基于鋼墊梁的CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層修復(fù)技術(shù)研究

黃傳岳，李傳勇，譚社會，易忠來，王永華

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基于鋼墊梁的CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層修復(fù)技術(shù)研究

黃傳岳1，李傳勇2，譚社會1，易忠來3，王永華1

(1. 中國鐵路上海局集團有限公司 工務(wù)部，上海 200071； 2. 中國鐵路上海局集團公司 蕪湖工務(wù)段，安徽 蕪湖 241000； 3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

針對高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層傷損，以影響運輸效率最小化、作業(yè)效率最大化為原則，提出鋼軌切割、軌道板移出、砂漿清理、鋼墊梁臨時支撐、傷損支承層修復(fù)、軌道板復(fù)位和砂漿層灌注的作業(yè)方案。并以關(guān)鍵工裝鋼墊梁為研究對象，進行承載能力靜載試驗和有限元數(shù)值分析，論證該技術(shù)方案的可行性。在鋼墊梁臨時支撐階段，采用視頻監(jiān)控及動力學(xué)監(jiān)測技術(shù)手段，實時監(jiān)控線路狀態(tài)，保障施工安全。應(yīng)用實踐表明：該技術(shù)能在天窗時間內(nèi)完成CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層傷損修復(fù)，有效改善線路高低不平順，恢復(fù)無砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

無砟軌道；支承層修復(fù)；鋼墊梁；視頻監(jiān)控

CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的主要形式之一[1]。CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)通過縱向張拉連接的方式，將軌道板縱向連成整體，以減少自由邊并形成整體受力[2?3]。軌道結(jié)構(gòu)整體性大大提高，由此帶來線路運行的高平順性和高舒適性。但同時因其縱向連續(xù)鋪設(shè)，受溫度荷載影響比其他無砟軌道結(jié)構(gòu)更大[4?6]。支承層作為CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)剛度承上啟下過渡的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[7]，傷損會影響軌道幾何形位，會導(dǎo)致支承層與上、下部結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生離縫，降低軌道整體 性[8?10]，為此需要對傷損的支承層進行更換修復(fù)。作為縱連體系，更換傷損部位支承層影響鋼軌、軌道板、砂漿調(diào)整層等結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的施工流程與有限的天窗時長間的矛盾亟待新技術(shù)來解決。鑒于此，結(jié)合高速鐵路天窗時間短、安全要求高等特點[11]，提出基于鋼墊梁的CRTSⅡ型板式無砟道床支承層更換技術(shù)，以期為高速鐵路無砟軌道的結(jié)構(gòu)養(yǎng)護維修提供技術(shù)支撐。

1 支承層更換方案

基于鋼墊梁的CRTSⅡ型板式無砟道床支承層更換技術(shù)的核心是在鋼軌切割、移出軌道板、清理板下砂漿后，在天窗時長不足以不間斷進行后續(xù)施工的情況下，臨時設(shè)置鋼墊梁及木枕，代替已經(jīng)移出的軌道板，以保障高鐵的日常運營，過程中采用視頻監(jiān)控手段實時進行安全監(jiān)控。待支承層鑿除并重新澆筑，具備承載能力后，再拆除鋼墊梁及木枕、移入軌道板、澆筑CA砂漿調(diào)整層、焊接鋼軌，恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)。其基本施工流程如圖1所示。

圖1 支承層更換方案流程圖

鋼墊梁及木枕在施工過程中替代軌道板和砂漿調(diào)整層，起著承上啟下的作用，因此支承層更換方案的關(guān)鍵在于鋼墊梁的設(shè)計。

2 鋼墊梁設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼墊梁鋼縱梁采用Q345鋼，工字形截面，梁長5.0 m，高250 mm，腹板16 mm，翼緣板寬400 mm，厚20 mm。鋼縱梁腹板處每隔0.5 m設(shè)置一道加勁板，在支點處對加勁板進行加密，加勁板與鋼縱梁采用滿焊連接。鋼縱梁間每隔0.5 m采用槽鋼橫向連接，縱梁與橫梁通過加勁板和高強螺栓連接。2片縱梁分別位于2條鋼軌正下方，軌道每間隔50 cm設(shè)置一道鋼軌扣件，將鋼軌與縱梁進行鎖定。鋼軌與縱梁間設(shè)置絕緣墊塊?？v梁兩端支撐在板式橡膠支座上，橫向設(shè)置角鋼限位裝置，限制縱梁橫移。鋼墊梁[12?13]設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 鋼墊梁平面設(shè)計圖

2.2 承載能力靜載試驗

為評估設(shè)計鋼墊梁的承載能力，開展靜載試驗，試驗安裝，其一端采用鉸支座，另一端采用滾動支座。為了保證構(gòu)件與支承面的緊密接觸，在橡膠支座與混凝土墩臺之間用砂漿找平。試驗關(guān)鍵參數(shù)為鋼墊梁撓度、梁端轉(zhuǎn)角及跨中上下翼緣和腹板處應(yīng)變。整個靜載試驗分為預(yù)載階段、正常加載階段和卸載階段，預(yù)加載階段加載值：40 kN；加載限值：承載力實驗采用ZK標準加載，影響線加載軸重200 kN，軸距1.6 m，按最不利工況條件，鋼墊梁會同時承受600 kN的力，同時為確保行車安全，鋼墊梁承載能力應(yīng)高于最不利工況條件下所受的承載力，因此承載力實驗中，承載力加載限值為800 kN；加載階段加載值：100，200，300，400，500，550，600，650，700，750和800 kN；卸載階段加載值：800，400和0 kN。通過試驗，得到鋼墊梁在各級加載下的梁體撓度值、兩端轉(zhuǎn)角值和跨中截面處的應(yīng)變值如圖3所示。

從圖3(a)和3(b)可以得出，梁體撓度、梁端轉(zhuǎn)角隨荷載的增加呈線性變化趨勢，最大撓度出現(xiàn)在跨中截面，跨中最大撓度為11.45 mm，最大轉(zhuǎn)角為7.91×10?3rad；從圖3(c)可以看出，整個加載過程鋼梁處于線彈性階段，應(yīng)變保持線彈性變化。腹板處的應(yīng)變幾乎為0，說明中性軸在鋼梁中部位置。根據(jù)胡克定律可知，在800 kN荷載作用下，上、下翼緣的應(yīng)力均小于200 MPa，滿足Q345鋼的設(shè)計強度值。

2.3 有限元數(shù)值分析

采用有限元軟件ANSYS建立鋼墊梁三維有限元模型，如圖4所示。其中，加勁板槽型鋼橫梁、工字鋼縱梁以及加勁板均采用板殼單元進行模擬，所有材料均假設(shè)為線彈性，鋼材密度采用78.5 kN/m3，彈性模量206 GPa。

(a) 撓度統(tǒng)計圖；(b) 梁端轉(zhuǎn)角統(tǒng)計圖；(c) 各測點應(yīng)變值統(tǒng)計圖

圖4 鋼墊梁三維有限元模型

對鋼墊梁模型進行靜力作用、ZK活載作用和使用活載作用下受力分析。ZK活載加載方式根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[14](TB-10621—2014)中規(guī)定選??；使用活載采用CRH3列車荷載，其中CRH3列車軸重為156.8 kN，軸距為2.5 m。

ZK活載和使用活載的動力沖擊系數(shù)取1.647(由縱梁跨度3.25 m計算得到)。具體計算內(nèi)容包括1/4跨、1/2跨、3/4跨處豎向撓度、梁兩端轉(zhuǎn)角以及工字型縱梁上翼緣、腹板以及下翼緣處應(yīng)變值，計算結(jié)果見表1所示。

從表1中可以得到恒載作用下鋼墊梁跨中最大豎向位移為0.17 mm，撓跨比為1/235 29，轉(zhuǎn)角最大值為0.11×10?3rad。靜ZK荷載作用下，鋼墊梁跨中最大撓度為5.05 mm，撓跨比為1/792；考慮沖擊效應(yīng)時跨中最大撓度為8.32 mm，撓跨比為1/481；靜ZK荷載作用下，左右兩側(cè)梁端轉(zhuǎn)角均為3.43×10?3rad；靜ZK活載作用下，上翼緣和下翼緣應(yīng)變值分別為?579和531，對應(yīng)的應(yīng)力分別是?121.6 MPa和111.5 MPa。靜使用活載作用下，鋼墊梁跨中撓度值為2.58 mm，撓跨比為1/1 550， 梁端轉(zhuǎn)角為1.491×10?3rad，上下翼緣應(yīng)變值為 ?153和153，對應(yīng)的應(yīng)力水平分別是?32.1 MPa和 32.1 MPa。

通過室內(nèi)模型靜載試驗和三維有限元理論分析可知，在整個加載過程中，鋼梁撓度、梁端轉(zhuǎn)角以及跨中截面應(yīng)變均隨荷載呈線性變化關(guān)系，鋼梁始終處于線彈性階段；實驗梁最大試驗加載達到800 kN，分別為ZK活載和使用活載的1.9倍和4.5倍，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的靜承載能力。

表1 有限元數(shù)值分析計算結(jié)果

3 鋼墊梁穩(wěn)定性視頻監(jiān)控

3.1 視頻監(jiān)控方案

為保證支承層更換整治過程中軌道結(jié)構(gòu)運營安全，利用視頻監(jiān)控技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)輪軌力和振動加速度測試方法，對施工期間軌道結(jié)構(gòu)安全性指標參數(shù)、鋼墊梁及軌道板穩(wěn)定性參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)振動特性進行檢測監(jiān)測。并通過4G網(wǎng)絡(luò)攝像機對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。

3.2 鋼墊梁穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖如圖5所示。

(a) 鋼墊梁橫移分析圖；(b) 鋼墊梁梁中垂移分析圖

從圖5可知，列車通過時鋼墊梁最大橫移0.40 mm，最大梁中垂移2.45 mm。除此之外，對軌道動力學(xué)指標進行監(jiān)測，得到列車通過時最大脫軌系數(shù)0.19，最大減載率0.10，最大輪軸橫向力15.9 kN，軌道板最大垂移0.06 mm，軌道板最大橫移0.03 mm。鋼軌最大振動加速度322.3 m/s2，鋼墊梁最大振動加速度28.3 m/s2，底座最大振動加速度39.2 m/s2。均在安全指標范圍內(nèi)。

4 支承層更換施工效果

上海局集團有限公司按照此方案目前已進行多處支承層病害整治，以其中一處為例。

1) 施工溫度

支承層修復(fù)時間多選擇4~6月、9~11月，該時間溫度適宜多在15~25 ℃，晝夜溫差小，無砟軌道受溫度力較小，而且每處支承層修復(fù)周期約為4~5 d，溫度變化程度小，對支承層修復(fù)基本無影向。

2) 軌道結(jié)構(gòu)安全控制

修復(fù)時由于鋼墊梁的設(shè)置改變了原有軌道結(jié)構(gòu)體系，因此為確保鋼墊梁方案可行、安全，在實際施工前增加了鋼墊梁承載能力試驗和有限元分析計算，在確保軌道各動力學(xué)指標滿足要求后，再開展施工。且為實施監(jiān)控施工期間行車安全性，增加了視頻監(jiān)控手段。同時，在施工前對整治區(qū)段前后軌道板進行了植筋錨固，確保了無砟軌道的穩(wěn)定性。

3) 軌道幾何尺寸

靜態(tài)檢查：短弦(10 m)高低由6 mm降低為0.5 mm。動態(tài)檢測：長弦(120 m)高低由7.66 mm降為1 mm。施工改善效果明顯，滿足《高速鐵路無砟軌道維修規(guī)則》[15](TG/GW 115—2012)中的設(shè)備保養(yǎng)要求。

4) 軌道結(jié)構(gòu)

支承層傷損修復(fù)前，為保證列車運行安全，該地段列車限速運行，修復(fù)施工完成后，支承層破損處所得以整修，恢復(fù)了其完整性，列車恢復(fù)設(shè)計運行速度，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)健康。

5 結(jié)論

1) 提出了鋼墊梁臨時支撐為核心的無砟軌道支承層傷損整治方案，關(guān)鍵工藝包括軌道板植筋、扣件復(fù)緊、封閉層切割、寬接縫混凝土鑿除、切割鋼軌、軌道板移除、砂漿層鑿除、鋼墊梁及木枕臨時支撐、短鋼軌連接、傷損支承層鑿除及修復(fù)、臨時支撐移除鋪設(shè)軌道板、CA砂漿層灌注、鋼軌焊接、軌道精調(diào)及封閉層修復(fù)。

2) 通過鋼墊梁承載能力靜載試驗和有限元數(shù)值分析及視頻監(jiān)控措施，有效保證了該技術(shù)在高速鐵路維修中應(yīng)用的安全性和適用性，為無砟軌道支承層傷損整治提供了技術(shù)保障。

3) 鋼墊梁輔助施工的新方法有效解決了CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層傷損整治施工難度大、施工效率低、安全風險高等問題，經(jīng)上海局集團有限公司現(xiàn)場應(yīng)用，證明了該技術(shù)的安全可靠性，可有效改善軌道的幾何尺寸，恢復(fù)無砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為同類施工提供了借鑒。

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Research on repairing technology of supporting layer of CRTSⅡ ballastless track bed in high speed railway based on steel bearing beam

HUANG Chuanyue1, LI Chuanyong2, TAN Shehui1, YI Zhonglai3, WANG Yonghua1

(1. Track Maintenance Department, China Railway Shanghai Bureau Group Co., Ltd, Shanghai 200071, China; 2. Wuhu Track Maintenance Division, China Railway Shanghai Bureau Group Co., Ltd, Wuhu 241000, China; 3. Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Science Group Co., Ltd, Beijing 100081, China)

In order to minimize the influence of transportation efficiency and maximize the working efficiency, for the breakage of supporting layer of CRTSⅡ ballastless track bed in high-speed railway, this paper has put forward a new operation solution with the assistant of steel bearing beam. Its operation procedure is as follows: cut rail, move out the track slab, clean up the mortar layer, install the steel bearing beam, replace the supporting layer, move in the track slab, pour new mortar layer. As the key part of the technical solution, steel bearing beam’s static load test of bearing capacity and numerical analysis of finite element have been designed for verifying its feasibility. Meanwhile, video monitoring and dynamic detection have been implemented when the steel bearing beam was in service stage, which aims to monitor the real-time state of rail track to keep the maintenance operation safety. Application practice shows that the new technique can finish the replacement of supporting layer in longitudinal ballastless track bed in maintennance-skylinght time, and also can improve longitudinal irregularity effectively and recover structure stability of ballastless track.

ballastless track; supporting layer replacement; steel bearing beam; video surveillance

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.002

U216.4

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0287 ? 07

2018?03?13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51405210，50908179)；上海市自然科學(xué)基金資助項目(11ZR1439200)

譚社會(1973?)，男，安徽宿州人，高級工程師，從事新建高鐵提前介入、運營高鐵養(yǎng)護維修方面研究；E?mail：672699091@qq.com

(編輯 蔣學(xué)東)