劉亞航 馮杜煬 任樹文 丁靜波

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計研究院，北京 100055）

蒙西到華中鐵路是國內(nèi)最長運(yùn)煤專線，線路北起內(nèi)蒙古浩勒報吉站，終于江西省吉安市，規(guī)劃設(shè)計輸送能力為2 億t/年。蒙華鐵路荊門至岳陽段正線按重型有砟軌道設(shè)計，鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，采用60 kg/m，100 m 定尺無螺栓孔新軌，鋼軌材質(zhì)U75V。李家灣跨焦柳線特大橋是蒙華鐵路在荊門境內(nèi)的一座雙線特大橋，全長1 224.23 m，主橋采用（48+80+48）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，如圖1 所示。該橋最大溫度跨度128 m，全橋位于半徑1 200 m的曲線上。

圖1 橋梁布置

蒙華鐵路開行萬噸列車，軌道設(shè)計時采用的扣件、軌枕等部件均需考慮與重載運(yùn)輸條件相匹配［1］，由此帶來線路縱向阻力、節(jié)點(diǎn)剛度等參數(shù)的取值均與一般線路不同。根據(jù)既有大秦重載鐵路和朔黃重載鐵路的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，為減少軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量，重載鐵路長大橋梁上慎用小組力扣件或鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，因此，本橋無縫線路設(shè)計具有其特殊性。

1 橋上無縫線路設(shè)計

1.1 橋上無縫線路影響因素

橋上無縫線路的受力情況較常規(guī)的路基地段無縫線路更為復(fù)雜，其鋼軌除受到列車動荷載、溫度力、制動力等作用外，還會受到橋梁梁體的伸縮或撓曲變形產(chǎn)生的額外附加縱向力影響［2-4］。另外，低溫季節(jié)鋼軌折斷時會產(chǎn)生斷軌力并作用于墩臺結(jié)構(gòu)。因此，在橋梁結(jié)構(gòu)、橋上軌道結(jié)構(gòu)以及橋梁所處地區(qū)都確定的情況下，必須控制梁軌縱向相互作用力，以保證軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的安全，以及行車的平穩(wěn)性和舒適度。而與梁軌縱向相互作用力直接相關(guān)的因素就是軌道縱向阻力和是否設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

1.2 方案設(shè)計

針對李家灣跨焦柳線特大橋溫度跨度大、曲線半徑小，且線路軸重大、運(yùn)量高的特點(diǎn)，為減小梁軌相互作用力，考慮3種無縫鐵路扣件鋪設(shè)方案（如圖2）。

圖2 無縫線路扣件布設(shè)示意

方案1：全橋按常阻力扣件設(shè)置；方案2：主橋連續(xù)梁兩端邊跨鋪設(shè)小阻力扣件，其余地段鋪設(shè)常阻力扣件；方案3：在主橋連續(xù)梁較小溫度跨側(cè)邊跨鋪設(shè)小阻力扣件，在主橋連續(xù)梁較大溫度跨側(cè)梁縫兩側(cè)各10 m小范圍鋪設(shè)零阻力扣件。

2 有限元分析

2.1 計算模型

計算時假定：橋梁固定支座能完全阻止梁的伸縮，不計活動支座對梁縱向位移的影響；梁的溫度變化為單方向的升溫或降溫，不考慮梁溫升降交替變化的影響等［5］。通過任取一微段長度dx的鋼軌為自由體，分析其受力和位移平衡條件以建立梁軌相互作用微分方程。采用梁單元模擬鋼軌，非線性的彈簧單元K1，K2模擬線路縱向阻力，空間單元模擬橋梁截面，并采用彈簧單元K3模擬橋梁的墩臺水平線剛度對梁軌相互作用的影響。其計算模型如圖3所示。

圖3 橋梁-鋼軌一體化計算模型

2.2 計算參數(shù)

李家灣跨焦柳線特大橋地處湖北荊門，根據(jù)該地歷年氣象資料，最高軌溫取58.7 ℃、最低軌溫取-14.9 ℃，正線設(shè)計鎖定軌溫取（28±5）℃。計算鋼軌動彎應(yīng)力采用的列車荷載：客車軸重25 t，速度120 km/h；貨車軸重30 t，速度90 km/h。計算鋼軌撓曲力的列車活載為ZH活載（如圖4），活載系數(shù)取1.2。

圖4 計算撓曲力列車活載圖示（單位：m）

根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》，本線采用有砟軌道Ⅲ型混凝土軌枕，軌枕縱向位移2 mm時道床縱向阻力為15 kN/（m·軌）。線路每公里鋪設(shè)1 667 根Ⅲ型混凝土軌枕，等效道床橫向阻力按11.5 kN/m 考慮［6］。

本線小阻力扣件地段采用彈條Ⅱ型扣件配套TPEE 復(fù)合墊板。根據(jù)中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司測試結(jié)果，彈條Ⅱ型扣件配套TPEE 復(fù)合墊板時鋼軌縱向阻力為8.2 kN/（m·軌）。

混凝土彈性模量取36 GPa。有砟軌道混凝土梁的日溫差為15 ℃。60 kg/m 鋼軌采用U75V 材質(zhì)，其屈服強(qiáng)度為472 MPa，安全系數(shù)取1.3，則鋼軌容許應(yīng)力為363 MPa。

橋梁支座鋪設(shè)及墩臺墩頂縱向水平線剛度見表1。

表1 橋梁支座鋪設(shè)及墩臺墩頂縱向水平線剛度

2.3 附加縱向力及斷縫值計算

2.3.1 附加縱向力計算

根據(jù)計算模型及輸入?yún)?shù)，分別計算3 種方案的伸縮力及撓曲力。計算結(jié)果見圖5、圖6和表2。

圖5 鋼軌伸縮力和撓曲力

圖6 墩臺伸縮力和撓曲力

表2 3種方案附加縱向力計算結(jié)果 kN/軌

由圖5、圖6 和表2 可以看出：對于鋼軌和墩臺撓曲力，3種方案差異較小，且鋼軌和墩臺的撓曲力明顯小于其伸縮力；方案1的鋼軌和墩臺伸縮力峰值較大，方案2 和方案3 能夠顯著降低其伸縮力，有利于降低梁端鋼軌受力。

2.3.2 斷縫值

橋上鋼軌受溫度力和伸縮力作用，一旦鋼軌折斷，溫度力和伸縮力按縱向阻力梯度放散，會在鋼軌折斷處形成斷縫。

按TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，有砟軌道無縫線路允許斷縫值為90 mm。經(jīng)檢算，方案1、方案2、方案3 的鋼軌斷縫值分別為44.2，61.7和77.6 mm，均符合規(guī)范要求。

3 無縫線路強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算

3.1 鋼軌強(qiáng)度及允許溫降檢算

參考TB 2034—88《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》計算鋼軌強(qiáng)度［7］，并按最不利條件控制允許溫降。

客車軸重25 t，設(shè)計速度120 km/h；貨車軸重30 t，設(shè)計速度90 km/h；客車、貨車速度系數(shù)分別取0.72 和0.54；線路曲線半徑為1 200 m，橫向水平力系數(shù)取1.36，偏載系數(shù)取0.18。

根據(jù)客車和貨車不同的設(shè)計時速及軸重，計算鋼軌的彎矩和軌底邊緣動彎應(yīng)力。本線行駛客車和貨車時鋼軌軌底邊緣動彎應(yīng)力σdg分別為163.8，186.4 MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］，連續(xù)梁全橋加載時無縫線路鋼軌制動附加力的傳遞值占列車荷載總重的比例與墩臺剛度有關(guān)。根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)及列車荷載，在27，30 t軸重下鋼軌截面制動應(yīng)力分別取15，20 MPa。

根據(jù)TB 10015—2012，軌道強(qiáng)度應(yīng)滿足鋼軌各項(xiàng)應(yīng)力之和不得超過鋼軌容許應(yīng)力363 MPa。由鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果（表3）可知：客車工況下3種方案鋼軌應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；貨車工況下方案1 鋼軌應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，方案2鋼軌應(yīng)力已非常接近鋼軌容許應(yīng)力，安全余量不足。

表3 鋼軌強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa

鋼軌允許溫降［ΔTd］計算公式為

式中：［σ］為鋼軌容許應(yīng)力；σf為鋼軌最大伸縮應(yīng)力；σz為鋼軌制動應(yīng)力；E為鋼軌彈性模量；α為鋼軌線膨脹系數(shù)。

3種方案允許溫降與實(shí)際溫降見表4?？梢钥闯觯贺涇嚬r下方案1 實(shí)際溫降超過無縫線路允許溫降，不滿足要求。

綜合鋼軌強(qiáng)度和鋼軌允許溫降兩方面來看，方案3可同時滿足無縫線路鋼軌強(qiáng)度及允許溫降要求。

3.2 允許溫升檢算

采用統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計算公式［6］進(jìn)行穩(wěn)定性檢算。定義軌道彎曲變形2 mm 時的溫度力為計算溫度壓力Pw，且考慮一定安全系數(shù)（K=1.3）得到允許溫度壓力。

根據(jù)允許溫度壓力計算允許溫升［ΔTu］。公式為

式中：［P］為鋼軌允許溫度壓力；△P為鋼軌伸縮力最大值；F為鋼軌截面面積。

3種方案允許溫升與實(shí)際溫升見表5。可以看出，3種方案均能滿足無縫線路允許溫升要求。

表5 3種方案允許溫升與實(shí)際溫升 ℃

4 推薦方案

對比3 種方案的檢算結(jié)果，只有方案3 滿足本橋無縫線路強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，故采用方案3。

為減少運(yùn)營中軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量，本著重載鐵路長大橋梁上慎用小組力扣件和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的理念，將零阻力［9］的概念引進(jìn)設(shè)計方案中，即采用可滑動扣件（研線1804-60ps），使梁端位置的鋼軌沿縱向可以自由伸縮，垂向仍受約束，如圖7所示?？苫瑒涌奂饶芙档途€路縱向阻力，又能有效保證軌道幾何狀態(tài)。通過在梁端伸縮較明顯地段合理設(shè)置可滑動扣件，配合小阻力扣件，能有效降低梁軌相互作用，滿足無縫線路強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。圖8為現(xiàn)場鋪設(shè)情況。

圖7 60 kg/m鋼軌用可滑動扣件組裝示意

圖8 60 kg/m鋼軌用可滑動扣件現(xiàn)場鋪設(shè)情況

5 結(jié)論

根據(jù)蒙華鐵路李家灣跨焦柳線特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對開行列車軸重大、曲線半徑小的線路條件，擬定了3種橋上無縫線路扣件鋪設(shè)方案。

貨車工況下方案1 實(shí)際溫降不滿足要求；方案2鋼軌應(yīng)力已非常接近鋼軌容許應(yīng)力，安全余量不足；方案3 在不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的情況下，橋上無縫線路鋼軌的伸縮力、撓曲力都相對較小，其鋼軌強(qiáng)度及線路穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求，因此推薦方案3，即在主橋連續(xù)梁較小溫度跨側(cè)邊跨設(shè)置小阻力扣件，在較大溫度跨側(cè)梁縫兩側(cè)各10 m 小范圍采用60 kg/m 鋼軌用零阻力扣件的設(shè)計方案。