無砟軌道線路臨時(shí)架空技術(shù)研究及應(yīng)用

馬慧君

(中國鐵路總公司 工電部，北京 100844)

根據(jù)我國近年來無砟軌道運(yùn)營實(shí)踐，軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)總體正常，但在線路局部開始出現(xiàn)軌道板裂紋、砂漿層黏結(jié)失效、支承層傷損、路基沉降上拱等病害，造成軌道幾何形位不良，影響列車高速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和安全性，須及時(shí)采取修復(fù)措施。目前，對于軌道結(jié)構(gòu)中寬度較小的裂紋和離縫，可通過表面封閉法或低壓注漿法進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)工作簡單易行[1-2]。而對于大面積的砂漿層黏結(jié)失效、支承層傷損、路基沉降上拱等病害，則只有將傷損部位鑿除清理，并重新澆筑砂漿層或支承層才能根治病害，修復(fù)難度相對較大，一般需用多個(gè)天窗點(diǎn)才能完成修復(fù)工作。對于跨天窗點(diǎn)的修復(fù)工作來說，無砟軌道既有線路臨時(shí)架空技術(shù)是病害整治過程中保證列車正常運(yùn)營的關(guān)鍵[3]。

我國針對無砟軌道病害整治臨時(shí)架空結(jié)構(gòu)的研究很少，傳統(tǒng)的架空方法如吊(扣)軌法、工字鋼梁法、D型便梁法等，很難適用于無砟軌道線路的臨時(shí)架空[4-5]。為此，開展無砟軌道線路的臨時(shí)架空技術(shù)研究，優(yōu)化架空結(jié)構(gòu)，對于克服既有架空技術(shù)的局限和不足，保證無砟軌道線路病害整治工作的安全、高效具有實(shí)用意義。

1 架空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 架空方案

為保證臨時(shí)架空線路下具有一定的病害整治空間，同時(shí)保證架空線路具有良好的整體性和施工便捷性，架空方案擬采用簡支梁結(jié)構(gòu)。架空線路結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。架空裝置主要由鋼墊梁、扣件、支座和限位裝置4部分組成。其中鋼墊梁是由2根大縱梁和多根小橫梁組成的類似軌道板的框架結(jié)構(gòu)，扣件采用WJ-7型扣件，支座采用板式橡膠支座，限位裝置是由鋼板焊接而成的角鋼結(jié)構(gòu)。

圖1 架空線路結(jié)構(gòu)布置(單位：mm)

架空線路時(shí)鋼墊梁的2根縱梁分別位于2根鋼軌正下方，起到支撐鋼軌的作用。2根縱梁之間則由多根小橫梁通過高強(qiáng)螺栓連接，在縱梁上翼緣通過扣件將鋼軌鎖定，梁體兩端通過板式橡膠支座支撐于混凝土支承層上[6-7]。在縱梁兩側(cè)支座處設(shè)置限位裝置，用于限制梁體橫向及縱向位移，限位裝置通過多根化學(xué)錨栓固定在混凝土支承層上。梁體總長 6 300 mm，跨度 5 200 mm，在梁體跨度范圍內(nèi)是病害整治空間。

1.2 鋼墊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2(a)為縱梁結(jié)構(gòu)?？v梁采用Q345qC鋼板焊接加工，并采用變尺寸的箱形截面，上下翼緣板厚30 mm，且梁兩端900 mm段寬530 mm，梁中間 4 300 mm 段寬730 mm，不同寬度過渡區(qū)采用直線過渡形式。兩腹板截面尺寸為24 mm×190 mm，中心距180 mm，在腹板與翼緣板之間設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的加勁板。圖2(b)所示為小橫梁結(jié)構(gòu)，橫梁由2根C形結(jié)構(gòu)背對組成，其中C形結(jié)構(gòu)采用Q345qC鋼板焊接而成。采用M24高強(qiáng)螺栓。

圖2 縱梁、橫梁結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

基于ABAQUS通用有限元軟件建立鋼墊梁及鋼軌三維實(shí)體模型，模型尺寸與設(shè)計(jì)尺寸一致。由于橫梁與縱梁加勁板是通過高強(qiáng)螺栓連接，建模時(shí)通過TIE指令將橫梁與加勁板接觸面綁定?？v梁和橫梁均采用C3D8R六面體線性減縮積分單元，其中縱梁單元尺寸約20 mm，橫梁單元尺寸約8 mm。梁體采用Q345qC鋼材，其密度為7.85 g /cm2，彈性模量為210 MPa，泊松比取0.3。

鋼軌采用60 kg /m鋼軌，其密度、彈性模量和泊松比與上述Q345qC鋼材一致。建立鋼軌三維實(shí)體模型，模型同樣采用C3D8R單元，單元尺寸約10 mm。鋼軌與縱梁之間的連接扣件采用彈簧模擬，彈簧剛度取25 kN/mm。

2.2 邊界條件及分析荷載

設(shè)計(jì)中采用ZK特種活載，且不計(jì)制動(dòng)力和牽引力，則最不利荷載組合工況為“恒載+ZK特種活載+搖擺力”。

根據(jù)架空線路實(shí)際工作情況，在鋼墊梁左端支座處對梁體施加橫向、縱向和豎向位移約束，在右端支座處對梁體施加橫向和豎向位移約束。在鋼軌左端截面上施加橫向、縱向的位移約束和繞縱向的旋轉(zhuǎn)約束，在鋼軌右端截面上施加橫向位移約束和繞縱向的旋轉(zhuǎn)約束。

活載采用ZK特種活載和CRH3列車運(yùn)營活載2種荷載形式，其中CRH3列車軸重取17 t。檢算時(shí)按影響線加載，則在ZK特種活載和CRH3列車運(yùn)營活載2種荷載下，跨中撓度最不利加載工況如圖3所示。

圖3 活載跨中撓度最不利加載位置(長度單位：mm)

橫向搖擺力取100 kN，將其作為一個(gè)集中荷載作用于鋼墊梁跨中鋼軌頂面。

3 計(jì)算結(jié)果分析

鋼墊梁在各工況下變形及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鋼墊梁變形及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1 剛度檢算

根據(jù)TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，由靜活載引起的鋼板梁豎向撓度不超過其跨度的1/900，即鋼墊梁豎向撓度限值為5.77 mm。計(jì)算的最不利荷載組合工況下鋼墊梁最大豎向撓度為5.0 mm，而在“恒載+CRH3活載”下豎向撓度僅為2.46 mm，均滿足豎向剛度要求。

根據(jù)TB 10002—2017，由列車搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度引起的梁體橫向撓度不超過其跨度的 1/4 000，則鋼墊梁橫向撓度限值為1.3 mm。在搖擺力作用下，梁跨中最大橫向撓度為0.27 mm，滿足橫向剛度要求。根據(jù)TB 10002—2017，靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角限值為3‰ rad，計(jì)算的最不利荷載組合工況下梁端最大轉(zhuǎn)角為2.34‰ rad，滿足梁端轉(zhuǎn)角限值要求。

3.2 強(qiáng)度檢算

忽略因彈簧模擬扣件造成的應(yīng)力集中影響，在最不利荷載組合工況下，上下翼緣板最大Mises應(yīng)力約52.62 MPa，縱梁腹板最大Mises應(yīng)力約42.38 MPa，加勁板最大Mises應(yīng)力約35.30 MPa，而橫梁所受應(yīng)力僅為1 MPa 左右，均滿足鋼材容許應(yīng)力要求。

3.3 穩(wěn)定性檢算

1)整體穩(wěn)定性

考慮單根縱梁，則

可知，梁體滿足整體穩(wěn)定性要求。

2)局部穩(wěn)定性

經(jīng)計(jì)算，鋼墊梁縱梁長細(xì)比λ=50.5。根據(jù)規(guī)范，箱形截面板件寬厚比不超過0.3λ+15=30.15。

縱梁上下翼緣板b1/δ1=730/30=24.33，腹板b2/δ2=190/24=7.92，可知鋼墊梁滿足局部穩(wěn)定性要求。其中，b1為縱梁中間寬度，b2為腹板高。

4 架空裝置現(xiàn)場應(yīng)用及監(jiān)測

根據(jù)上述無砟軌道線路架空裝置設(shè)計(jì)，目前已加工出架空裝置成套設(shè)備，并在合福高速鐵路巢湖東站無砟軌道沉降整治工程中取得了良好應(yīng)用效果。

4.1 架空裝置現(xiàn)場應(yīng)用

巢湖東站正線鋪設(shè)CRTSⅡ型板式無砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速300 km。在無砟軌道鋪設(shè)后,由于地基發(fā)生了明顯沉降，其中DK70+970—DK71+130段最大沉降達(dá)到了95.2 mm，不得不限速，嚴(yán)重干擾了運(yùn)輸秩序 。上海局集團(tuán)公司和京?？瓦\(yùn)專線安徽公司決定在架空線路揭板時(shí)對路基進(jìn)行換填整治，為減少慢行時(shí)間，共利用10個(gè)天窗點(diǎn)將10塊需整治的軌道板用鋼墊梁代替進(jìn)行臨時(shí)架空。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測

施工期間列車限速45 km/h運(yùn)行，對臨時(shí)架空線路第1孔梁進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)各指標(biāo)最大值和最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，線路工作狀態(tài)總體良好，各指標(biāo)均滿足相關(guān)限值要求。鋼墊梁跨中垂向位移略微偏大，最大值5.07 mm，按照TB 10002—2017和鐵運(yùn)函〔2004〕120號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對梁體跨中垂向位移進(jìn)行檢算，結(jié)果表明梁體豎向剛度滿足施工期間列車行車要求。

表2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)各指標(biāo)最大值及最小值

將第1,2孔架空鋼墊梁兩梁之間通過連接板縱向串聯(lián)在一起，對臨時(shí)架空線路第1孔鋼墊梁進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果最大值和最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表3?？梢娕R時(shí)架空線路工作狀態(tài)良好，各指標(biāo)均滿足相關(guān)限值要求。由于連接板的作用，兩鋼墊梁跨中垂向位移均明顯減小，最大跨中垂向位移為2.89 mm，鋼墊梁跨中橫向位移也略微減小，最大橫向位移0.21 mm。

表3 采用連接板后動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)各指標(biāo)最大值及最小值

5 結(jié)論

根據(jù)合福高速鐵路巢湖東站現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果分析，主要得到如下結(jié)論：

1)鋼墊梁采用類似CRTSⅡ型軌道板的框架結(jié)構(gòu)，其長度 6 300 mm，跨度 5 200 mm，梁體下方施工范圍較大，每一片鋼墊梁可更換一塊軌道板，整體性較好，施工便捷。

2)在最不利荷載組合工況“恒載+ZK特種活載+搖擺力”作用下，鋼墊梁最大豎向撓度5.0 mm，最大橫向撓度0.27 mm，最大梁端轉(zhuǎn)角2.34‰ rad，均滿足規(guī)范相關(guān)剛度要求?？v梁翼緣板、腹板和加勁板最大應(yīng)力分別約為52.62,42.38,35.30 MPa，均滿足鋼材容許應(yīng)力要求。梁體整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求。