大跨度橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道病害分析與監(jiān)測研究

王森榮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

大跨度橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道病害分析與監(jiān)測研究

王森榮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

通過對我國大跨度橋上梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁縫處抬軌裝置的調(diào)研和現(xiàn)場實(shí)測,得出該區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)可出現(xiàn)的病害有軌道幾何形位保持不良、混凝土軌枕與鋼枕歪斜、混凝土軌枕拉裂、剪刀叉發(fā)生彎曲或扭曲、鋼枕或混凝土軌枕與梁端擋砟墻間頂死等。通過理論分析,得出病害發(fā)生的主要原因是由于軌排框架左右枕端道床阻力不等導(dǎo)致軌排變成平行四邊形,從而導(dǎo)致軌枕及懸掛式鋼枕發(fā)生歪斜,剪刀叉發(fā)生彎曲或扭曲,嚴(yán)重時(shí)還導(dǎo)致軌枕開裂。針對病害的預(yù)防和整治,提出應(yīng)對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)開展監(jiān)測,并詳細(xì)介紹監(jiān)測的內(nèi)容及方法。

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器；抬軌裝置；剪刀叉；病害分析；監(jiān)控測試

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要設(shè)備部件，能夠允許相鄰鋼軌的縱向相對位移保證正確的鋼軌導(dǎo)向和支撐[1-4]。根據(jù)無縫線路受力檢算，由于溫度的變化，長大連續(xù)梁橋上無縫線路將產(chǎn)生相當(dāng)大的鋼軌縱向力及位移，軌枕與道床之間的相對位移過大會破壞軌道的穩(wěn)定性，這種情況下在無縫線路上設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，能夠明顯改善橋梁和軌道的運(yùn)營狀態(tài)。隨著我國橋梁跨度的增加，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器伸縮量也越來越大，如天興洲長江大橋、大勝關(guān)長江大橋等目前其伸縮量已達(dá)1 200 mm(±600 mm)。同時(shí)大跨度橋梁由于梁縫較大，為滿足相關(guān)要求，還需要在梁縫處鋪設(shè)抬軌裝置。針對目前我國大跨度橋梁上鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及抬軌裝置地段，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和實(shí)測，對其運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行總結(jié)，對軌道病害原因進(jìn)行分析，并提出鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控測試的相關(guān)內(nèi)容。

1 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道鋪設(shè)情況

目前我國大跨度橋梁上鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器比較典型的有南京大勝關(guān)長江大橋、武漢天興洲長江大橋、銅陵公鐵兩用長江大橋等均鋪設(shè)了伸縮量為1200 mm的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，并在梁縫處設(shè)置了抬軌伸縮裝置。

圖1為大跨度鋼橋上鋪設(shè)了伸縮量為1 200 mm的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器尖軌長10.2 m、基本軌長15.15 m，處于伸縮量中間位置時(shí)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器整體結(jié)構(gòu)長17.55 m；尖軌設(shè)置在混凝土梁側(cè)，基本軌設(shè)置在鋼桁梁側(cè)。為保持梁縫處軌枕間距的均勻，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器內(nèi)設(shè)置交叉桿機(jī)械的抬軌裝置(簡稱“剪刀叉”)，梁端剪刀叉與梁縫兩側(cè)邊緣混凝土枕相連；在梁縫中設(shè)置2根懸掛式鋼枕，鋼枕懸掛在兩根縱向鋼梁下，采用扣板式扣件聯(lián)結(jié)；鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器在鋼桁梁上與混凝土梁上的軌枕兩端分別采用鋼板條縱聯(lián)。

當(dāng)梁縫變化時(shí)，通過剪刀叉的剪切運(yùn)動，使懸掛式鋼枕之間的間距、鋼枕與梁縫左右側(cè)邊混凝土枕的間距始終保持相等，以達(dá)到梁縫處扣件支點(diǎn)間距相等、支承剛度均勻的目的，確保剛度均勻、軌面平順。

圖1 大跨度鋼橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及抬軌裝置

2 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道運(yùn)營狀態(tài)

鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器相對其他無縫線路地段，軌道結(jié)構(gòu)較為薄弱，但總體來說目前運(yùn)營使用狀態(tài)良好，能夠滿足列車高速、安全運(yùn)行的要求。但是由于該區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)受力及梁軌相互作用復(fù)雜，對運(yùn)營養(yǎng)護(hù)要求非常高，稍有不慎就可能出現(xiàn)病害。根據(jù)目前我國大跨度鋼橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道運(yùn)營使用狀況調(diào)研，總結(jié)有以下病害。

2.1 鋼軌運(yùn)營情況

通過基本軌上伸縮移動痕跡可以得出我國目前主要幾座大跨度橋梁上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器1年內(nèi)單向行程：武漢天興洲長江大橋(主跨為98 m+196 m+504 m+196 m+98 m鋼桁斜拉橋)上基本軌根端為200 mm、尖軌尖端為20 mm；大勝關(guān)長江大橋(主跨為109.5 m+192 m+336 m+336 m+192 m+109.5 m連續(xù)鋼桁梁拱橋)上基本軌根端為200 mm、尖軌尖端為17 mm，如圖2所示。

在某大橋調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，4組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器在23號枕處的尖軌頂面光帶出現(xiàn)突變，如圖3所示。分析原因主要是該軌枕位置處基本軌伸縮過程中，其基本軌頂面略高于尖軌軌頂所造成。

圖2 尖軌爬行

圖3 尖軌頂面光帶異常

2.2 剪刀叉運(yùn)營情況

剪刀叉易出現(xiàn)不同程度的彎曲，在某次調(diào)研實(shí)測中其彎曲矢度達(dá)到2 mm，如圖4、圖5所示。剪刀叉彎曲一般出現(xiàn)在與混凝土連續(xù)梁梁端的第一根軌枕聯(lián)結(jié)的剪刀叉。剪刀叉彎曲或扭曲的同時(shí)，左右股鋼枕位移不同步、鋼枕歪斜，進(jìn)而可加劇剪刀叉的彎曲或扭曲，從而影響正常使用功能。

圖4 剪刀叉彎曲

圖5 剪刀叉扭曲

2.3 軌枕運(yùn)營情況

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器混凝土軌枕及梁縫處的鋼枕可出現(xiàn)歪斜，在某次調(diào)研中實(shí)測最大歪斜量達(dá)到21 mm，最大歪斜的軌枕一般為混凝土連續(xù)梁側(cè)離梁縫最近的軌枕。對于伸縮調(diào)節(jié)器軌枕兩端采用鋼板條縱聯(lián)的結(jié)構(gòu)，一旦軌枕發(fā)生歪斜，則聯(lián)結(jié)在一起的所有軌枕均出現(xiàn)歪斜。見圖6。

圖6 軌枕歪斜現(xiàn)場實(shí)測圖示

此外，近梁縫處的軌枕，當(dāng)伸縮量較大時(shí)，可導(dǎo)致混凝土軌枕被拉裂，裂紋一般從連接鋼板條的螺栓孔處開裂。見圖7。

圖7 軌枕拉裂

2.4 扣件運(yùn)營情況

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)尖軌一般采用常阻力扣件，基本軌采用小阻力或常阻力扣件。從目前的運(yùn)營維護(hù)來看，采用小阻力扣件對軌距擴(kuò)大的控制相對較弱。軌距一般在4、5、10、11月份的時(shí)候保持相對較好，但其他月份由于伸縮量值較大保持能力要差一些。

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)為了適應(yīng)鋼軌的縱向伸縮位移，扣件需要進(jìn)行持續(xù)養(yǎng)護(hù)。如針對某大橋伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)鋼軌件生銹，一般每隔1～2個(gè)月需不定期地進(jìn)行涂油(潤滑油)，從而保證其正常伸縮。

2.5 橋梁伸縮(支座位移)情況

大跨度橋梁梁縫變化(橋梁伸縮量)基本與調(diào)節(jié)器的鋼軌伸縮量相當(dāng)，如某鋼桁橋梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌和橋梁支座的縱向伸縮量現(xiàn)場實(shí)測分別為200 mm、206 mm。對于4線或6線橋梁，橋梁受溫度荷載影響還將發(fā)生較大的橫向位移。

2.6 軌道病害情況

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器范圍主要軌道病害[5-8]：

(1)軌道幾何形位保持不良，可產(chǎn)生軌向、軌距及軌距遞減不順等病害，其前后線路易產(chǎn)生高低、空吊、三角坑等病害；

(2)混凝土軌枕歪斜及拉裂：左右股鋼軌伸縮不同步，軌排成平行四邊形，調(diào)節(jié)器區(qū)域全部或部分軌枕易出現(xiàn)歪斜，特別是梁縫左右兩側(cè)的混凝土軌枕出現(xiàn)明顯的歪斜；當(dāng)變形受阻，或者歪斜量過大時(shí)，易導(dǎo)致軌枕(一般為梁縫兩側(cè)軌枕)開裂；

(3)在特定位置鋼軌踏面光帶不連續(xù)，出現(xiàn)跳躍；

(4)道床不夠飽滿，道床阻力較?。?/p>

(5)鋼軌和扣件生銹，扣件縱向阻力增大等。

梁端抬軌裝置主要病害：

(1)梁縫處鋼枕列車通過時(shí)變形較大；

(2)剪刀叉不能均勻軌枕間距，剪刀叉自身出現(xiàn)較大變形(彎曲或扭曲)；

(3)鋼枕發(fā)生歪斜；

(4)鋼枕與梁端擋砟墻間頂死，鋼枕的自由滑動受阻等。

3 調(diào)節(jié)器區(qū)主要病害原因分析

大跨度橋梁上鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器以大跨度鋼桁梁梁端鋪設(shè)REJ60—1200型單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器為例，如圖8所示，其在梁縫左右兩側(cè)的各8根和20根調(diào)節(jié)器軌枕兩端分別采用鋼板進(jìn)行縱向聯(lián)結(jié)，形成軌排框架，具有較強(qiáng)縱向、橫向穩(wěn)定性，而且調(diào)節(jié)器尖軌與引橋混凝土梁上的長鋼軌焊聯(lián)，尖軌處于無縫線路伸縮區(qū)。

圖8 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與梁跨布置示意

夏季升溫時(shí)，梁縫變窄。根據(jù)實(shí)測資料，溫度跨度為97 m的混凝土連續(xù)梁，其梁端將向鋼桁梁方向移動25 mm左右，由于Ⅲ型枕和V型彈條扣件縱向阻力大于道床阻力，因此，混凝土梁在向鋼桁梁移動的同時(shí)帶動Ⅲ型枕和V型扣件及鋼軌同時(shí)朝鋼桁梁方向移動。尖軌焊聯(lián)著混凝土梁上長鋼軌，混凝土連續(xù)梁也帶動尖軌朝鋼桁梁方向移動。由于調(diào)節(jié)器11號～30號軌枕兩端采用鋼連板縱聯(lián)形成軌排框架，道床縱向阻力較大，尖軌縱向阻力小于或與軌排道床縱向阻力相當(dāng)，夏季溫升過程中，尖軌無法帶動軌排隨混凝土梁朝鋼桁梁方向移動，出現(xiàn)了尖軌爬行。當(dāng)軌排框架的左右枕端道床阻力不等時(shí)，左右股位移不等，軌排框架易從長方形變形成平行四邊形，可導(dǎo)致調(diào)節(jié)器混凝土枕歪斜，并進(jìn)一步導(dǎo)致剪刀叉扭曲、懸掛式鋼枕歪斜，如圖9所示。冬季降溫時(shí)，梁縫變寬，與夏季升溫情況類似，軌排框架的左右枕端道床阻力不等時(shí)，左右股位移不等，亦可導(dǎo)致調(diào)節(jié)器混凝土枕歪斜、剪刀叉扭曲、懸掛式鋼枕歪斜等。

圖9 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器軌排框架歪斜示意

總結(jié)分析大跨度橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)段，軌道病害的主要原因有以下幾個(gè)方面：

(1)溫度變化，導(dǎo)致鋼軌伸縮，當(dāng)軌排框架的左右枕端線路阻力不等時(shí)，左右股鋼軌位移不等，軌排框架易從長方形變形成平行四邊形，因此可導(dǎo)致調(diào)節(jié)器混凝土枕歪斜，并可進(jìn)一步導(dǎo)致剪刀叉扭曲、懸掛式鋼枕歪斜；

(2)鋼軌及扣件生銹，增大了扣件縱向阻力，從而增加了無縫線路縱向力，加劇了對軌道結(jié)構(gòu)的破壞；

(3)梁縫處的混凝土軌枕或鋼枕與擋砟板貼緊，軌枕發(fā)生歪斜及隨著伸縮量的增大，導(dǎo)致混凝土軌枕開裂；

(4)隨著軌排框架發(fā)生歪斜成平行四邊形，鋼梁也發(fā)生歪斜，伸縮位移不能均勻進(jìn)行分配，使剪刀叉受力不均，導(dǎo)致剪刀叉發(fā)生彎曲或扭曲；

(5)調(diào)節(jié)器的基本軌頂面高于尖軌軌頂，易導(dǎo)致鋼軌踏面光帶不連續(xù)，出現(xiàn)跳躍，影響行車的平順性；

(6)此外，抬軌裝置的剛度不足、道床不夠飽滿、梁端道砟錯(cuò)動導(dǎo)致道床阻力降低、調(diào)節(jié)器區(qū)軌道幾何形位保持不良等均可進(jìn)一步加劇調(diào)節(jié)器區(qū)段的的病害的發(fā)生和發(fā)展。

4 軌道監(jiān)控測試

根據(jù)相關(guān)線路上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁縫處的抬軌裝置在使用過程中，由于高速鐵路天窗時(shí)間短、大橋上道檢查困難，在養(yǎng)護(hù)過程中難以做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題，應(yīng)對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)開展監(jiān)測。

4.1 監(jiān)控測試的目標(biāo)和意義

對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)開展監(jiān)控測試，可實(shí)時(shí)掌握調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)及部件的運(yùn)營狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異?？杉皶r(shí)進(jìn)行維修和整治，避免病害的進(jìn)一步發(fā)展和惡變，從而確保軌道結(jié)構(gòu)和部件的正常使用、降低養(yǎng)護(hù)維修工作量、減少經(jīng)濟(jì)損失。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測的目標(biāo)和意義主要有以下幾方面。

(1)對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器鋼軌(尖軌、基本軌)、軌枕、抬軌裝置等關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測，確保該段軌道結(jié)構(gòu)、無縫線路和主要設(shè)備的運(yùn)營安全；

(2)對調(diào)節(jié)器和抬軌裝置等進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生較大變形時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通知運(yùn)營養(yǎng)護(hù)部門上道及時(shí)整修，確保正常的安全使用；

(3)掌握鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器地段變形規(guī)律，為軌道伸縮調(diào)節(jié)器地段養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)；

(4)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o縫線路關(guān)鍵部位變形狀態(tài)，建立安全預(yù)警機(jī)制，并及時(shí)反饋線路病害。

4.2 監(jiān)控測試的主要內(nèi)容

根據(jù)上述大跨度橋梁上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道運(yùn)營狀態(tài)和可能出現(xiàn)的病害，提出對其監(jiān)控測試的主要內(nèi)容有：

(1)伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)及兩端一定范圍內(nèi)鋼軌與橋梁的相對位移；

(2)尖軌與基本軌相對位移；

(3)基本軌相對橋梁位移；

(4)尖軌相對橋梁位移；

(5)尖軌與基本軌密貼情況；

(6)橋梁梁縫伸縮情況；

(7)伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)鋼軌頂面光帶情況；

(8)剪刀叉的歪斜及聯(lián)接點(diǎn)位移；

(9)抬軌裝置鋼枕垂向位移、歪斜情況；

(10)軌枕框架的變形情況，特別是梁縫兩側(cè)軌枕的歪斜和相對橋梁的位移情況；

(11)鋼軌、橋梁溫度及氣溫情況；

(12)扣件狀態(tài)。

4.3 監(jiān)控測試的方法與手段

目前監(jiān)控測試的主要以振弦式、光纖光柵、視頻圖像等為主要手段，對結(jié)構(gòu)的位移、溫度、應(yīng)變等進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)采集，并利用3G或4G的移動網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無線傳輸、自動報(bào)警等功能，如圖10所示。

圖10 大跨度橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)方案示意

(1)振弦式監(jiān)控傳感器系統(tǒng)[9-11]

以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號。優(yōu)點(diǎn)主要是設(shè)備相對簡單，造價(jià)較低；缺點(diǎn)主要是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差、設(shè)備使用年限相對較低。

(2)光纖光柵監(jiān)控傳感系統(tǒng)[12-14]

利用光纖材料的光敏性將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。優(yōu)點(diǎn)主要是穩(wěn)定性好，使用年限較長，對軌道電路及信號干擾低；缺點(diǎn)主要是造價(jià)較高，安裝相對復(fù)雜，現(xiàn)場安裝時(shí)間較長。

(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[15-16]

采用視頻監(jiān)控，通過遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場球機(jī)的攝像位置和焦距變化，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場的軌道運(yùn)營狀況，極大的提高檢查維護(hù)的效率。

5 結(jié)論

通過對大跨度橋梁上鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)的軌道運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行調(diào)研和分析，主要結(jié)論如下。

(1)大跨度橋上鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和抬軌裝置地段，軌道結(jié)構(gòu)可出現(xiàn)的病害有：軌道幾何形位保持不良、混凝土軌枕與鋼枕歪斜、混凝土軌枕拉裂、剪刀叉發(fā)生彎曲或扭曲、鋼枕或混凝土軌枕與梁端擋砟墻間頂死等。

(2)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和抬軌裝置的病害原因主要是：調(diào)節(jié)器的軌排框架左右股位移不等，使軌排變成平行四邊形，導(dǎo)致軌枕及懸掛式鋼枕發(fā)生歪斜，進(jìn)而導(dǎo)致剪刀叉發(fā)生彎曲或扭曲；當(dāng)梁縫處軌枕緊貼擋砟墻時(shí)，軌枕歪斜及隨著伸縮量的增大，易導(dǎo)致混凝土軌枕開裂。

(3)應(yīng)對大跨度橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)開展具有實(shí)時(shí)傳輸、自動預(yù)警等功能的監(jiān)控測試，確保軌道結(jié)構(gòu)和部件的正常使用。

(4)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道主要監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括基本軌相對尖軌位移、基本軌相對橋梁位移、尖軌相對橋梁位移、剪刀叉聯(lián)接點(diǎn)位移、尖軌與基本軌密貼情況、橋梁梁縫伸縮情況、軌枕和鋼枕的歪斜情況、鋼軌、橋梁溫度及氣溫情況等。

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Defects Analysis and Monitoring Research on Track in Rail Expansion Joint Area on Large Span Bridge

WANG Sen-rong

(China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Based on the research and field measurement of rail expansion joint at beam end and rail lift device at beam joint on China’s large span bridges, this paper analyzes the track operation condition of this section and concludes that the such defects may appear in track structures as poor track geometry, skewing of concrete and steel sleeper, cracking of concrete sleeper, bending or twisting of scissors fork, getting stuck between steel or concrete sleeper and ballast retaining walls at the end of beam. The theoretical analysis shows that the main reason is the unequal ballast resistance around the sleeper on the track panel framework, which results in parallelogram of the track panel, leading consequently to sleeper and hanging steel skewing and scissors fork bending or twisting, and even sleeper cracking. Aiming at defects prevention and control, this paper proposes contents and approaches in the monitoring of rail structures in rail expansion joint area.

Rail expansion joint; Rail lift device; Scissors fork; Defect analysis; Monitor and test

1004-2954(2018)01-0018-05

2017-01-28；

2017-04-27

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研計(jì)劃課題(2015K05);上海鐵路局科研計(jì)劃課題(2016064)

王森榮(1980—)，男，高級工程師，2007年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail:wsr88@126.com。

U213.9+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201701280002