譚社會，林超，梅琴

高速鐵路有砟軌道鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器運營狀態(tài)研究

譚社會1，林超2, 3，梅琴2, 3

(1. 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071；2. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3. 鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430063)

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器是高鐵線路養(yǎng)護(hù)維修的重點。以合福高鐵銅陵長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器為研究對象，通過對其服役狀態(tài)進(jìn)行全天候監(jiān)控，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)和日常養(yǎng)護(hù)維修資料，獲得鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器服役狀態(tài)變化規(guī)律，提出鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器養(yǎng)護(hù)維修建議：1) 夏季重點對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及其前后150 m線路范圍的幾何形位進(jìn)行測量；2) 根據(jù)季節(jié)采用不同的道床搗固頻率，秋季和冬季每月進(jìn)行1次，春季和夏季每月進(jìn)行2次及以上；3) 當(dāng)發(fā)現(xiàn)左右股鋼軌出現(xiàn)伸縮不一致時，要加強(qiáng)潤滑涂油工作，保持2股鋼軌的阻力一致；4) 定期檢查鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器軌下膠墊和其他墊片的狀態(tài)，及時修正扣件狀態(tài)并更換失效部件。

高速鐵路；鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器；服役狀態(tài)；全天候監(jiān)控；變化規(guī)律

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器[1]是為解決大跨度(一般指溫度跨度超過200 m)橋梁梁體和鋼軌的相對位移及鋼軌允許應(yīng)力而設(shè)置。由于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)尖軌與基本軌存在相對滑動、大跨度橋梁存在縱向伸縮，且這兩者往往難以協(xié)調(diào)一致，因此，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)是高速鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器按軌道結(jié)構(gòu)分為有砟和無砟2種類型，目前國內(nèi)已開通的高速鐵路大跨度橋梁主要采用有砟軌道。從運營狀態(tài)來看，鋼軌調(diào)節(jié)器區(qū)主要存在軌道幾何形位不良、軌枕歪斜、鋼軌光帶不良等病 害[2?3]?；谏鲜銮闆r，近年來國內(nèi)專家學(xué)者針對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的病害開展了相關(guān)研究：潘成杰[4]匯總了淮河大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器運營過程中出現(xiàn)的病害，提出了減緩伸縮調(diào)節(jié)器劣化的控制措施；孫積順等[5]通過對蕪湖長江大橋伸縮調(diào)節(jié)器常見病害的分析，提出了處理措施和保養(yǎng)建議。但總體來看，對于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)在服役過程中的變形規(guī)律研究較少，尚缺乏制定針對性養(yǎng)修措施的基礎(chǔ)與參考。據(jù)此，本文選取合福高鐵銅陵長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器為研究對象，借鑒國內(nèi)外類似軌道監(jiān)測系統(tǒng)[6?10]的監(jiān)測方法，通過對其服役狀態(tài)進(jìn)行全天候監(jiān)控，同時結(jié)合動靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)和養(yǎng)護(hù)維修臺賬，掌握大跨度連續(xù)梁在溫度荷載作用下的梁縫變形特點、伸縮裝置與調(diào)節(jié)器的伸縮變化規(guī)律，為養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。

1 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測方案

1.1 監(jiān)測工點

合福高鐵銅陵長江大橋全長1 290 m，橋跨布置(90+240+630+240+90) m，為五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋。主橋鋼桁梁兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，梁縫處設(shè)抬軌裝置。雙線兩端共鋪設(shè)4組BWG SA60- 1200型單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器(基本軌設(shè)在鋼梁區(qū)域)，伸縮量達(dá)到±600 mm。銅陵長江大橋梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器布置位置如圖1所示。

圖1 銅陵長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器布置位置示意圖

1.2 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)維護(hù)重點及養(yǎng)修規(guī)律探索需求[11?12]，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)布設(shè)監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。

1.3 監(jiān)測方法

為確保監(jiān)測的準(zhǔn)確性，對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)軌道結(jié)構(gòu)部件的位移，采用圖像識別技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測；對于大氣溫度、橋梁梁縫值、結(jié)構(gòu)溫度等外部參數(shù)，采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

表1 銅陵長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測內(nèi)容

(a) 尖軌位移監(jiān)測；(b) 橋梁梁縫位移傳感器

1.4 測點布置方案

1.4.1 鋼軌伸縮位移測點

一組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置尖軌尖端伸縮位移測點和基本軌跟端伸縮位移測點各2個，分別位于尖軌前端和基本軌跟端。在測點處黏貼位移標(biāo)識牌并安裝視頻攝像頭，通過圖像識別的方法獲取位移值。鋼軌伸縮位移測試精度為0.1 mm。

1.4.2 軌枕間距

一組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置軌枕間距及變形測點2個。一個測點位于梁縫處，測量鋼枕與鋼枕間距、鋼枕與混凝土枕間距和混凝土枕與混凝土枕間距；一個測點位于基本軌跟端，主要測量基本軌跟端附近的混凝土軌枕的間距變化。在測點處粘貼位移標(biāo)識牌并安裝視頻攝像機(jī)，通過圖像識別的方法獲取軌枕間距值，如圖3所示。軌枕間距的測試精度為1 mm。

1.4.3 橋梁梁縫值測點

在銅陵長江大橋主橋的兩側(cè)梁端(銅陵端和無為端)的梁縫處分別設(shè)置了2個橋梁梁縫位移傳感器，傳感器分別位于線路的上行線側(cè)和下行線側(cè)。橋梁梁縫值的測試精度為0.1 mm。

1.4.4 溫度測點

溫度的監(jiān)測內(nèi)容包括氣溫、軌溫和橋梁溫度。氣溫測點1個，設(shè)置在橋墩上；軌溫測點1組調(diào)節(jié)器4個，基本軌和尖軌上各2個；橋梁溫度測點4個，混凝土橋和鋼橋上各2個。溫度傳感器的測試精度為0.1 ℃。

1.4.5 結(jié)構(gòu)表觀狀態(tài)測點

一組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置結(jié)構(gòu)表觀狀態(tài)測點2個，借助視頻攝像頭對剪刀叉狀態(tài)、扣件墊板竄出情況等進(jìn)行識別。

有砟軌道鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的測點布置方案如圖4所示。

圖3 鋼軌及軌枕上黏貼的位移標(biāo)識牌

2 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過對合福高鐵銅陵長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)進(jìn)行了一年期的觀測(2017年7月～2018年6月)，主要監(jiān)測數(shù)據(jù)如下。

圖4 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器長期監(jiān)測測點布置方案

2.1 基本軌跟端伸縮位移

圖5為合福高鐵銅陵長江大橋上行線左、右2股基本軌的伸縮位移量隨時間變化趨勢圖，圖5(a)中正值表示鋼軌沿著鋼橋向相鄰混凝土簡支梁的方向伸縮，負(fù)值表示鋼軌沿著簡支梁向鋼橋的方法伸縮。從圖5(a)中可以看出，夏季隨著溫度的升高，鋼軌向著遠(yuǎn)離鋼橋的方向移動。鋼軌位移是由2部分引起的，一部分是鋼軌的自由伸縮(基本軌的布置方向見圖1)，另一部分是由于升溫導(dǎo)致梁縫變小，鋼梁向簡支梁移動帶動基本軌一起移動。圖5(b)中左、右2股基本軌的伸縮位移量值量基本一致，伸縮位移量差值在0～4.0 mm之間。全年基本軌的伸縮變化量為447.4 mm(±223.7 mm)，滿足設(shè)計伸縮量程(±600 mm)。

(a) 上行線左、右兩股基本軌的伸縮位移量值；(b) 上行線左、右兩股基本軌的伸縮位移量差值

備注：受橋上電源中斷影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)缺失。

2.2 橋梁梁縫寬度

圖6為合福高鐵銅陵長江大橋梁縫寬度隨時間變化曲線圖。從圖中可以看出，夏季(7月份)梁縫最小寬度為485.6 mm，冬季(1月份)梁縫最大寬度為856.2 mm，全年的梁縫伸縮變化量為370.6 mm (±185.3 mm)，基本軌伸縮變化量趨勢與梁縫伸縮的變化趨勢相同。

由于基本軌伸縮變化量=橋梁梁縫變化量+鋼軌自身伸縮量，因此全年大跨度橋上基本軌由于溫度變化引起的伸縮變化量為±38.4 mm。由于全年鋼軌的溫度變化范圍在?5.7～43.8 ℃，可以大致推算出大跨度橋上鋼軌伸縮區(qū)長度為130 m。因此日常檢查維護(hù)時可以重點對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器單元前后150 m線路范圍的幾何形位進(jìn)行測量。

圖6 合福高鐵銅陵長江大橋梁縫寬度隨時間變化曲線圖

備注：受橋上電源中斷影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)缺失。

2.3 道床狀態(tài)

為探索鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌跟端的日伸縮變形量(/mm)與大氣溫度日變化量(/℃)之間的關(guān)系，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合曲線公式分 別為：

據(jù)此，在相同的溫差條件下(10 ℃)，4個季度對應(yīng)的鋼軌伸縮位移量分別為62.0，87.0，82.5和59.3 mm。鑒于有砟軌道扣件阻力大于道床阻力，因此鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌伸縮主要受道床阻力制約。在相同溫差條件下，鋼軌的縱向位移量越大，說明道床的縱向阻力越小。因此，應(yīng)優(yōu)化現(xiàn)有的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)段搗固規(guī)律，即為了保證道床的服役狀態(tài)，秋季和冬季維持目前每月一次的搗固周期不變，春季和夏季調(diào)整為每月2次的搗固周期。

2.4 現(xiàn)場病害

2017年7月23日，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場扣件的墊板竄出，導(dǎo)致基本軌在伸縮過程中出現(xiàn)擠壓扣件墊板的情況。發(fā)現(xiàn)上述情況后，設(shè)備管理單位及時對扣件墊板進(jìn)行了調(diào)整。圖7為監(jiān)測系統(tǒng)拍攝到的基本軌伸縮擠壓扣件墊板的過程。

(a) 擠壓前；(b) 擠壓后

3 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器日常檢測數(shù)據(jù)分析

3.1 動態(tài)檢測數(shù)據(jù)分析

圖8為全年鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器TQI指標(biāo)接近超限情況統(tǒng)計圖。從圖8可以看出，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器接近超限根據(jù)季節(jié)變化呈拋物線變化，溫度越高，接近超限數(shù)據(jù)越多。

圖8 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器TQI接近超限情況統(tǒng)計

備注：監(jiān)測周期內(nèi)調(diào)節(jié)器無超限情況，圖中為接近超限數(shù)據(jù)。

綜上可知，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器TQI接近超限情況統(tǒng)計趨勢與道床狀態(tài)變化趨勢相同，均表現(xiàn)出秋冬季節(jié)的軌道狀態(tài)要優(yōu)于春夏季節(jié)。分析其原因，一是鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器受溫度影響較為敏感，二是鋼軌高低不平順受道床密實度影響較大。

3.2 靜態(tài)檢測情況

2017年7月～2018年6月期間人工檢查幾何尺寸良好，未發(fā)現(xiàn)靜態(tài)人工檢查幾何尺寸超限，數(shù)據(jù)正常。

4 結(jié)論

1) 夏季早晚溫差大，梁軌相互作用劇烈，軌道幾何狀態(tài)不易保持。大跨度橋梁養(yǎng)護(hù)維修重點為鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及其前后150 m線路范圍。

2) 建議鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)段根據(jù)季節(jié)采用不同的道床搗固頻率，即秋季和冬季每月進(jìn)行1次道床搗固作業(yè)，春季和夏季每月進(jìn)行2次及以上的道床搗固作業(yè)。

3) 當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器左右股鋼軌出現(xiàn)伸縮不一致時，要加強(qiáng)潤滑涂油工作，保持2股鋼軌的阻力一致。

4) 在鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌伸縮過程中，部分軌下膠墊可能會產(chǎn)生偏移、變形甚至脫落串出。維護(hù)人員應(yīng)重點檢查鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器軌下膠墊狀態(tài)，及時修正扣件狀態(tài)，更換失效的部件。

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Study on the operation status of ballasted track inthe rail expansion joint of high-speed railway

TAN Shehui1, LIN Chao2, 3, MEI Qin2, 3

(1. China Railway Shanghai Group Co., Ltd., Shanghai 200071, China;2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China; 3. Hubei Key Laboratory of Track Security Service, Wuhan 430063, China)

The area where the rail expansion joint located is the key section of high-speed railway maintenance. In this paper, the rail expansion joint of Tongling Changjiang River Bridge of Hefu high-speed railway was taken as the research object. Through the all-weather monitoring of the service status of the rail expansion joint, combined with the test data and the daily maintenance data, the change rule of the service status of the rail expansion joint was obtained, which provided guidance for the maintenance and repair of the rail expansion regulator of high-speed railway. In the summer, the geometric shape and position of the rail expansion joint with its front and rear 150 meter range are mainly measured. The tamping frequency of ballasted track is seasonally different that once a month in autumn and winter, and twice or more in spring and summer. When the expansion and contraction of the left and right rails are inconsistent, it is necessary to strengthen the lubrication and oiling work to keep the resistance of the two rails consistent. It is necessary to regularly check the status of the under rail pads and other pads of the rail expansion joint, and timely revise the fastener status, or replace the failed components.

high-speed railway; the rail expansion joint; service status; all-weather monitoring; change regularity

10.19713/j.cnki.43?1423/u. T20200577

U216.3

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 0837 ? 07

2020?06?23

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B01)；國家自然科學(xué)基金資助項目(50908179)；上海市自然科學(xué)基金資助項目(11ZR1439200)；湖北省技術(shù)創(chuàng)新重大專項(2019AAA059)；中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科研課題(2018K014)

譚社會(1973?)，男，安徽碭山人，高級工程師，從事高速鐵路線路養(yǎng)護(hù)、新線介入、精密工程測量等方面研究；E?mail：672699091@qq.com

(編輯 陽麗霞)