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        無砟軌道線路臨時架空技術(shù)研究及應(yīng)用

        2019-06-03 08:17:44馬慧君
        鐵道建筑 2019年5期

        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營實踐,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,影響列車高速運行時的平穩(wěn)性和安全性,須及時采取修復(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,一般需用多個天窗點才能完成修復(fù)工作。對于跨天窗點的修復(fù)工作來說,無砟軌道既有線路臨時架空技術(shù)是病害整治過程中保證列車正常運營的關(guān)鍵[3]。

        我國針對無砟軌道病害整治臨時架空結(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架空[4-5]。為此,開展無砟軌道線路的臨時架空技術(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、高效具有實用意義。

        1 架空結(jié)構(gòu)設(shè)計

        1.1 架空方案

        為保證臨時架空線路下具有一定的病害整治空間,同時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

        圖2(a)為縱梁結(jié)構(gòu)。縱梁采用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體模型,模型尺寸與設(shè)計尺寸一致。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)計中采用ZK特種活載,且不計制動力和牽引力,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列車運營活載2種荷載形式,其中CRH3列車軸重取17 t。檢算時按影響線加載,則在ZK特種活載和CRH3列車運營活載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,將其作為一個集中荷載作用于鋼墊梁跨中鋼軌頂面。

        3 計算結(jié)果分析

        鋼墊梁在各工況下變形及應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

        表1 鋼墊梁變形及應(yīng)力計算結(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)計規(guī)范》、TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(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,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)計時速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)重干擾了運輸秩序 。上海局集團(tuán)公司和京??瓦\專線安徽公司決定在架空線路揭板時對路基進(jìn)行換填整治,為減少慢行時間,共利用10個天窗點將10塊需整治的軌道板用鋼墊梁代替進(jìn)行臨時架空。

        4.2 現(xiàn)場監(jiān)測

        施工期間列車限速45 km/h運行,對臨時架空線路第1孔梁進(jìn)行了動態(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,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,對臨時架空線路第1孔鋼墊梁進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果最大值和最小值進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果見表3??梢娕R時架空線路工作狀態(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。

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