鐵路鋼桁梁橋溫度調(diào)節(jié)器設(shè)置及維護管理研究

周　杰神華準能大準鐵路公司，內(nèi)蒙古薛家灣　010300

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鐵路鋼桁梁橋溫度調(diào)節(jié)器設(shè)置及維護管理研究

周杰
神華準能大準鐵路公司，內(nèi)蒙古薛家灣010300

摘要無縫線路是軌道現(xiàn)代化的一項重要技術(shù)措施，具有行車平穩(wěn)、減少養(yǎng)護維修工作量、延長設(shè)備使用壽命、提高旅客舒適度等優(yōu)點，可以大大降低輪軌撞擊所產(chǎn)生的振動、噪聲等環(huán)境污染。另外，鋼桁梁橋在溫度跨度等于100m時，因鋼梁伸縮和活載影響將產(chǎn)生20mm～40mm的軌縫，由于梁、軌的材質(zhì)不同，在溫度變化因素作用下的縱向變形也不同，縱向變形受到限制時就會轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力。如果鋼軌所承受的內(nèi)應(yīng)力與其他各種應(yīng)力疊加后超過鋼軌的容許應(yīng)力，將會影響到軌道的安全性、穩(wěn)定性，危及行車安全。解決這一問題的措施之一是鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。以阻斷無縫線路鋼軌伸縮對橋梁梁體及墩臺狀態(tài)的影響，確保行車安全。本文以大準鐵路黃河特大橋為例，對既有鋼桁梁橋上無縫線路進行檢算，為橋上無縫線路的設(shè)計和施工提供技術(shù)支持，同時也為設(shè)備使用單位的日常檢查和安全管理提供參考。

關(guān)鍵詞無縫線路；鋼桁梁；溫度力；伸縮力；撓曲力；縱向力

1　既有設(shè)備情況

黃河特大橋位于大準線DK223+136.67—DK223+771.09之間，為單線橋。橋跨組成為：大（同）方臺+9×32m混凝土簡支梁+（96+132+96）m下承式鋼桁梁橋+薛（家灣）方臺。本橋位于平坡、直線段，在大同側(cè)橋臺路基線路為R=800m曲線，在準旗側(cè)橋臺路基線路為曲線半徑R=600m的黃河隧道?；炷亮汗潭ㄖё诖笸较?，鋼桁梁固定支座在10號墩（如圖1）。

1.1橋上無縫線路布置和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器位置

橋上既有軌道為：鋼軌為60kg/m、U71鋼軌，在鋼桁梁的兩梁端處各設(shè)置一組單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器尖軌朝梁外方向，基本軌與混凝土梁及薛方臺路基長鋼軌焊聯(lián)。本橋所處地區(qū)歷年最高氣溫為38℃，最低氣溫為-30.9℃。路基無縫線路設(shè)計鎖定軌溫范圍為20±5℃?；炷亮很壍啦捎糜胁?、Ⅲ混凝土橋枕、彈條Ⅱ型扣件，鋼桁梁采用木枕、彈條剛性扣件。

1.2鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器參數(shù)

本橋共采用2組鋼軌溫度調(diào)節(jié)器，產(chǎn)品圖號為研線0618（09），允許伸縮量1000mm。

2　無縫線路溫度力

2.1設(shè)計鎖定軌溫

2.1.1允許溫升

1）計算參數(shù)

曲線半徑：直線

軌枕布置：1840根/km

鋼軌附加縱向壓力：0kN/軌鋼軌類型：60kg/m

圖1

圖3　不等變形波長理論及計算公式

軌道橫向阻力型式：Ⅱ型枕（B1840）、曲線半徑R ＞800m

兩股鋼軌橫向阻力表達式(N/cm)：Q=23.0-63.0y^1.2+106.0(1/2.5)N/cm，阻力曲線如圖4所示。軌枕橫移2mm的阻力值，R=3.8kN/枕，r=7.0kN/m。

初始彎曲波長L0=7.2m，初始彎曲矢度f0=7.2mm，允許橫向變形[f]=0.2mm。

圖2　道床橫向阻力曲線

2）計算結(jié)果

采用不等變形波長理論，其計算模型及計算公式如圖3所示。

用不同的變形矢度f值進行疊代，TDS3.2計算得到：

1股鋼軌允許壓力[P]=960.5kN/軌

允許溫升[ΔTu]=50.0℃臨界溫升Pk=95.3℃

安全系數(shù)K=1.9

2.1.2允許溫降

1）計算參數(shù)

荷載類型：前進型QJ蒸汽機車，速度：80km/h

鋼軌類型：60kg/m。

考慮軌頭磨耗參數(shù)，鋼軌截面面積A=7.745E-3m^2，對水平軸慣性矩I_x=2.892E-5m^4，截面模量Wg=-3.78E-4m^3，鋼軌允許應(yīng)力[σ]=300.0MPa。

軌枕布置：1840根/km，曲線半徑R=直線，支承剛度D=30kN/mm。

速度系數(shù)α＝0.640，偏載系數(shù)β=0.000，橫向水平力系數(shù)f=1.250，橋上鋼軌附加縱向力ΔP=0.0kN。

2）計算結(jié)果

采用TDS計算得到軌底動彎應(yīng)力分布如圖4所示，動載系數(shù)Kd=1+α+β=1.640，綜合動載系數(shù)Zd=(1+α+β)f=2.050。鋼軌允許溫降[ΔTd]=76.2 ℃，由強度允許溫降決定。

2.1.3設(shè)計鎖定軌溫范圍

1）計算參數(shù)

地區(qū)：大淮線黃河特大橋，最高軌溫Tmax=58℃，最低軌溫Tmin=-30.9℃，允許溫升[ΔTu]=50.0℃，允許溫降[ΔTd]=76.2℃，鎖定軌溫上下限幅度ΔTs=±5℃。

2）計算結(jié)果

中和溫度Te按下式計算：

修正值ΔTk=-6.6℃。

計算得到，中和溫度Te=20℃，設(shè)計鎖定軌溫范圍Ts=20±5℃，即：15℃～25℃。

最大溫升幅度ΔTumax=43.0℃<=[ΔTu]，最大溫降幅度ΔTdmax＝55.9℃<=[ΔTd]。

校驗結(jié)果：合格！

2.2斷縫檢算

2.2.1計算參數(shù)

鋼軌類型：60kg/m，鋼軌溫降△Td=-43℃，有碴軌道，斷縫允許值[λ]=8cm，線路阻力區(qū)段如圖5所示。

圖5　斷縫計算圖

2.2.2計算結(jié)果

左側(cè)斷縫λ1＝2.4cm，右側(cè)斷縫λ2=2.4cm。

斷縫λ=λ1+λ2

=4.8cm <= [λ]合格

2.3橋上無縫線路縱向力

2.3.1伸縮力

圖6　混凝土梁伸縮力模型

1）混凝土梁橋

如圖9所示，建立混凝土梁伸縮力模型。采用BCWR5.0計算，計算得到墩臺承受無縫線路伸縮力T1的值如下表所列，鋼軌縱向力及梁軌位移如圖7所示，鋼軌縱向力及墩臺T1分布如圖8所示。由此得到，混凝土梁固定墩最大T1出現(xiàn)在伸縮區(qū)的起點，即T1＝249.6kN/軌（計算疊代誤差原因，計算結(jié)果為254.2kN/軌），伸縮區(qū)起點鋼軌截面最大縱向位移31.1mm（該值也是調(diào)節(jié)器的基本軌最大位移量）。

2）鋼桁梁橋

由于在鋼桁梁兩梁端各設(shè)置一組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，因此，鋼桁梁固定墩承受梁上長鋼軌伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3均為0。

但是，由于溫差影響，鋼桁梁內(nèi)長鋼軌在夏季和冬季存在溫度力。如圖9所示，夏季鋼軌最大溫升幅度為43℃時的鋼桁梁內(nèi)長鋼軌溫度力（壓力）分布。由此可見，在橋梁中部鋼軌最大溫度壓力為345.4kN/軌。同樣可以得到，冬季鋼軌最大溫降幅度為-55.9℃時的長鋼軌溫度力（拉力）分布，如圖10所示。由此可見，在橋梁中部鋼軌最大溫度壓力為592.6kN/軌。

因此，工務(wù)部門在鋼桁梁內(nèi)進行抬道作業(yè)時，同樣應(yīng)遵守允許軌溫作業(yè)條件。

圖9　43℃時的鋼桁梁內(nèi)長鋼軌溫度力（壓力）分布

圖10　－55.9℃時長鋼軌溫度力（拉力）分布

2.3.2撓曲力

由于在鋼桁梁兩梁端各設(shè)置一組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，因此，鋼桁梁固定墩承受梁上長鋼軌伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3均為0。故在此略去鋼桁梁撓曲力計算。

混凝土梁伸縮區(qū)：

從5.1伸縮力計算可知，伸縮區(qū)由伸縮力控制，因此，以下計算固定區(qū)撓曲力。如圖11所示，建立撓曲力計算模型。采用BCWR5.0計算得到各墩承受撓曲力如下表所列。

由此得到固定區(qū)車前撓曲力T2＝110.2kN/軌。圖12、圖13分別為鋼軌撓曲力及各墩T2分布。

圖11　撓曲力計算模型

圖12　鋼軌撓曲力

圖13　各墩T2分布

2.3.3斷軌力

由于在鋼桁梁兩梁端各設(shè)置一組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，因此，鋼桁梁固定墩承受梁上長鋼軌伸縮力T1、撓曲力T2、斷軌力T3均為0。

混凝土梁伸縮區(qū)不計斷軌力，即T3＝0。固定區(qū)斷軌力為滿孔線路阻力，即T3＝32×8.8＝281.6kN/軌。

2.3.4制動力

由于本橋為單線橋，制動力T4屬附加力，T4值按現(xiàn)行橋規(guī)取梁上滿孔（聯(lián)）一線列車靜載的10%，且T4已在橋梁設(shè)計中檢算過，故在此不再進行檢算。

2.3.5縱向力小結(jié)

從以上計算可以得到混凝土梁固定墩縱向力如表1所示。

表1　混凝土梁固定墩縱向力

2.3.6墩頂縱向力組合

采用BCWR軟件計算，得到墩頂縱向力組合如下。1）伸縮區(qū)

按“主力”檢算，取δ=1，組合值為：2股鋼軌伸縮力傳遞，F(xiàn)1=499.2kN。

2）固定區(qū)

（1）按“主力”檢算，取δ=1，組合值為：

2股鋼軌撓曲力傳遞，F(xiàn)1=220.4kN。

（2）按“主力+特殊荷載”檢算，取δ=1.35，組合值為：

1股鋼軌撓曲力，另1股鋼軌斷軌力傳遞，F(xiàn)3=391.8kN。

2.4橋墩檢算

選取伸縮區(qū)較不利的固定墩8#墩進行檢算，8#墩為空心墩，墩底空心截面為較不利截面，因此檢算該截面應(yīng)力。

2.4.1荷載

墩頂承受左右兩側(cè)32m梁的恒載相同，即N1＝N2 ＝1147.3kN。

根據(jù)《豐鎮(zhèn)至準格爾線黃河特大橋施工設(shè)計4、5、6、7、8橋墩詳圖》，8號墩墩帽及墩身空心部分的鋼筋及混凝土重為：

N3=126.8×25+(338.6-24.1)×25

=11032.5kN

8#墩頂無縫線路縱向力：F1=499.2kN。

2.4.2墩底空心截面計算

圖14

墩底空心部分截面如圖14所示，b＝4.63m，h＝5.22m，a＝0.04m。

墩身采用250號鋼筋混凝土，n＝15，彈性模量Eh＝2.9×107kN/m2。鋼筋為A3鋼，其允許應(yīng)力 [σg] ＝130MPa。

該截面至墩頂高H＝0.36+2.1+47-6=43.46m。圖附1-1所示鋼筋面積為：

Ag＝Ag1＋Ag2

＝30×π×（0.012）2/4＋32×π×（0.012）2/4

=3.39×10-3＋3.62×10-3

＝7.01×10-3m2

混凝土面積為：

Ah＝5.22×4.63－4.22×3.63

＝8.85m2

配筋率μ＝Ag/Ah＝7.92×10-4A0＝Ah＋nAg

＝8.85＋15×7.01×10-3

＝9.0m2

＝54.9＋0.34

＝55.2m4

y＝h/2＝2.61m

2.4.3截面應(yīng)力檢算

截面垂直荷載N＝N1＋N2＋N3＝1147.3＋1147.3＋11032.5＝13327.1kN

F1作用下截面彎矩MF1＝F1×H＝499.2×43.46 ＝21695.2 kN.m

支座反力偏心矩MR＝0

截面荷載彎矩M＝MF1＋MR＝21695.2kN.m

計算偏心增大系數(shù)η：

＝1.01

考慮彎曲后的偏心距e＝ηe0＝1.01×1.6＝1.6m

根據(jù)橋規(guī)，截面混凝土壓應(yīng)力σh按下式計算：

＝2509.0 kN/m2

＝2.5MPa

<[σW]=9MPa

鋼筋應(yīng)力σg按下式計算：

＝37363.1 kN/m2

＝37.4MPa

<[σg]＝130MPa

＝1512.5 kN/m2＝1.5MPa

<[σa]=7MPa

因此，在主力F1作用下，8號墩墩底空心截面混凝土、鋼筋應(yīng)力和穩(wěn)定性均合格。

3　設(shè)有溫度調(diào)節(jié)器的無縫線路養(yǎng)護維修注意事項

無縫線路在鋼桁梁的兩梁端各設(shè)置了一組單向調(diào)節(jié)器，與調(diào)節(jié)器基本軌焊聯(lián)的長鋼軌在一定范圍內(nèi)處于無縫線路伸縮區(qū)。防止無縫線路脹軌跑道、防止軌道爬行、以及確保鋼軌調(diào)節(jié)器的安全使用是本橋無縫線路養(yǎng)護維修的重點。為此，線路養(yǎng)護部門應(yīng)注意以下幾點。

包括混凝土梁范圍和鋼桁梁范圍內(nèi)的長鋼軌，在冬、夏季節(jié)均存在較大的溫度力，養(yǎng)護維修工作應(yīng)嚴格按照有關(guān)無縫線路的作業(yè)允許軌溫進行作業(yè)。

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

在橋上無縫線路在冬、夏季節(jié)應(yīng)加強無縫線路的位移觀測。

4）橋臺外線路應(yīng)加強鎖定，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。

4　結(jié)論

本文在認真分析大準鐵路黃河特大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置條件及依據(jù)的基礎(chǔ)上，詳細的分析了鋼桁梁橋上無縫線路受力的特點、特性，通過數(shù)據(jù)演算，明確了無縫線路鋼桁梁橋上設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器的必要性和可行性。

參考文獻

[1]鐵路橋隧建筑物大修維修規(guī)則.

[2]對稱連續(xù)梁橋上無縫線路最大溫度跨度適應(yīng)性研究.鐵道工程學(xué)報，2013(10).

[3]鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)與布置研究，2011.

中圖分類號TG

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2015）155-0060-05