大跨度鋼橋軌道設(shè)計(jì)方案的研究

高增增

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

大跨度鋼橋軌道設(shè)計(jì)方案的研究

高增增

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

大跨度鋼橋與混凝土橋相比對(duì)軌道結(jié)構(gòu)要求較高，軌道結(jié)構(gòu)形式可采用碎石道床、板式無(wú)砟軌道、木枕等，這幾種軌道結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)缺點(diǎn)。合成板式軌道是一種新型軌道結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、彈性好，能減輕振動(dòng)和噪聲，生產(chǎn)、施工容易等特點(diǎn)，在大跨度鋼橋上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。本文對(duì)既有鋼橋的幾種軌道結(jié)構(gòu)與合成板式軌道的優(yōu)缺點(diǎn)作了闡述，提出了合成軌道板的設(shè)計(jì)方案。

鋼橋；無(wú)砟軌道；合成板式軌道；構(gòu)造方案；應(yīng)力計(jì)算

1　鋼橋橋面系對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的要求

大跨度鋼橋的軌道結(jié)構(gòu)形式可采用碎石道床、板式無(wú)砟軌道等，鋼橋的橋面形式對(duì)軌道結(jié)構(gòu)形式的選取至關(guān)重要。鋼橋橋面形式主要有3種：鋼混結(jié)合橋面（混凝土橋面），即在鋼橋頂面鋪設(shè)一層混凝土板作為軌道基礎(chǔ)，這種橋面對(duì)軌道的技術(shù)要求及采用的軌道形式基本與普通混凝土橋一致；明橋面，即橋面采用縱橫梁體系，通常鋼軌通過(guò)扣件與木枕聯(lián)結(jié)，木枕再與鋼梁聯(lián)結(jié)；鋼橋面，即在梁體構(gòu)架體系頂面鋪設(shè)一層鋼板，其上再鋪設(shè)軌道結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)可采用碎石道床軌道、板式軌道、梯形軌枕軌道、減振墊浮置板軌道等。

與混凝土橋不同，對(duì)大跨度鋼橋而言，軌道結(jié)構(gòu)除要求具有基本的安全性、可靠性、平穩(wěn)性之外，還應(yīng)滿足以下5方面的特殊技術(shù)要求：

1）要求軌道結(jié)構(gòu)高度盡量低、自重盡量輕，以盡量降低橋梁恒載，減少纜索及橋梁構(gòu)件綜合造價(jià)。

2）要求橋面與軌道之間的聯(lián)結(jié)有效可靠，以確保線路的安全和穩(wěn)定。

3）要求軌道具有良好的減振性能，一方面減少列車運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損害并避免引起軌旁附屬設(shè)施如電纜托架等的松動(dòng)，另一方面降低鋼橋的二次結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)車內(nèi)乘客及沿線環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。

4）要求軌道具有良好的變形適應(yīng)能力及調(diào)整能力，以適應(yīng)大跨度鋼橋較大的垂向及橫向動(dòng)態(tài)變形、梁端伸縮量、轉(zhuǎn)角以及運(yùn)營(yíng)期間的各種變形。

5）要求軌道結(jié)構(gòu)自身方便維修更換，同時(shí)也不影響橋梁結(jié)構(gòu)的檢查、維修作業(yè)。

2　大跨度鋼橋既有軌道結(jié)構(gòu)形式

2.1碎石道床

碎石道床是鋼橋面上較常用的一種軌道結(jié)構(gòu)，即在橋面鋪設(shè)一層鋼筋混凝土層，其上鋪設(shè)碎石道床（圖1）。武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、重慶至利川鐵路涪陵韓家沱長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋及滬漢蓉高鐵等橋，都采用碎石道床。

圖1　鋼橋上的碎石道床

碎石道床具有一定的減振降噪效果，工程造價(jià)較低，施工、養(yǎng)護(hù)維修等方面經(jīng)驗(yàn)成熟，軌道幾何狀態(tài)調(diào)整方便，但碎石道床自重較大（約50.4kN/m·線），軌道結(jié)構(gòu)高度較大，橋面被道砟覆蓋，橋面系檢查和維修困難。

2.2混凝土板式無(wú)砟軌道

混凝土板式軌道即在鋼橋面（或明橋面）鋪設(shè)，采用螺栓將預(yù)制軌道板與橋梁聯(lián)結(jié)，為保證鋪設(shè)精度，在軌道板下設(shè)可調(diào)整的墊層（圖2）。板式軌道在鐵路鋼橋上應(yīng)用也有較多的工程實(shí)例，如香港青馬大橋、德國(guó)克爾萊茵橋（131.12m+107.28m連續(xù)鋼桁橋）、俄羅斯圣彼得堡橋、中俄鐵路同江特大橋主橋（鋼桁架）等均采用了板式軌道。

軌道板為預(yù)制混凝土板，施工、養(yǎng)護(hù)維修、軌道幾何狀態(tài)調(diào)整方便，但自重較大（約33.4kN/m·線），混凝土結(jié)構(gòu)板容易產(chǎn)生裂縫而影響結(jié)構(gòu)耐久性。

2.3明橋面木枕（合成軌枕）軌道結(jié)構(gòu)

我國(guó)在鋼桁梁明橋面上主要使用木枕（圖3），少部分城市軌道交通鋼桁梁明橋面上采用合成軌枕。合成軌枕是以一種高分子材料為主要成分，通過(guò)成型板壓縮粘接制造而成的軌枕。

圖2　同江特大混凝土橋板式軌道（單位：mm）

圖3　明橋面木枕軌道結(jié)構(gòu)

明橋面木枕（或合成軌枕）軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，軌道自重?。s4.5kN/m·線），軌道幾何狀態(tài)主要通過(guò)扣件調(diào)整。木枕（合成軌枕）為單枕式結(jié)構(gòu)，軌枕與鋼橋縱橫梁通過(guò)螺栓聯(lián)結(jié)，結(jié)構(gòu)整體性較差，施工、養(yǎng)護(hù)維修工作量大。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，我國(guó)下承式鋼梁橋上鋪設(shè)木枕破損嚴(yán)重，更換周期短，養(yǎng)護(hù)維修代價(jià)高。合成軌枕在防腐蝕性和耐久性方面優(yōu)于木枕。

3　合成板式軌道結(jié)構(gòu)

合成板式軌道主要材料和制造工藝與合成軌枕類似，是利用硬質(zhì)聚氨酯樹(shù)脂、玻璃增強(qiáng)纖維等高分子材料加工制作而成的替代混凝土的一種新型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。它結(jié)合了彈性材料和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，拓寬了軌道材料的選用范圍。合成板式軌道有眾多優(yōu)點(diǎn)：如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、彈性柔韌及抗裂性能好，能減輕振動(dòng)和噪聲；防腐蝕性和耐久性好，能保持50年以上的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；自重輕（合成道床自重約5.6kN/m·線），約為同類型混凝土板式結(jié)構(gòu)重量的1/3，減少橋梁的二期恒載；軌道結(jié)構(gòu)高度明顯降低（可降到500mm左右）；合成板式軌道應(yīng)用范圍廣，耐高溫和嚴(yán)寒，可在環(huán)境溫度為-45～70℃的環(huán)境下應(yīng)用；合成板式軌道為預(yù)制結(jié)構(gòu)，可工廠化生產(chǎn)，制作工期短，現(xiàn)場(chǎng)安裝施工容易；合成軌道板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了軌道結(jié)構(gòu)的整體性，養(yǎng)護(hù)維修方便。

合成軌道板與混凝土板相比，材料強(qiáng)度限值有了很大的提高，沿纖維方向的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到100MPa，其它方向的抗拉強(qiáng)度也能達(dá)到15MPa。

合成板式軌道（圖4）主要由鋼軌、彈性扣件、合成軌道板、樹(shù)脂砂漿調(diào)整層和連接裝置等部分組成。

圖4　合成板式軌道結(jié)構(gòu)

軌道板與橋面系間設(shè)置樹(shù)脂砂漿調(diào)整層，作為施工誤差調(diào)整層，同時(shí)結(jié)構(gòu)填充層起到支持軌道結(jié)構(gòu)的作用。根據(jù)下部支承方式不同，可分為全支承、條狀支承等。軌道板設(shè)置連接螺栓與橋面相聯(lián)結(jié)，限制軌道的縱橫向位移。

4　合成板式軌道計(jì)算分析

4.1計(jì)算參數(shù)及模型

合成板式軌道計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

合成板式軌道的支承方式按全支承考慮，支承剛度為1000MPa/m，列車荷載按單個(gè)輪載170kN，單軸雙輪加載。

計(jì)算模型采用實(shí)體模型，即鋼軌看做梁?jiǎn)卧?，扣件采用離散彈簧模擬，軌道板采用實(shí)體單元模擬，軌道板與橋梁之間的支承作用通過(guò)彈簧單元模擬實(shí)現(xiàn)。為消除邊界的影響，模型選取3塊軌道板長(zhǎng)度，以中間位置軌道板為研究對(duì)象。

為評(píng)價(jià)合成軌道板的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，保持其他參數(shù)不變，對(duì)比混凝土軌道板（C60混凝土預(yù)制板），對(duì)兩種計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。

4.2計(jì)算結(jié)果

列車荷載作用下的軌道板結(jié)構(gòu)的受力如表2所示。

根據(jù)表2可知，合成軌道板在列車荷載作用下板底縱向拉應(yīng)力約為混凝土軌道板的66%，板底橫向拉應(yīng)力約為混凝土軌道板的82%，板底拉應(yīng)力降低較為明顯；板頂縱向壓應(yīng)力和板頂橫向壓應(yīng)力分別約為混凝土軌道板的91%和94%，板頂應(yīng)力變化不大。合成軌道板受到的縱橫向應(yīng)力明顯小于混凝土軌道板。

5　結(jié)論

合成板式軌道是一種新型軌道結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、柔韌好，能減輕振動(dòng)和噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度鋼橋上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，有一定的發(fā)展前景。

［1］劉丹，李培剛，肖杰靈.合成軌枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)垂向動(dòng)力特性分析［J］.鐵道建筑，2012（10）：122-125.

［2］王清蓮，肖杰靈，劉學(xué)毅.客運(yùn)專線合成軌枕式無(wú)砟軌道軌枕支承方式的研究［J］.路基工程，2011（4）：42-44.

［3］何燕平，周毅，楊榮山.合成軌枕式無(wú)砟軌道垂向受力影響參數(shù)分析［J］.鐵道建筑，2011（2）：94-97.

［4］劉玉祥，閆紅亮，管吉波.石太客運(yùn)專線板式無(wú)碴軌道兩種計(jì)算模型的對(duì)比分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007（11）：5-6.

［5］管吉波，劉玉祥.CRTSⅡ板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2008（增）：26-28.

AbstractCompared with concrete bridge，long span steel bridge has higher requirement for track structure.T rack structure may adopt ballast bed，slab ballastless track or wood sleeper.T hese track structures have their own advantage and disadvantages.As a new type of track structure，composite slab track outweighs other types when being applied to long span bridge，due to its high structural strength and elasticity.Also，it may reduce vibration and noise，and is easier for produce and construction.In this paper，advantages and disadvantages of existed track structures were introduced.T he design of composite track slab was proposed.

Research on Track Design Plan for Long Span Steel Bridge

GAO Zengzeng
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Tianjin 300142，China）

Steel bridge；Ballastless track；Composite slab track；Structure plan；Stress calculation

U443.31+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.28

1003-1995（2016）04-0111-03

（責(zé)任審編孟慶伶）

2015-12-21；

2016-02-16

高增增（1981—），男，工程師，碩士。