楊新文， 趙 亮， 宮 寅

(1. 陜西城際鐵路有限公司， 西安 710065； 2. 中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 上海 200070)

長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁橋無縫線路布置方案

楊新文1， 趙 亮1， 宮 寅2

(1. 陜西城際鐵路有限公司， 西安 710065； 2. 中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 上海 200070)

西安機(jī)場(chǎng)線渭河特大橋采用長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁，主橋連續(xù)梁聯(lián)長(zhǎng)900 m，最大溫度跨度715 m，具有溫度跨度大且多跨連續(xù)梁相接的特點(diǎn)，需合理設(shè)計(jì)無縫線路。針對(duì)該工況提出5個(gè)無縫線路布置方案，采用有限單元法進(jìn)行無縫線路附加力計(jì)算，從鋼軌強(qiáng)度、橋墩受力兩方面進(jìn)行方案比選后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研國(guó)鐵類似工況，確定最終推薦方案。得出結(jié)論：(50+8×100+50)m連續(xù)梁兩側(cè)梁端布置單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，滿足鋼軌強(qiáng)度檢算的要求且能有效減小相鄰連續(xù)梁固定墩受力，無需布置雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

地鐵； 長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁； 無縫線路； 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

1 工程概述

西安機(jī)場(chǎng)線渭河特大橋具有溫度跨度大、多跨連續(xù)梁相接的特點(diǎn)，該工況無縫線路布置方案是設(shè)計(jì)難點(diǎn)[1-2]，其大橋主橋連續(xù)梁效果圖見圖1。橋跨布置為：(2×30+3×30+3×30+105+2×38.5+4×50+(50+8×100+50)+(60+111+94+100+60)+3×30+3×25)m。其中，4×50 m與(50+8×100+50)m連續(xù)梁的溫度跨度為550 m；(50+8×100+50)m與(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁的溫度跨度為715 m。主橋(50+8×100+50)m連續(xù)梁位于直線、平坡地段，除系桿拱外均采用箱梁，箱梁截面剛度較大且本工況多為連續(xù)梁，因此不計(jì)算撓曲力[3]。軌道工程采用U75V定尺軌、DTⅦ2型扣件及支承塊承軌臺(tái)式道床。

圖1 渭河特大橋主橋(50+8×100+50)m連續(xù)梁效果圖Fig.1 Effect diagram of(50+8×100+50)m continuous girder of Weihe River grand bridge

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1列車荷載

地鐵B2型車輛，軸重140kN，6輛編組，車長(zhǎng)117m。設(shè)計(jì)最高行車速度100km/h。

2.2軌溫與梁溫差

根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10015-2012)[4]，采用最高軌溫Tmax=61.8℃，最低軌溫Tmin=-20.6℃。參考鄭西客專西安—咸陽段、大西客專西安—咸陽段、西安地鐵3號(hào)線高架的鎖定軌溫，同時(shí)參考鐵科院對(duì)鄭西客專渭河橋地區(qū)長(zhǎng)達(dá)1年的軌溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[5]，設(shè)計(jì)鎖定軌溫采用25±3℃，則鋼軌最大升溫幅度ΔTumax=39.8℃，最大降溫幅度ΔTdmax=48.6℃。橋梁均為混凝土梁，無砟軌道梁年溫差ΔTb=30℃。

2.3線路阻力

采用DTⅦ2型扣件，支承剛度D=30 kN/mm，單個(gè)彈條扣件壓力為4 kN，扣件間距為595 mm。采用常阻力墊板時(shí)，扣件阻力1Q-r1=8.07 kN/m/軌；采用小阻力墊板時(shí)，扣件阻力2Q-r1=5.04 kN/m/軌[6]。

3 強(qiáng)度檢算

3.1軌底動(dòng)彎應(yīng)力

采用《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10015-2012)附錄A無縫線路鋼軌強(qiáng)度檢算，公式中各符號(hào)意義見該規(guī)范，其中速度系數(shù)α=0.6，軌道橫向水平力系數(shù)f=1.25，偏載系數(shù)β=0[4]。

動(dòng)彎矩Md=M0(1+α+β)=21.06kN·m；

3.2鋼軌最大溫度拉應(yīng)力

鋼軌最大溫度拉應(yīng)力為

σt拉=EαΔTdmax=2.478×48.6=120.43MPa。

3.3鋼軌最大附加拉應(yīng)力

采用鐵科院VRF軟件，利用有限單元法計(jì)算橋上無縫線路縱向力[7]。

計(jì)算原理為:梁軌相互作用力通過梁體傳遞于設(shè)有固定支座的墩臺(tái)上，墩臺(tái)產(chǎn)生撓曲變形，并通過固定支座帶動(dòng)梁體在縱向上位移，梁體上翼緣與鋼軌之間的相對(duì)位移改變，從而引起梁軌相互作用力的重分布。由此可建立梁軌相互作用的計(jì)算模型，如圖2所示。在計(jì)算模型中，k表示梁軌間縱向阻力系數(shù)，K表示橋梁下部結(jié)構(gòu)的縱向剛度，EJ表示鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器或鋼軌折斷處，P為列車垂直荷載，Q為軌面制動(dòng)力，ΔtR為鋼軌溫差，ΔtB為梁伸縮溫差，長(zhǎng)鋼軌在橋梁兩端的長(zhǎng)度為任意長(zhǎng)。計(jì)算模型表示第i座橋梁為連續(xù)梁，L1為固定支座左邊溫度跨度，L2為固定支座右邊溫度跨度。當(dāng)L1或L2為零時(shí)，連續(xù)梁就成為簡(jiǎn)支梁的情況。因此，計(jì)算模型包括了連續(xù)梁橋和簡(jiǎn)支梁橋的無縫線路。

圖2 梁軌相互作用有限單元法計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculation model of bridge/rail interaction

建立有限單元模型，右側(cè)(3～30)m簡(jiǎn)支梁+(3～25)m簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)化為(5～30)m簡(jiǎn)支梁[8]。比選5個(gè)無縫線路布置方案[9-10]，見表1。

表1 無縫線路布置方案

3.3.1有限單元計(jì)算模型

各方案的有限單元計(jì)算模型見圖3。

3.3.2計(jì)算結(jié)果

1) 鋼軌受力和梁軌位移。各方案的計(jì)算結(jié)果見圖4，圖中共3部分內(nèi)容，上部為鋼軌受力，中部為梁軌位移，下部為對(duì)應(yīng)模型。鋼軌最大附加力和最大附加應(yīng)力見表2。

圖3 各方案的有限單元計(jì)算模型Fig.3 The finiteelement computing model of different schemes

圖4 各方案的計(jì)算結(jié)果Fig.4 The results of the calculation of different schemes

項(xiàng)目鋼軌最大附加力/(kN/軌)鋼軌最大附加應(yīng)力/MPa方案1 常阻力扣件1241.2160.3方案2 小阻力扣件898.6116方案3 主橋兩端設(shè)單向調(diào)節(jié)器487.963方案4 主橋兩端設(shè)雙向調(diào)節(jié)器487.963方案5 主橋跨中設(shè)雙向調(diào)節(jié)器898.6116

由計(jì)算結(jié)果可知，不設(shè)調(diào)節(jié)器時(shí)，鋼軌附加應(yīng)力明顯較大的位置為(50+8×100+50)m連續(xù)梁兩側(cè)梁縫處，其中(50+8×100+50)m連續(xù)梁與(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁的梁縫處鋼軌附加應(yīng)力最大，采用常阻力墊板時(shí)為1241.2kN/軌，采用小阻力墊板時(shí)為898.6kN/軌。在(50+8×100+50)m連續(xù)梁兩側(cè)梁端設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，鋼軌最大應(yīng)力位置為(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁與相鄰簡(jiǎn)支梁的梁縫處，為487.9kN/軌，采用單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與采用雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)的計(jì)算結(jié)果基本相同。(50+8×100+50)m連續(xù)梁跨中采用雙向調(diào)節(jié)器時(shí)，無法減小連續(xù)梁梁端的鋼軌應(yīng)力。

2) 橋墩承受伸縮力T1見表3，5個(gè)方案T1對(duì)比見圖5。

表3 橋墩承受伸縮力T1

圖5 T1對(duì)比Fig.5 Comparison of T1

由表3和圖5可知，(4×50)m連續(xù)梁和(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁的固定墩受力較大。采用常阻力墊板時(shí),(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁的固定墩T1為781.6kN/軌；采用小阻力墊板時(shí)該力為603.8kN/軌；梁端設(shè)調(diào)節(jié)器后降低至294.8kN/軌，降幅達(dá)62.28%，梁端設(shè)單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與設(shè)雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對(duì)T1的影響相同。主橋跨中設(shè)調(diào)節(jié)器無法減小相鄰連續(xù)梁固定墩受力。

3) 強(qiáng)度檢算，結(jié)果見表4。

表4 鋼軌強(qiáng)度檢算

由表4可知，方案1全部采用常阻力墊板時(shí)鋼軌強(qiáng)度檢算不通過；方案2和方案5滿足鋼軌強(qiáng)度檢算通過，但余量?jī)H為21MPa，且(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁的固定墩受力較大，為603.8kN/軌，對(duì)橋梁影響較大，因此不采用方案2和方案5。方案3和方案4的理論計(jì)算結(jié)果基本相同。因此，開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，進(jìn)一步確定方案。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

調(diào)研鄭西客專的連續(xù)梁+連續(xù)梁典型工況，調(diào)研點(diǎn)A，鄭西客專二跨渭河特大橋采用了多組雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器[11]，調(diào)研點(diǎn)B采用了多組單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，其中調(diào)研點(diǎn)B的橋跨布置見圖6。

圖6 調(diào)研點(diǎn)B的橋跨布置示意Fig.6 Bridge span arrangement of survey spot B

分析調(diào)研點(diǎn)B單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的現(xiàn)場(chǎng)情況：圖7中的1點(diǎn)為鋼跨過梁縫與尖軌位于同一跨連續(xù)梁的基本軌與扣件的相對(duì)位移，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相對(duì)位移約70～80 mm，從此處開始到基本軌跟端范圍的基本軌與扣件相對(duì)位移為70～80 mm，尖軌與扣件無相對(duì)位移。圖7中2點(diǎn)為梁縫處抬枕，基本軌與該處扣件存在較小的相對(duì)位移，該位移比1點(diǎn)小很多。圖7中3點(diǎn)基本軌位于另外一側(cè)連續(xù)梁，現(xiàn)場(chǎng)基本軌與扣件幾乎無相對(duì)位移?，F(xiàn)場(chǎng)觀察調(diào)研點(diǎn)A雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器僅一側(cè)發(fā)揮了作用，與調(diào)研點(diǎn)B的情況類似。因此，本工程設(shè)單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器即可，無需設(shè)置雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

圖7 調(diào)研點(diǎn)B單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.7 The scene of one-way REJ of survey spot B

5 結(jié)論

1) 推薦方案3，本工況在(50+8×100+50)m連續(xù)梁兩側(cè)設(shè)單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器后，可滿足軌道強(qiáng)度檢算要求，(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁的固定墩受力僅為294.8 kN/軌，(4×50)m連續(xù)梁的固定墩受力僅為216.6 kN/軌，對(duì)橋梁影響小。

2) 理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研均表明，梁端設(shè)單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器可滿足功能需求，無需采用雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

地鐵工程采用連續(xù)長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)梁的工況較少，本文可為同類型工程無縫線路布置方案設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 龔小平.長(zhǎng)大跨度橋上無縫線路設(shè)計(jì)注意問題探討[J].鐵道建筑技術(shù)，2014(1)：31-34.

GONG Xiaoping. Study on design problems of CWR track on long span bridge[J]. Railway construction technology, 2014(1): 31-34.

[2] 孫井林，丁靜波，李敏.上海地鐵11號(hào)線(北段)無縫線路設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(5)：14-17.

SUN Jinglin, DING Jingbao, LI Min. CWR design of Shanghai Metro Line 11[J]. Railway standard design, 2010(5): 14-17.

[3] 劉浩，魏賢奎，熊震威,等.線路縱向阻力形式對(duì)橋上無縫線路計(jì)算影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(10)：61-64.

LIU Hao, WEI Xiankui, XIONG Zhenwei, et al. Influence of track longitudinal resistance form on the calculation of continuous welded rail sited on bridge[J]. Railway standard design, 2013(10): 61-64.

[4] 鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范:TB10015—2012[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

Code for design of railway continuous welded cail: TB10015—2012[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2013.

[5] 徐玉坡，梁晨，蔣金洲.高速鐵路軌溫、梁溫和環(huán)境溫度的研究[J].鐵道建筑，2015(1)：127-131.

XU Yupo, LIANG Chen, JIANG Jinzhou. Study on rail temperature, beam temperature and ambient temperature of high speed railway[J]. Railway engineering, 2015(1)： 127-131.

[6] 張凌之.小阻力扣件縱向阻力特性試驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

ZHANG Lingzhi. Research on longitudinal resistance character of fastener with slight resistance[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014.

[7] 廣中巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001：306-316.

GUANG Zhongyan, GAO Huian. Railway continuous welded rail[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2001: 306-316.

[8] 蔡敦錦，顏樂，李悅,等.橋梁參數(shù)對(duì)橋上無縫線路伸縮力的影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(7)：30-34.

CAI Dunjin, YAN Le, LI Yue, et al. Analysis on how bridge parameters affect the expansion and contraction force of continuous welded rail on bridge[J]. Railway standard design， 2014(7)： 30-34.

[9] 曲村.高速鐵路長(zhǎng)大橋梁無砟軌道無縫線路設(shè)計(jì)理論及方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

QU Cun.Study on the design theory and method of ballastless continuous welded rail on long-span bridge in high-speed railway[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2013.

[10] 蔣金洲.廣州軌道交通6號(hào)線白沙河大橋無縫線路布置方案探討[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2008(1)：22-24.

JIANG Jinzhou. Preliminary arrangement schemes of continuous welded rail for Guangzhou Metro Line 6[J]. Modern urban transit, 2008(1)： 22-24.

[11] 張岷.鄭西客專二跨渭河特大橋無縫線路分析與研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2013(2)：51-54.

ZHANG Min. Analysis and research on the continuously welded rails on the two cross Weihe River bridge of Zhengzhou-Xi’an passenger dedicated line[J]. Railway construction technology, 2013(2)： 51-54.

Arrangement Schemes of Continuous Welded Rail for Long Span and Long Unit Continuous Girder Bridge

YANG Xinwen1, ZHAO Liang1, GONG Yin2

metro; long span and long unit continuous girder; continuous welded rail; rail expansion joints

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.011

2016-11-26

2017-01-26

楊新文，男，本科，高級(jí)工程師，從事軌道交通軌道工程技術(shù)管理工作，1193070229@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0060-05

(編輯：郝京紅)