劉 芳

(上海鐵路局杭州工務(wù)段,杭州 310009)

1 概述

滬昆線為時速200 km的客貨共線鐵路,正線軌道按一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路設(shè)計。由于設(shè)計受到地形或環(huán)保等條件的制約,該線3座有砟簡支梁橋上正線鋪設(shè)了16組無縫道岔。國內(nèi)之前沒有在有砟簡支梁橋上鋪設(shè)無縫道岔的先例。在后期運(yùn)營發(fā)現(xiàn),橋上無縫道岔的幾何位置難以保證,給行車的平穩(wěn)性、安全性產(chǎn)生很大的影響,而且?guī)缀螤顟B(tài)變化很快,需要投入大量的人力來進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。為從根本上解決問題,須對橋上無縫道岔進(jìn)行受力分析和試驗,找到關(guān)鍵因素,制定合理對策,控制岔區(qū)軌道幾何狀態(tài)。

2 簡支梁有砟橋上無縫道岔現(xiàn)狀分析和試驗

橋上鋪設(shè)無縫道岔后,道岔與橋梁之間的相互作用極為復(fù)雜,這主要反映在：梁體隨溫度變化的伸縮、在豎向荷載作用下的撓曲以及列車制動/啟動引起橋梁與道岔的相互作用。另外,無縫道岔的軌道結(jié)構(gòu)與一般單元軌道不同,它是由正、側(cè)兩股道兩根鋼軌交會后又交成一股軌道。當(dāng)軌溫變化時,尖軌可以自由伸縮,導(dǎo)軌將受到相當(dāng)于一個接頭阻力的約束,當(dāng)溫度力克服接頭阻力后則發(fā)生伸縮位移。而基本軌除了承受溫度力外,還會受到導(dǎo)軌伸縮的作用力。道岔尖軌由于溫度變化引起伸縮,造成尖軌與基本軌的作用,并通過扣件和橋面系引起道岔與橋梁相互作用,使得軌道幾何狀態(tài)難以保持。

2.1 設(shè)計背景

簡支梁橋上無縫道岔的軌道幾何狀態(tài)控制,是保證橋上列車安全平穩(wěn)過岔的關(guān)鍵,又是制約高速鐵路發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,因而也成為科研、設(shè)計、建設(shè)、維護(hù)各方關(guān)注的重點。如何有效解決簡支梁橋上無縫道岔的軌道幾何狀態(tài)控制技術(shù)難題,是對簡支梁橋上鋪設(shè)無縫道岔在技術(shù)上的一個重要突破。

由于滬昆線上有砟簡支梁橋上鋪設(shè)無縫道岔在我國屬于首次,考慮到橋上無縫道岔受力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,為了確保橋上道岔的幾何狀態(tài),經(jīng)過專家研究論證,對橋上16組正線18號無縫道岔原設(shè)計方案進(jìn)行了變更優(yōu)化[1]。

(1)橋梁變更設(shè)計

①增加梁體結(jié)構(gòu)剛度。以5片梁橫向連結(jié),即2片專橋9753 T梁+3片道岔梁。

②在梁擋砟墻頂部加設(shè)22 cm高L形擋砟塊,滿足砟肩寬45 cm、堆高15 cm,道床邊坡1∶1.75的要求。

(2)道岔變更設(shè)計

①道岔尖軌跟端傳力機(jī)構(gòu)由限位器改為雙間隔鐵結(jié)構(gòu),間隔鐵螺栓采用直徑為27 mm的高強(qiáng)度螺栓,螺母采用大扭矩防松螺母。

②道岔翼軌跟端間隔鐵采用膠結(jié)方式連接。

③對道岔位置進(jìn)行優(yōu)化,尖軌部分均避開了梁縫。

④將轍叉翼軌AT軌段趾端加長2.4 m,道岔焊接接頭避開梁縫。

⑤在橋梁前后75 m范圍內(nèi)安裝防爬設(shè)備。

由中鐵寶橋股份有限公司根據(jù)設(shè)計變更要求對提速道岔進(jìn)行改進(jìn),特制了直向時速200 km寶橋廠CZ2516提速型可動心軌混凝土枕道岔。

2.2 橋上無縫道岔使用現(xiàn)狀

盡管橋上無縫道岔進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化,但自2006年6月投入運(yùn)行以來,有砟橋面道岔存在軌向狀態(tài)易變不易控的技術(shù)難題,普遍存在大量的岔區(qū)養(yǎng)修作業(yè),基本上要求在10 d左右養(yǎng)修1遍,遇高溫天氣,軌向變化更快,往往前面剛進(jìn)行過養(yǎng)護(hù),幾趟車一跑又得重新養(yǎng)護(hù)。這樣,即使投入大量的養(yǎng)護(hù)人工,也難以滿足橋上列車運(yùn)行的舒適度與安全性要求,對橋上列車正常運(yùn)行,也存在嚴(yán)重隱患。

2.3 有砟橋上無縫道岔靜動態(tài)測試

為評估有砟橋上鋪設(shè)無縫道岔的行車安全性,分別對滬昆線諸暨站路基上和湄池1號特大橋上無縫道岔及其所在橋梁分別進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)測試,并進(jìn)行了對比分析。

從路基和有砟橋上無縫道岔的靜態(tài)、動態(tài)試驗得出如下結(jié)論[2]。

(1)路基上無縫道岔的道床縱向、橫向阻力均大于橋上的道床阻力。

(2)從脫軌系數(shù),輪軌垂、橫向力,軌道部件應(yīng)力,道岔動位移等幾個方面比較,橋上道岔的輪軌動力作用明顯大于路基上的道岔。

(3)當(dāng)客車以151 km/h、動車以205 km/h的速度通過橋上道岔時,輪重減載率最大值分別達(dá)0.59、0.55,均已接近安全性指標(biāo)限值0.6。在有砟道岔梁橋上的岔區(qū)軌道,沒有采取加強(qiáng)措施情況下,安全儲備不足。

(4)橋上道岔區(qū)各個位置上的橫向力存在明顯差異,轍叉區(qū)由于存在較大的結(jié)構(gòu)不平順,導(dǎo)致輪軌相互作用加劇,輪軌橫向力最大,轉(zhuǎn)轍器尖軌區(qū)的橫向力也較導(dǎo)曲線部分的橫向力大,僅次于轍叉區(qū)。

(5)列車通過橋上道岔時,橋梁的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,但從橋上無縫道岔系統(tǒng)角度評價,橋梁的豎向剛度較小。

2.4 原因分析

由于橋面鋪設(shè)的無縫道岔道床厚度較路基上的道床厚度小,橋面摩擦系數(shù)也較路基小,再加上簡支梁橋豎向剛度又較小,在列車通過時,橋梁的振動驅(qū)使橋上道岔區(qū)輪軌動力相互作用遠(yuǎn)較路基上強(qiáng)烈。軸重越大、列車速度越高,這種岔橋動力相互作用越劇烈,使橋上道砟一直處在松散狀態(tài),橋上的道床阻尼明顯偏小,橫向阻力和縱向阻力相比就更小。但因為縱向鋼軌被鎖定,道床有連續(xù)性,它的縱向移動會受到約束；而橫向沒有連續(xù)性也沒有特別的約束,只有靠道床的較小的阻力和軌道結(jié)構(gòu)本身的牽制作用維持其狀態(tài)。在列車振動和溫度力的作用下,極易變形。因此,必須在岔區(qū)的橫向設(shè)置約束變形的裝置,以確保安全。

3 軌道橫向加強(qiáng)控制技術(shù)方案

現(xiàn)狀分析和現(xiàn)場試驗表明,岔區(qū)軌道幾何狀態(tài)控制的關(guān)鍵是橫向穩(wěn)定問題。從保證行車安全,提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性,減少養(yǎng)護(hù)維修工作量出發(fā),必須對軌道幾何狀態(tài)易變區(qū)段采取增加橫向約束措施。本文采取的技術(shù)方案是,除進(jìn)行無縫線路有效鎖定、增加道床阻力外,采用在梁軌間設(shè)置限位樁結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)軌道橫向加強(qiáng)措施,以控制橋上無縫道岔的軌道穩(wěn)定性。

3.1 方案設(shè)計

本次方案選在有砟橋上無縫道岔橫向力較大的轉(zhuǎn)轍區(qū)和岔心區(qū)部位,在道岔兩側(cè)梁上各設(shè)置4對限位樁,固定梁上道岔軌向,進(jìn)行無縫道岔的橫向穩(wěn)定加固試驗。N7岔區(qū)限位樁設(shè)計位置見圖1。道岔梁限位樁鋼筋配置方案見圖2。道岔梁限位樁安裝見圖3。

圖1 橋梁與道岔間限位樁設(shè)置平面(單位：m)

圖2 道岔梁限位樁基礎(chǔ)鋼筋布置(單位：mm)

圖3 道岔梁限位樁安裝(單位：mm)

3.2 強(qiáng)度檢算

限位樁材料為C30混凝土,根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)5.2.2條[4],無箍筋及斜筋時容許主拉應(yīng)力[σtp-2]=0.73 MPa,容許純剪應(yīng)力[τc]=1.10 MPa。

根據(jù)《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》5.2.3條[5],列車的橫向搖擺力取100 kN,作用在鋼軌頂面處。列車橫向搖擺力最不利的破壞為兩輛車的前車后轉(zhuǎn)向架和后車前轉(zhuǎn)向架同一方向達(dá)到最大,即4個輪軸的橫向集中力各達(dá)到25 kN。

在輪軌橫向力作用下,最不利位置為限位樁與道砟槽面接觸處。限位樁底部近軌道內(nèi)側(cè)受拉,外側(cè)受壓。限位樁按寬1 m、高0.45 m矩形截面受彎檢算。

限位樁底部的彎矩

M=F·e=100/4×0.75=18.75 kN·m

限位樁底部近軌道側(cè)的最大拉應(yīng)力為

σ=M/W=18.75×0.001/(1×0.45×0.45÷6)=

0.55 MPa<[σtp-2]=0.73 MPa

限位樁所受最大剪應(yīng)力

τ=F/A=18.75×0.001/(1×0.45)=

0.042 MPa<[τc]=1.10 MPa

限位樁底部受拉應(yīng)力但不會開裂,不需配置受力鋼筋,按構(gòu)造配置鋼筋即可。限位樁內(nèi)側(cè)錨筋建議按受力鋼筋布置,縱向間距采用規(guī)范規(guī)定最小間距20 cm。限位樁外側(cè)與中部均為受壓,錨筋作用不大,按構(gòu)造配置即可。

3.3 支座受力情況

橋上設(shè)置橫向限位裝置后,對支座的垂直反力及作用于橋軸方向的支座水平力影響極小,幾乎可以忽略不計,主要針對垂直于橋軸方向的支座水平力進(jìn)行計算。

湄池1號特大橋第9、10孔均為32 m預(yù)應(yīng)力T梁,支座采用了TK-YZM280型圓柱面鋼支座,單個支座豎向承載力為2 800 kN。固定支座位于滬端,其允許承受的橫向水平力為豎向承載力的30%,即2 800×30%=840 kN?；顒又ё挥诶ザ?其允許承受的橫向水平力為豎向承載力的20%,即2 800×20%=560 kN。孔梁兩端支座允許承受的橫向水平承載力為：FS=(840 kN+560 kN)×2=2 800 kN。

垂直于橋軸方向的支座水平力由離心力、風(fēng)力、列車橫向搖擺力、地震力、側(cè)向撞擊力組成[6]。計算如下。

(1)列車離心力：離心力率C=V2/127R

離心力F1=豎向靜活載×C

橋上N7道岔位于直線地段,且岔后無附帶曲線,因此離心力F1=0。

(2)風(fēng)力：按不利條件,橋上有車時風(fēng)荷載強(qiáng)度取值W=1250Pa

梁高2.8 m,根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[7]4.4.1.3條,列車受風(fēng)高度取3 m。

風(fēng)力F2=W×A=1 250×0.001×32.6×(2.8+3)=236 kN

(3)列車橫向搖擺力：根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》4.3.8條,列車的橫向搖擺力取100 kN,即

搖擺力F3=100 kN

(4)根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》[8]7.4.1條,橋墩墩頂處水平地震力

F4=1.5Agmb

式中Ag——地震動峰值加速度(m/s2),7級抗震取0.1g；

mb——橋墩頂梁體換算質(zhì)量,mb=m1+md。md為橋墩頂梁體質(zhì)量(t),梁體質(zhì)量按1孔梁計,為207 t；道岔及岔枕質(zhì)量約42 t,道床質(zhì)量約70 t,限位樁質(zhì)量約9 t。md=207+42+70+9=328 t。

m1為橋墩頂活荷載反力換算的質(zhì)量(t),橫橋向計入50%的活載,豎向力活載只計列車豎向靜荷載。列車豎向靜荷載為165 kN/m×32=5 280 kN。m1=5 280/2=2 640 kN

mb=m1+md=3 280+2 640=5 920 kN

地震力F4=1.5×0.1×5 920=880 kN

(5)側(cè)向撞擊力：該橋墩未通航、通車,撞擊力F5=0

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》7.1.4條,地震力與風(fēng)力、列車橫向搖擺力、撞擊力不組合計算,該橋地震力大于風(fēng)力、列車橫向搖擺力、撞擊力之和,因此按最不利計算,則橫向水平力為

F=F1+F4=880 kN

因此,增設(shè)限位樁以后支座的橫向水平力在允許范圍內(nèi)。

3.4 方案實施

本次實施選擇其中的滬昆線湄池1號特大橋上N7道岔,該道岔位于湄池1號特大橋的第9、10號橋墩上,橋墩高度5 m。在轉(zhuǎn)轍區(qū)及岔心區(qū)兩側(cè)梁上各設(shè)置4對限位裝置,固定梁上道岔軌向,加強(qiáng)無縫道岔的橫向穩(wěn)定。設(shè)置限位樁后的橋上無縫道岔現(xiàn)狀,見圖4。

圖4 設(shè)置限位樁后的橋上無縫道岔

3.5 實施效果檢查

在湄池1號特大橋上N7道岔增設(shè)橫向約束后,在2008年～2009年度分別從軌檢車出分情況、橋梁檢測、輪重減載率、日常檢查等方面對實施效果進(jìn)行了檢查,結(jié)果表明增設(shè)橫向約束后,對減少軌檢車動態(tài)檢查出分,提高列車運(yùn)行安全和軌道幾何狀態(tài)效果明顯。而且,日常岔區(qū)養(yǎng)護(hù)工作量,從原來的10 d左右1遍,延長到45 d左右1遍,在滿足列車運(yùn)行安全性和舒適度要求的同時,有效提高了勞動生產(chǎn)率。

3.5.1 軌檢車檢查結(jié)果

因橋上道岔軌道幾何狀態(tài)變化最快的為夏天高溫季節(jié),因此選擇了7、8、9三個月對限位裝置設(shè)置前后的軌檢車添乘數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對2008年、2009年3季度各自的5趟鐵道部軌檢車、7趟鐵道部動檢車共12趟檢查車經(jīng)過N7道岔范圍的出分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。2008年～2009年3季度鐵道部檢查車出分的對比匯總見表1。

表1 2008年～2009年第3季度軌道檢查車出分情況對比匯總

從表1中的2008年3季度與2009年3季度軌道檢查車動態(tài)檢查對比中看出,2008年3季度道岔部位共出分102次,2009年3季度道岔部位共出分29次,超限總數(shù)減少73次、減少率71%。

其中Ⅰ級超限從85次減至24次,減少61次、減少率72%；

Ⅱ級超限從14次減至5次,減少9次、減少率64%；

Ⅲ級超限從3次減至0次,減少3次、減少率100%。

因此,安裝限位樁對減少軌檢車動態(tài)檢查出分,提高軌道幾何狀態(tài)效果明顯。而且,軌距、水平、三角坑、高低、軌向、車體垂向、橫向加速度、軌距變化率等均有大幅改善,其中原先占有較大比重的軌向、70 m軌向、橫向加速度、軌距變化率這4個數(shù)據(jù)改善幅度明顯。

由此可見,在道岔梁上安裝限位樁對道岔區(qū)軌道的幾何狀態(tài)控制提供了有效保證。

3.5.2 橋梁檢測結(jié)果

增設(shè)橫向約束1年后,對橋梁的實測跨中撓度、橫向及豎向振幅、橫向及豎向振動加速度、輪重減載率進(jìn)行了現(xiàn)場檢測,測試結(jié)果見表2～表5[9]。

表2 實測梁體跨中撓度匯總 mm

由表2可知,梁體跨中撓度最大值為5.518 mm,小于《橋檢規(guī)》[10]通常值17.778 mm。

表3 實測梁體跨中最大振幅匯總 mm

由表3可知,梁體跨中振幅最大值為2.957 mm,小于《橋檢規(guī)》安全限值3.556 mm。

表4 實測梁體跨中最大振動加速度匯總 m/s2

由表4可知,梁體跨中最大振動加速度0.862 m/s2,小于《橋檢規(guī)》安全限值1.4 m/s2。

因此,檢測結(jié)果顯示,限位裝置安裝后,跨中撓度、橫向及豎向振幅、橫向及豎向振動加速度等指標(biāo)均小于《橋檢規(guī)》行車安全限值,滿足《橋檢規(guī)》要求,表明限位裝置安裝后對橋梁結(jié)構(gòu)受力沒有影響。

表5 橫向約束增設(shè)前后輪重減載率對比

由表5可知,增設(shè)橫向約束后,輪重減載率最大值減小,尤其是動車組減載率值減少了40%以上,表明增設(shè)橫向約束可以有效提高橋上岔區(qū)軌道的安全儲備。

3.5.3 橋梁日常檢查結(jié)果

2008年11月增設(shè)橫向約束至今2年以來,通過對橋梁支座功能的觀察,未發(fā)現(xiàn)異常。

4 結(jié)語

綜上所述,有砟簡支梁橋上鋪設(shè)無縫道岔存在軌道幾何狀態(tài)難以保持的技術(shù)難題。通過對有砟簡支梁橋上無縫道岔的現(xiàn)場試驗和觀測,找出了有砟簡支梁橋上鋪設(shè)無縫道岔存在軌道幾何狀態(tài)難以保持的主要原因,針對性的提出了增加橫向約束的解決措施,經(jīng)過現(xiàn)場的長期運(yùn)營實踐表明,所提出的強(qiáng)化措施,改善了梁體和道岔動力學(xué)性能,提高了列車運(yùn)行安全性、舒適性,減少了養(yǎng)修工作量。

[1]鐵道第二勘察設(shè)計院.關(guān)于發(fā)送“浙贛線湄池及江山站橋上無縫道岔設(shè)計變更”的函[Z].成都：2005.

[2]西南交通大學(xué).浙贛線簡支梁橋上無縫道岔靜態(tài)測試報告[R].成都：2007.

[3]西南交通大學(xué).浙贛線簡支梁橋上無縫道岔動態(tài)測試報告[R].成都：2007.

[4]TB10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]鐵建設(shè)函[2005]285號，新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].

[6]莊軍生.橋梁支座[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[7]TB10002.1—2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].

[8]GB50111—2006，鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[9]同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院.滬昆線湄池1號特大橋橋上無縫道岔動態(tài)測試報告[R].上海：2010.

[10]鐵運(yùn)函[2004]120號，鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].