徐連高速鐵路邳州連續(xù)梁拱橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器鋪設(shè)技術(shù)

崔強(qiáng)

中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司徐州樞紐指揮部，江蘇徐州221000

新建徐州—連云港高速鐵路設(shè)計(jì)速度350 km/h，線路西自徐州，與徐蘭高速鐵路、京滬高速鐵路和徐鹽高速鐵路相連，東達(dá)連云港地區(qū)，連通青鹽鐵路和連鎮(zhèn)高速鐵路，線路全長180.092 km。

徐連高速鐵路大量以橋代路，橋梁總長163.635 km，占線路總長的89.5%。徐連高速鐵路跨度（84+168+84）m邳州連續(xù)梁拱橋（圖1）是全線溫度跨度最大的鋪設(shè)無砟軌道的橋梁。本文先對橋上無縫線路鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行檢算，然后對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和梁端伸縮裝置的設(shè)計(jì)、鋪設(shè)及動態(tài)檢測進(jìn)行介紹和分析，為我國大跨度橋梁上無砟軌道鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置鋪設(shè)提供參考。

圖1 橋跨布置示意

1 橋上無縫線路鋼軌強(qiáng)度檢算

由于梁軌相互作用，在溫度荷載作用下橋梁會發(fā)生縱向伸縮位移，而橋上鋼軌是連續(xù)的，二者伸縮位移不一致，會導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生伸縮附加應(yīng)力［1］。特別是在冬季，梁縫處鋼軌受力更大。此外，在列車制動及溫度荷載作用下鋼軌很可能在梁縫處拉斷［2］。邳州連續(xù)梁拱橋小里程側(cè)溫度跨度為252 m，大里程側(cè)溫度跨度為116 m。根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］，須對橋梁上僅鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)無縫線路鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行檢算。

鋼軌強(qiáng)度檢算公式為

式中：σd、σt、σf、σz、[σ]分別為鋼軌的動彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力、伸縮附加應(yīng)力、制動應(yīng)力和容許應(yīng)力。

1.1 鋼軌動彎應(yīng)力計(jì)算

σd的計(jì)算公式為

式中：M0為鋼軌靜彎矩，取17 431.50 kN·mm；α為速度系數(shù)，徐連高速鐵路設(shè)計(jì)速度為350 km/h，α取1；β為偏載系數(shù)，本橋位于直線地段，不設(shè)超高，β取0；f為橫向水平力系數(shù)，直線地段取1.25；W底為鋼軌軌底斷面系數(shù)，取3.75×105mm3。

經(jīng)計(jì)算，σd=116.21 MPa。

1.2 鋼軌溫度應(yīng)力計(jì)算

邳州連續(xù)梁拱橋所在地最高軌溫60.6℃，最低軌溫-22.6℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫（24±5）℃，由此可得鋼軌最大溫降為51.6℃。σt的計(jì)算公式為

式中：E為鋼軌彈性模量，取210 GPa；α為鋼軌熱膨脹系數(shù)，取1.18×10-5℃-1；Δt為鋼軌最大溫降，取51.6℃。

經(jīng)計(jì)算，σt=127.86 MPa。

1.3 鋼軌伸縮附加應(yīng)力及制動應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)邳州連續(xù)梁拱橋全橋鋪設(shè)小阻力扣件時(shí)，采用橋上無縫線路梁軌相互作用計(jì)算模型［4］對鋼軌伸縮附加應(yīng)力、鋼軌制動應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖2。

圖2 鋼軌伸縮附加應(yīng)力和制動應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖2可以看出：小里程側(cè)梁縫處（DK125+430.75）鋼軌伸縮附加應(yīng)力明顯大于大里程側(cè)梁縫處（DK125+768.05），鋼軌最大伸縮附加應(yīng)力為85.92 MPa；鋼軌最大制動應(yīng)力為22.84 MPa。

1.4 鋼軌容許應(yīng)力

徐連高速鐵路采用U71MnG鋼軌，鋼軌屈服強(qiáng)度為457 MPa，考慮安全系數(shù)1.3，鋼軌容許應(yīng)力［σ］為351 MPa。

綜合以上計(jì)算，邳州連續(xù)梁拱橋無縫線路鋼軌強(qiáng)度為σd+σt+σf+σz=116.21+127.86+85.92+22.84=352.83 MPa＞［σ］。即僅在橋梁上鋪設(shè)小阻力扣件，無縫線路鋼軌強(qiáng)度不滿足要求，因此考慮在橋梁梁縫設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

對于大跨度連續(xù)梁拱橋，通常在兩側(cè)梁縫處均設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器［5］。如果只布設(shè)在大溫度跨度側(cè)，連續(xù)梁拱橋?qū)⒊惺苄囟瓤缍葌?cè)無縫線路的縱向力。橋梁不僅受力不平衡，而且在溫度應(yīng)力循環(huán)作用下小溫度跨度側(cè)梁縫附近扣件墊板容易隨梁體伸縮而竄出，在低溫季節(jié)甚至存在斷軌風(fēng)險(xiǎn)。因此，邳州連續(xù)梁拱橋兩側(cè)梁縫處左右線均設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。邳州連續(xù)梁拱橋最大梁縫寬46 cm。為保證梁縫處扣件間距和鋼軌受力同時(shí)滿足要求，還須采用上承式梁端伸縮裝置。

2 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和梁端伸縮裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

邳州連續(xù)梁拱橋兩側(cè)梁縫處左右線均設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和梁端伸縮裝置（共4組）。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的型號為研線0706（19LX）（以下簡稱調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)器跨梁縫布置，調(diào)節(jié)器尖軌布置在連續(xù)梁梁面上，尖軌尖端朝向梁縫，基本軌跨越梁縫至簡支梁。調(diào)節(jié)器與上承式梁端伸縮裝置一體化設(shè)置。調(diào)節(jié)器全長19.96 m，設(shè)計(jì)伸縮量為±400 mm；上承式梁端伸縮裝置設(shè)計(jì)伸縮量為±300 mm。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置布置如圖3所示。

圖3 邳州連續(xù)梁拱橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置布置示意

2.2 細(xì)部設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器的扣件采用硫化墊板及偏心套結(jié)構(gòu)，硫化墊板靜剛度與扣件鐵墊板一致。調(diào)節(jié)器的基本軌下采用可滑動扣件，尖軌下采用大阻力扣件。鋼軌左右兩側(cè)調(diào)整量均為±16 mm，高低調(diào)整量為-4～20 mm。調(diào)節(jié)器的軌撐螺栓采用了穿銷螺栓+開槽螺母+彈簧墊圈+平墊圈結(jié)構(gòu)，以提高軌撐螺栓的加固性能。

為保證結(jié)構(gòu)合理可靠，調(diào)節(jié)器的尖軌尖端設(shè)計(jì)為藏尖3 mm，尖軌非工作邊呈拋物線形。為保證基本軌滑動狀態(tài)穩(wěn)定可靠，在基本軌軌撐下設(shè)置墊片，在基本軌跟端設(shè)置雙聯(lián)軌撐，如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)器斷面示意

3 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和梁端伸縮裝置鋪設(shè)

自下而上、從梁縫向兩側(cè)鋪設(shè)調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置。具體步驟如下：

1）鋪設(shè)梁端伸縮裝置

首先將梁縫兩側(cè)的長桁架軌枕調(diào)整到合適位置，用支架將軌頂支撐到軌道結(jié)構(gòu)高度處，使鋼軌中心線與線路中心重合。然后安裝扣件及縱梁，擰緊扣件和枕端連接板螺栓，形成完整的梁端伸縮裝置。

2）鋪設(shè)調(diào)節(jié)器

①在梁端伸縮裝置兩側(cè)依次排布調(diào)節(jié)器區(qū)軌枕，擰松軌枕的鋼軌扣件，取下彈條、軌撐等部件，拆下2根短鋼軌。②采用專用吊機(jī)從裝載車上起吊調(diào)節(jié)器尖軌和基本軌組件，平放到附近并進(jìn)行支墊和防護(hù)。③放置扣件的硫化墊板、彈條、T形螺栓副、軌距塊、緩沖調(diào)距塊，安裝扣件并進(jìn)行鋼軌軌距調(diào)整，以80～100 N·m扭矩初擰墊板螺栓，并將硫化墊板與軌枕聯(lián)結(jié)，同時(shí)調(diào)整支撐架高度。④測量每根軌枕的位置，用精調(diào)儀對軌枕位置進(jìn)行精調(diào)。鋪放和綁扎道床板內(nèi)鋼筋，按道床板位置設(shè)置模板，并做好澆筑混凝土相關(guān)準(zhǔn)備。⑤在基本軌始端、尖軌尖端（或跟端）、基本軌跟端設(shè)置位移觀測樁。

3）澆筑混凝土及焊接鋼軌

①對關(guān)鍵部件覆蓋防護(hù)后方可澆筑混凝土，澆筑過程中嚴(yán)禁磕碰、踩踏剪刀叉和縱梁。在混凝土澆筑24 h內(nèi)及時(shí)去除落入的臟物并養(yǎng)護(hù)。②首選鋁熱焊對基本軌始端及尖軌跟端進(jìn)行焊接，焊頭打磨、探傷等應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)要求。鋼軌焊接后應(yīng)檢查一體化設(shè)備各部件扭矩、涂油狀況、密貼程度與間隙。

4 動態(tài)檢測

2020年12月動車組通過邳州連續(xù)梁拱橋調(diào)節(jié)器處時(shí)，對動車組運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)、軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性指標(biāo)、軌道結(jié)構(gòu)振動指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)測，結(jié)果見表1。

表1 動車組和軌道結(jié)構(gòu)動力性能指標(biāo)實(shí)測結(jié)果

由表1可見，動車組通過調(diào)節(jié)器處時(shí)，各項(xiàng)動力性能指標(biāo)均在規(guī)范限值內(nèi)。

5 結(jié)論

1）僅在橋梁上鋪設(shè)小阻力扣件，徐州—連云港高速鐵路邳州跨度（84+168+84）m連續(xù)梁拱橋上無縫線路鋼軌強(qiáng)度不滿足要求，因此確定在橋梁兩側(cè)梁縫處左右線均設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。為保證梁縫處扣件間距和鋼軌受力同時(shí)滿足要求，還須采用上承式梁端伸縮裝置。

2）鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置在邳州連續(xù)梁拱橋鋪設(shè)后，動車組通過鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器處時(shí)各項(xiàng)動力性能指標(biāo)均在規(guī)范限值內(nèi)。

在徐連高速鐵路建設(shè)單位，調(diào)節(jié)器的研發(fā)單位、線路設(shè)計(jì)單位、施工單位等各方積極配合下，邳州連續(xù)梁拱橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁端伸縮裝置順利鋪設(shè)，為我國需鋪設(shè)無砟軌道鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的其他大跨度橋梁提供了經(jīng)驗(yàn)。