。大跨度橋梁收縮徐變引起的梁縫增大約為28～100 mm。

(4)曲線地段梁縫外側(cè)開口增大。大跨度橋梁相鄰的簡支梁為直線梁，曲線外側(cè)梁縫開口較大，引起線路外側(cè)扣件間距相應(yīng)增加，如32 m簡支梁在半徑為7 000 m曲線上單側(cè)需增加21 mm。

(5)現(xiàn)場橋梁施工誤差引起梁縫增大。

2.2 梁縫處最大扣件間距

梁縫增大是引起梁端扣件間距增大的主要原因，考慮上述因素的不利影響，本項目大跨度橋梁梁縫處可能的最大扣件間距為727～999 mm，見表1。

表1 大跨度橋梁梁端最大扣件間距 mm

3 梁縫處無砟軌道扣件間距控制措施研究

3.1 增大梁縫處扣件間距限值

高速鐵路無砟軌道扣件間距通常不大于650 mm[6]，大跨度橋梁梁縫處扣件間距普遍較大，對軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形影響較大，而減少扣件間距需要采取一定的工程措施，因此，確定經(jīng)濟合理的梁端扣件間距控制值十分重要。

結(jié)合國內(nèi)外研究及應(yīng)用情況[7-10]，通過梁端軌道結(jié)構(gòu)的受力及變形分析，隨著扣件間距彈性擠開量的增大，梁端鋼軌強度、撓度、斷軌時及扣件上拔力和下壓力增大，根據(jù)表2計算結(jié)果，鋼軌撓度和斷軌時彈性擠開量是扣件間距增大的主要控制因素，梁縫處扣件間距為725 mm時，鋼軌撓度及斷軌時鋼軌彈性擠開量已接近允許值，考慮一定的安全儲備，確定梁縫處最大扣件間距按725 mm控制。

表2 不同扣件間距時軌道靜力檢算

注：鋼軌撓度允許值為1.5 mm， 斷軌時鋼軌彈性擠開量允許值為8.8 mm。

3.2 減小軌道板端部至最外端扣件距離

CRTSⅠ型板式無砟軌道標(biāo)準(zhǔn)軌道板最外端扣件至端部的距離為260 mm或268.5 mm，經(jīng)檢算梁端軌道板最外端扣件至端部的距離可減小至225 mm，如圖1所示，梁縫兩側(cè)軌道板均采用該措施可減小梁縫處扣件間距70 mm。

圖1 減小軌道板端部扣件間距(單位：mm)

3.3 軌道板懸出梁端

通常軌道板與梁端對齊設(shè)置，通過軌道板及底座懸出梁端一定距離可達到減小梁縫的作用，如圖2所示，軌道板懸出梁端的長度即為扣件節(jié)點間距減小的數(shù)值。經(jīng)底座混凝土抗剪強度分析，軌道板懸出梁端的最大長度按80 mm控制。結(jié)合梁縫寬度及變化，大跨度連續(xù)梁端部軌道板懸出梁端長度應(yīng)小于80 mm，簡支梁側(cè)軌道板懸出梁端的長度不宜大于30 mm。為了提高底座混凝土的抗剪強度，懸出梁端的長度大于30 mm時，梁端底座設(shè)置縱向加強鋼筋。

圖2 軌道板懸出梁端(單位：mm)

考慮溫度變化、橋梁實際變形及施工誤差對梁縫寬度的影響，無砟軌道施工時應(yīng)根據(jù)實測橋梁溫度及梁縫寬度計算底座懸出梁端長度，保證低溫季節(jié)梁縫處扣件間距不超過最大控制值，高溫季節(jié)梁縫兩側(cè)軌道板不頂嚴，并有一定的安全距離。

3.4 橋梁預(yù)延長

高速鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁收縮徐變不僅引起橋梁上拱，影響軌道的平順性[11-12]，同時也造成梁縫處扣件間距增大。為了平衡收縮徐變引起的橋梁縮短，梁縫增大，施工時可根據(jù)預(yù)測的橋梁收縮量相應(yīng)預(yù)延長梁長，通常橋梁越長，設(shè)計的預(yù)延長量越大，通過該措施基本可消除橋梁收縮徐變引起的梁縫處扣件間距增大。

混凝土橋梁的收縮徐變主要發(fā)生在硬化早期[13]，并隨時間逐漸發(fā)展，因此鋪軌前應(yīng)使收縮徐變變形充分發(fā)展，一般應(yīng)在梁體施工6個月以上再施工無砟軌道，確保橋上鋪設(shè)軌道后殘余變形控制在較低水平。

4 大跨度橋梁梁端無砟軌道設(shè)計

哈大客運專線沈哈段共有168 處大跨度橋梁縫處扣件間距超限，根據(jù)不同跨度橋梁的最大梁縫值，采用橋梁預(yù)延長的設(shè)計措施后，50處需要采用減小道床端部扣件間距的非標(biāo)準(zhǔn)軌道板，僅4處需要采取底座懸出的措施，較好解決了梁縫處無砟軌道扣件間距過大問題，處理措施簡單適用。

以第二松花江特大橋主跨(48+5×80+48) m連續(xù)梁為例說明大梁縫處無砟軌道扣件間距控制措施，該連續(xù)梁聯(lián)長約497.5 m，兩端各設(shè)置1組單向鋼軌伸縮縫調(diào)節(jié)器，相鄰梁跨為32 m簡支梁，設(shè)計梁縫為25 cm，連續(xù)梁固定支座遠端低溫最大收縮位移為100 mm，收縮徐變最大為122 mm，梁端可能的最大扣件間距為999 mm，遠大于控制標(biāo)準(zhǔn)。通過對該連續(xù)梁固定支座遠端預(yù)延長122 mm、底座懸出70 mm、梁端扣件距軌道板邊緣的距離采用232.5 mm；同時簡支梁端底座懸出20 mm、梁端軌道板端部至最外端扣件的距離減小至225.5 mm，如圖3所示。通過上述綜合設(shè)計措施，梁縫處可能的最大扣件間距為718 mm，滿足設(shè)計要求。

圖3 梁端無砟軌道設(shè)計措施(單位：mm)

5 結(jié)語

嚴寒地區(qū)高速鐵路大跨度橋梁縫處無砟軌道扣件間距超限的問題較為普遍，通過確定梁縫處合理的扣件間距限值，采用橋梁預(yù)延長、軌道板懸出梁端及減小軌道板端部扣件間距的綜合設(shè)計措施，可解決常用的大跨度橋梁梁縫處最大扣件間距達1 000 mm的情況。該措施利用橋梁的變形特性及軌道的構(gòu)造特點，避免采用特殊的軌道部件和材料，結(jié)構(gòu)簡單可靠，耐久性好，造價較低，維護方便，應(yīng)用效果良好，可為同類工程提供參考。

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Design of Ballastless Track at Beam End on Long Span Bridges of High-speed Railway

YANG Jing-dong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

The space between fastenings at beam end often exceeds limit on long span bridge of high-speed railway in severe cold region. Through stress and deformation analysis of beam-end ballastless track structure， the paper determines the maximum limit of space between fastenings at beam end， presents design measures including lengthening beam in advance， overhanging track slab out of beam end and reducing the space between fastenings at track slab end. With reference to a typical project on Harbin-Dalian dedicated passenger line， the paper addresses the design of ballastless track at beam end. The research results show that the design measures are simple and practical to maximize the space between fastenings up to 1000 mm at the beam end on long span bridges.

Severe cold region; High speed railway; Ballastless track; Space between fastenings; Design

2015-03-11；

2015-03-20

鐵道部科技開發(fā)計劃項目(2009G001-B)

楊靖東(1973— )，男，高級工程師，1998年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:yangjingdong@21cn.com。

1004-2954(2015)11-0023-03

U238； U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.006