重載鐵路小半徑曲線線橋偏心整治方法研究

杜功

1 引言

重載鐵路因其具有高效、環(huán)保、節(jié)能的突出特點，“貨運重載”已經(jīng)成為繼“客運高速”后的中國鐵路又一發(fā)展趨勢[1]。橋梁作為重載線路的重要基礎(chǔ)設(shè)備，受地形限制等客觀因素影響，需設(shè)置多處小半徑曲線橋梁。由于常年的維修養(yǎng)護(hù)，線路條件較差、道床厚度嚴(yán)重超標(biāo)、線橋施工精度較差，在常年大軸重與大運量沖擊作用下造成既有重載鐵路線橋偏心較大[2]。通過撥道調(diào)整線路橫向位置，結(jié)合整治前后工程試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，表明整治效果明顯，以期為類似重載鐵路小半徑曲線橋偏心病害整治工程項目提供參考依據(jù)。

2 橋梁概況

中國朔黃鐵路恢河特大橋全長936 m，里程k16+954-k17+890（中心里程K17+421），雙線橋，于1999年建成。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用28 孔32 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁，該橋梁位于小曲線半徑R=400 m 的圓曲線和曲線長度L=90m的緩和曲線及直線上，橋上線路最大坡度5‰，上下行超高90mm，橋墩左右線錯孔布置，梁體斜置。下部結(jié)構(gòu)采用T 形橋臺、雙柱式圓端形實體橋墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)，其中雙柱墩已采用增設(shè)橫梁的方式橫向加固處理，梁體支座采用盆式橡膠支座及鑄鋼支座，橋梁實景圖如圖1所示。

圖1 橋梁實景圖

3 線橋偏心

3.1 線橋偏心的概念

理論上，直線橋梁上線路中心線應(yīng)和梁跨中心線相吻合。而曲線橋梁的線路中心線是曲線，而梁是采用“曲梁直做、以直代曲”的方式形成曲線橋梁，因此線路中心線與梁跨中心線不能完全吻合。梁跨中心線常按“平分中矢法”進(jìn)行布置，即在跨中處梁跨中心線平分矢距f。而當(dāng)線路相對于橋梁發(fā)生相對橫向移動時，線路實測中心線與線路設(shè)計中心線之間的偏差e 稱為“線橋偏心”，如圖2所示。

圖2 線橋偏心示意圖

3.2 線橋偏心的概況

本橋有24 孔在曲線上，曲線為左轉(zhuǎn)曲線，橋頭從圓曲線開始，橋尾進(jìn)入直線段。日常養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)，道砟厚度存在不足或超厚，曲線段道砟厚度最大達(dá)470mm，直線段最小為190mm；與此同時，該橋線橋偏心嚴(yán)重，下行線第1 孔至7 孔、17 至20 孔線橋偏心超限，最大偏心值在第2 孔的中部，左偏118mm，直線段最大偏心145mm。上行線第1 孔至22 孔和第23 孔的尾部線橋偏心超限嚴(yán)重，第24 孔至28 孔的偏心值在相關(guān)規(guī)定[3]允許范圍之內(nèi)，最大偏心值在第一孔的尾部，左偏328mm，如圖3所示。

圖3 第一孔尾部線橋偏心示意圖（單位：mm）

3.3 線橋偏心的原因

本橋的線橋偏心多數(shù)都是向左偏移，即線路向曲線內(nèi)側(cè)有較大的橫向變形，從測量數(shù)據(jù)分析，本橋所在的曲線變形很不規(guī)則，造成線橋偏心值較大且不規(guī)則的原因有以下五個方面。

（1）常年的現(xiàn)狀養(yǎng)護(hù)，起撥道沒有設(shè)計數(shù)據(jù)控制，原本是一條曲線，運營后變形成為若干條不規(guī)則的小曲線，在既有線上找不到原設(shè)計的曲線要素。

（2）線路條件較差。整橋基本都在400m 小半徑曲線內(nèi)，逐年增大的運量形成大荷載的經(jīng)常性沖擊，線路變形嚴(yán)重。

（3）道床厚度嚴(yán)重超標(biāo)。道砟厚度存在不足或超厚造成了軌道的復(fù)合不平順，加劇了無縫線路的橫向變形。

（4）線橋施工精度較差。本橋的建設(shè)是在20世紀(jì)90年代末，當(dāng)時的測量精度和施工技術(shù)還較落后，規(guī)范也要求不嚴(yán)格，造成既有的線橋關(guān)系偏差較大。

（5）運行速度與超高不匹配。在任何一段曲線軌道上，外軌超高按加權(quán)平均速度計算確定并設(shè)置后，成為固定設(shè)施，但由于列車通過的實際行駛速度，或大于加權(quán)平均速度，或小于加權(quán)平均速度，使外軌超高與行車速度不相適應(yīng)，因而不可避免地會產(chǎn)生未被平衡的離心力或向心力。

重載列車曲線橫向附加力的理論計算方法圖示，如圖4所示。

圖4 列車和軌道的準(zhǔn)靜態(tài)分析

根據(jù)圖4，列出鋼軌所受的豎向反力的計算公式：

式中：m——列車質(zhì)量；

g——重力加速度；

α——α=sin-1(h/s)；

h——超高；

s——軌距；

hc——軌頂面到列車重心的距離；

R——線路曲線半徑；

總曲線輪軌側(cè)向附加力是Y=Y0+Y1，可以得到：

綜上所述，常年的現(xiàn)狀維護(hù)、線路條件差、道床厚度嚴(yán)重超標(biāo)、早期施工質(zhì)量差、運行速度與超高不匹配和常年大運量運輸形成的大荷載經(jīng)常性沖擊是造成重載鐵路線橋偏心病害的主要原因。

4 整治方案

通過整治變形的線路平面，達(dá)到解決恢河特大橋的線橋偏心值超限的問題。同時，通過機械清篩線路，適當(dāng)調(diào)整縱斷面設(shè)計的方法，解決本段線路道床超厚的問題?；趾犹卮髽蛩谇€為左轉(zhuǎn)曲線，橋上的上下行線路都是向曲線內(nèi)側(cè)偏離，整治方案是曲線全部上挑，而且是連續(xù)多處向曲線上股方向的大撥量，撥道后造成上行曲線鋼軌伸長337 mm，下行曲線鋼軌伸長176 mm。在整治恢河特大橋的線橋偏心前，必須進(jìn)行應(yīng)力放散，放散軌溫應(yīng)滿足作業(yè)安全要求。橫向撥道量大及撥道段落較長的地段，在施工前也要進(jìn)行應(yīng)力放散，確保施工質(zhì)量及施工安全，施工結(jié)束后要進(jìn)行應(yīng)力回放。應(yīng)力放散時在最大撥量所在的單元軌條上加設(shè)臨時緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的短軌要預(yù)留撥道造成本條曲線的鋼軌總伸長量。

（1）為改善線路平面條件，本次線路設(shè)計考慮了對線間距、線橋偏心的調(diào)整，曲線整治及接觸網(wǎng)桿等建筑限界的調(diào)整。基本采用與現(xiàn)場線形相擬合的方式，適當(dāng)調(diào)整曲線要素，來達(dá)到優(yōu)化線路平面、調(diào)整線橋偏心的目的。用全站儀直接測量法，得出梁的中心線方程，并且和鐵路既有線中心的坐標(biāo)相比較，可得出每跨既有橋梁的偏心值，綜合考慮整橋每跨的偏心值，來調(diào)整相應(yīng)的直線方向和曲線元素，即：①每350 m～500 m 設(shè)置一個CP Ⅱ控制點及水準(zhǔn)基點，每30m 左右設(shè)置一個CP Ⅲ控制點；②測基平；③測縱斷面（直線地段50m、曲線地段20m、變坡點等特征點）；④采用軌道分中法進(jìn)行線路平面、線間距測量；⑤測量線橋偏心；6 測量接觸網(wǎng)桿、信號機、信號基座、坡度標(biāo)、里程標(biāo)等線路既有設(shè)備的平面位置。

（2）為改善線路縱斷面條件，線路清篩地段嚴(yán)格按照限坡、坡長、起落道量以及橋梁等的控制要求，限制坡度以不大于原有最大坡度為原則，坡段盡可能設(shè)計為長大坡段，大修地段與非大修地段的連接順坡，應(yīng)設(shè)在大修地段以外，其順坡率不應(yīng)大于2.0‰。由于線路清篩可能引起接觸網(wǎng)導(dǎo)高、拉出值超標(biāo)，不能滿足電力機車受電弓的正常運行，應(yīng)事先通知供電部門調(diào)查確認(rèn)接觸網(wǎng)設(shè)備調(diào)整工作量并配合作業(yè)；由于線路清篩引起信號機基座抬高或個別信號機基座侵入清篩范圍，個別信號電纜影響機械清篩作業(yè)時，要提前通知電務(wù)部門確認(rèn)配合。

4 整治方案實施

由于重載鐵路恢河特大橋出現(xiàn)的線橋偏心病害中下行線線橋偏心值超限都比上行線小，所以下行線是一次調(diào)整到位。其中，病害較嚴(yán)重的恢河特大橋上行線軌道線形分兩次調(diào)整到位，主要線形調(diào)整歷程如表1及圖5所示。

表1 恢河特大橋軌道線形調(diào)整過程一覽表

圖5 恢河特大橋軌道線形調(diào)整量示意圖

根據(jù)現(xiàn)場測量調(diào)查的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恢河特大橋所在曲線起點之間的夾直線，因常年運營，已經(jīng)發(fā)生了很大的變形，將不規(guī)則的夾直線調(diào)整為直線。為了解決線橋偏心問題，設(shè)定了不同的曲線轉(zhuǎn)角和曲線半徑和緩。

本次軌道線形調(diào)整主要對圓曲線段進(jìn)行，經(jīng)兩次調(diào)整，恢河特大橋上行線的線橋偏心值全部調(diào)整到《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》允許的范圍之內(nèi)。具體設(shè)計情況如下：既有曲線半徑為400 m，本次調(diào)整為399.97 m，緩和曲線長90 m 不變，在K17+750 處設(shè)240″的右轉(zhuǎn)角。上行線軌道線形累積最大調(diào)整量305 mm，發(fā)生在0#臺附近（K16+960）。其次還有第11 孔（K17+330）和第19 孔（K17+600）附近撥道量較大，累計調(diào)整量分別為224 mm 和150 mm。第24 孔（K17+740）位于直緩點附近，累計調(diào)整量29 mm；恢河特大橋下行線所在的曲線，曲線要素不變，即半徑404.5 m，緩和曲線長90 m，調(diào)整后的最大撥量在K17+585 處右撥119 mm，調(diào)整后線橋偏心值全部符合規(guī)定的要求。在軌道線形調(diào)整施工的同時，對相應(yīng)區(qū)段的道床進(jìn)行清篩、搗固處理。

5 監(jiān)測試驗

為了確保軌道線形調(diào)整作業(yè)期間的線橋設(shè)備安全，掌握小半徑曲線橋上線路偏心發(fā)展的規(guī)律，為該類病害機理的研究提供數(shù)據(jù)支撐以及驗證線橋偏心整治效果，對本橋軌道線形調(diào)整及后續(xù)運營期間的特征區(qū)段軌道和該橋設(shè)備特點及線橋偏心、道砟厚度不均病害的情況，在上行線分別選擇線橋偏心最大和道砟厚度最小的區(qū)段進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能進(jìn)行了監(jiān)測，以評估軌道線形調(diào)整對線橋設(shè)備的影響及其后續(xù)發(fā)展情況。

5.1 試驗內(nèi)容

（1）軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測試驗內(nèi)容主要包括：列車運行安全參數(shù)測試、鋼軌橫向位移測試、動態(tài)軌距擴(kuò)大測試，具體內(nèi)容包括：輪軌垂向力和橫向力、輪重減載率、輪軸橫向力、鋼軌橫向位移、鋼軌動態(tài)軌距變化量參數(shù)。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測試驗內(nèi)容具體包括：①墩頂橫向振幅；②梁體跨中撓度；③梁體跨中混凝土應(yīng)變；④梁體跨中橫向、豎向振幅；⑤梁體跨中橫向、豎向加速度；⑥支座縱向位移；⑦列車速度。

5.2 試驗結(jié)果

針對軌道結(jié)構(gòu)動力性，通過撥道前后共進(jìn)行了三次測試，各測試了二十余趟列車，對重車線列車運行安全參數(shù)、鋼軌橫向位移、動態(tài)軌距擴(kuò)大進(jìn)行了測試。針對橋梁結(jié)構(gòu)動力性，通過測試上行重車線橋梁在運營列車通過時的工作狀態(tài)，分析軌道線形調(diào)整前后橋梁設(shè)備受力狀態(tài)的變化，評價其對結(jié)構(gòu)受力的影響。

5.2.1 軌道結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果

恢河特大橋橋面軌道線形調(diào)整前后，共進(jìn)行了三次軌道結(jié)構(gòu)動力測試。上行線第一次撥道前測試運營列車19 趟，速度范圍為15.3～62.1km/h；第一次撥道后測試運營列車22 趟，速度范圍為40.7～60.9km/h；第二次撥道后測試運營列車19趟，速度范圍為14.3～60.5km/h；在運營列車C80 作用下，撥道前后列車脫軌系數(shù)與行車速度的變化趨勢，如圖6、圖7所示，撥道前后運營列車安全參數(shù)極值對比，如表2所示。

圖6 撥道前后運營列車脫軌系數(shù)對比

圖7 撥道前后運營列車輪重減載率對比

表2 撥道前后運營列車安全參數(shù)極值對比表

試驗結(jié)果顯示：撥道前脫軌系數(shù)、輪重減載率分別為0.92、0.22，第一次撥道后分別為0.90、0.20，第二次撥道后分別為0.78、0.23；根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定：脫軌系數(shù)和輪重減載率的安全限值分別為1.2 和0.65，撥道前后各項安全參數(shù)均小于安全限值。撥道前后，輪重減載率變化不太明顯，而脫軌系數(shù)有所減小。

5.2.2 橋梁結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果

恢河特大橋第1 孔梁橋面軌道線形調(diào)整分兩側(cè)次完成，該孔梁跨中兩次調(diào)整量分別為144mm 和143mm，跨中累積調(diào)整量287mm。在運營列車C64、C70、C80 作用下，第1孔橋跨結(jié)構(gòu)在兩次軌道線形調(diào)整前后實測跨中橫向振幅與行車速度變化趨勢，如圖8、圖9所示及跨中橫向振幅最大值與行車速度關(guān)系，如表3所示。

圖8 第一次撥道前后運營列車橫向振幅對比

圖9 第二次撥道前后運營列車橫向振幅對比

表3 運營列車作用下?lián)艿狼昂罂缰凶畲髾M向振幅與行車速度關(guān)系表

試驗結(jié)果顯示：實測兩次撥道前后第一孔梁體跨中橫向振幅，第一次撥道前梁體跨中橫向振幅最大，C64、C70、C80 列車作用下第1 孔梁體跨中最大橫向振幅分別為1.13mm、0.85mm 和1.15mm，均小于規(guī)范[5]所規(guī)定的貨列重車（V ≤80km/h）下32m 預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振幅通常值2.54mm 和安全限值3.56mm；各類貨列重車作用下，梁體跨中橫向振幅呈現(xiàn)隨行車速度增大而增加的趨勢，但幅值在通常值和安全限值范圍內(nèi)，測試車速范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)梁體橫向共振現(xiàn)象；與撥道前相比，兩次撥道后梁體跨中橫向最大振幅均呈減小的趨勢；C80 列車作用下，第一次撥道后由1.15mm 減小為0.78mm，第二次撥道后較撥道前略有增加，由0.75mm 增大為1.01mm，但仍小于第一次撥道前實測值。

6 結(jié)語

論文以中國朔黃重載鐵路恢河特大橋小半徑曲線橋梁線橋偏心整治為背景展開研究，通過線橋偏心概念和原因分析、偏心整治方案設(shè)計、實施、整治結(jié)果以及對整治前后監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，主要結(jié)論如下：

重載鐵路小半徑曲線橋梁線橋偏心可以采用搗固車撥道調(diào)整線路橫向位置進(jìn)行整治，同時要有序的安排縱斷面整治，通過機械清篩線路，適當(dāng)調(diào)整縱斷面設(shè)計的方法，解決本段線路道床超厚的問題。撥道前后輪重減載率變化不太明顯，而撥道后脫軌系數(shù)從0.92 降低到0.78。兩次撥道后第1 孔梁體跨中橫向振幅與撥道前相比均呈減小趨勢，第一次撥道后由1.15mm 減小為0.78mm。第二次撥道后較撥道前略有增加，由0.75mm 增大為1.01mm，但仍小于第一次撥道前實測值，表明了線橋偏心病害對軌道結(jié)構(gòu)動力性能、橋梁運營性能產(chǎn)生不利影響。該工程實例的成功實施表明，通過搗固車撥道整治線橋偏心病害，整治效果較為明顯，可以為類似工程提供參考。