謝愛華

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著我國交通線路網(wǎng)的不斷完善，出現(xiàn)大量的新建道路、新建城市市政排水系統(tǒng)、城市道路與既有鐵路相互交叉，需要下穿站場(chǎng)、道岔區(qū)段等復(fù)雜情況。道岔區(qū)段鐵路線相互交匯，線間距與曲線半徑小，轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)燈、道岔拉桿等相關(guān)設(shè)備多，同時(shí)線路要求高，直股與曲股之間的軌道受力也比較復(fù)雜，路基的下沉和不均勻沉降容易引起病害。以往下穿工程通常會(huì)選擇避開道岔區(qū)段，但近些年隨著城市交通工程的發(fā)展，越來越多的線路不可避免地需要下穿道岔區(qū)段[1－5]。傳統(tǒng)的下穿加固技術(shù)如縱橫梁法，沿鐵路線設(shè)置的樁位較多，另一側(cè)搭在下方框架涵的涵頂，頂推過程中若框架涵出現(xiàn)扎頭、偏位時(shí)，容易造成線路的傾斜或是過大變形，一旦在尖軌段或轍叉段出現(xiàn)變形過大，尖軌與基本軌不密貼導(dǎo)致軌距擴(kuò)大，將會(huì)危及行車安全。

道岔區(qū)段采用便梁加固等于以橋代路，由于道岔區(qū)從岔尖區(qū)到轍叉區(qū)線路數(shù)量發(fā)生變化，需要加固的區(qū)域較寬[6－7]。因此需要一種縱橫向剛度大、斷面寬，并在施工中避免抽換岔枕的加固方式，達(dá)到快速施工和恢復(fù)線路，對(duì)營業(yè)線擾動(dòng)少，不中斷行車，軌道條件好等目的，因此本文依托中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，研究提出滿足上述要求的道岔便梁加固結(jié)構(gòu)。

2 道岔便梁主要技術(shù)條件分析

道岔便梁技術(shù)條件主要從活載、限速、便梁剛度、線路條件等幾方面進(jìn)行分析，并根據(jù)道岔區(qū)線路岔心和岔尾兩個(gè)部位分別分析豎向剛度要求。

2.1 活載

道岔便梁屬于臨時(shí)性鋼梁，設(shè)計(jì)時(shí)參考的規(guī)范主要有?鐵路橋梁搶修(建)技術(shù)規(guī)程(試行)?[8](以下簡(jiǎn)稱?搶規(guī)?)和?鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范TB 10002—2017?(以下簡(jiǎn)稱?橋規(guī)?)。在搶修工況下，應(yīng)急與短期使用年限一般在1～5年，設(shè)計(jì)活載為東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車單機(jī)隨掛70 kN/m均布活載。而營業(yè)線臨時(shí)架空時(shí)間多在半年以內(nèi)，且不可能做到限載，因此道岔便梁設(shè)計(jì)活載依據(jù)架空線路設(shè)計(jì)活載及運(yùn)營活載選定，目前各類工程中涉及到的設(shè)計(jì)活載主要為高速鐵路ZK活載、客貨共線ZKH活載與中活載3種。

2.2 限速

一般道岔區(qū)段離車站較近，運(yùn)營列車繁忙，安全要求高，參考既有D型便梁設(shè)計(jì)限速為60 km/h，且不低于鐵路營業(yè)線施工限速45 km/h，因此道岔便梁的設(shè)計(jì)限速定為60 km/h，不僅在設(shè)計(jì)上可留有一定富裕量，使便梁適應(yīng)鐵路荷載的覆蓋面更廣，也可提高客貨共線和高速鐵路架空加固后的通過能力和舒適度。

2.3 沖擊系數(shù)

?橋規(guī)?中的沖擊系數(shù)計(jì)算公式為:1＋μ＝1＋28/(40＋L)。

?搶規(guī)?中的沖擊系數(shù)計(jì)算公式為:1＋μ＝1＋φ28/(40＋L)。

式中:φ為折減系數(shù)，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車和車輛，當(dāng)行車速度V＝60～120 km/h時(shí)，φ＝0.75；當(dāng)V<60 km/h時(shí)，φ＝0.75 V/60。

從上述兩種不同規(guī)范關(guān)于沖擊系數(shù)的計(jì)算公式可以看出:由于臨時(shí)性鋼梁的限速較低，且為了更大限度地利用鋼材承載能力，重點(diǎn)保證應(yīng)急與短期使用年限，在設(shè)計(jì)上不至于過于保守浪費(fèi)，?搶規(guī)?相較于?橋規(guī)?對(duì)沖擊系數(shù)取0.75的折減系數(shù)，并對(duì)60 km/h以下速度進(jìn)一步折減。為進(jìn)一步明確兩個(gè)公式哪個(gè)更適用于臨時(shí)鋼梁的設(shè)計(jì)使用，結(jié)合B型梁(L＝24 m)動(dòng)載試驗(yàn)報(bào)告的有關(guān)數(shù)據(jù)，主要列出B型梁主梁跨中、主梁拼接處、橫梁上翼緣在4 種理論限速15 km/h、30 km/h、45 km/h 及60 km/h下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)，與依據(jù)?搶規(guī)?和?橋規(guī)?沖擊系數(shù)計(jì)算方法的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1 B型梁(L＝24 m)不同限速下動(dòng)載沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由表1可以看出:45 km/h至60 km/h時(shí)，縱橫梁實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)隨速度增加而增大，?橋規(guī)?計(jì)算的主梁沖擊系數(shù)約為實(shí)測(cè)值的1.25倍，?搶規(guī)?計(jì)算的主梁沖擊系數(shù)約為實(shí)測(cè)值的1.15倍；?橋規(guī)?計(jì)算的橫梁沖擊系數(shù)約為實(shí)測(cè)值的1.15倍，?搶規(guī)?計(jì)算的橫梁沖擊系數(shù)約為實(shí)測(cè)值的1.05倍。由以上數(shù)據(jù)分析對(duì)比，沖擊系數(shù)應(yīng)按?搶規(guī)?計(jì)算，即留有一定的安全富裕量，也不致于造成較大浪費(fèi)。

2.4 豎向剛度

參考D型便梁豎向剛度以及?普速鐵路線路修理規(guī)則?[9]中“道岔軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值”與“軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值”要求綜合確定。

(1)岔心段道岔便梁剛度

岔心位置處存在轉(zhuǎn)轍機(jī)、活動(dòng)尖軌等設(shè)備[10]，為避免便梁撓度及振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)工作及尖軌滑動(dòng)產(chǎn)生影響，參考“軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值”中Vmax≤120 km/h、正線Ⅲ級(jí)時(shí)的軌道高低容許值20 mm，以該值作為軌道在便梁跨度范圍內(nèi)的高低容許值，由此反推在不考慮沖擊系數(shù)后的道岔便梁縱梁豎向剛度容許值。表2為ZKH靜活載下各類常用跨度的岔心段道岔便梁縱梁撓度建議值。

表2 岔心段道岔便梁縱梁撓度建議值

(2)岔尾段道岔便梁剛度

轍岔及岔尾段等不存在轉(zhuǎn)轍機(jī)的區(qū)域，根據(jù)已有相關(guān)的下穿工程經(jīng)驗(yàn)，該區(qū)域沒有必要采用岔心段剛度要求。在轍岔和岔尾地段，列車通過主線或側(cè)線時(shí)縱梁會(huì)受到一定程度的偏載，在參考D型梁剛度基礎(chǔ)上適當(dāng)提高岔尾段道岔便梁豎向剛度至Lp/500，有利于轍岔及岔尾段道岔便梁的受力均衡及軌道變形控制。

2.5 橫向剛度

我國鐵路隨著列車速度的提高，對(duì)橋梁橫向剛度的規(guī)定日益明確，鐵路運(yùn)營單位也對(duì)便梁的橫向剛度提出過檢算要求，但鐵路臨時(shí)性鋼梁設(shè)計(jì)所參照的?搶規(guī)?中，并沒有對(duì)橫向剛度提出明確要求，而?橋規(guī)?中1/4 000水平撓度容許值對(duì)于臨時(shí)性鋼梁過于嚴(yán)苛，這使得設(shè)計(jì)人員在對(duì)臨時(shí)鋼梁橫向剛度的把握上無可參考依據(jù)。參照既有便梁豎向剛度與?橋規(guī)?中豎向剛度的比例關(guān)系，提出道岔便梁的水平撓度限值按跨度的1/2 000控制。由于道岔便梁使用跨度不大，在設(shè)計(jì)與運(yùn)營限速下，通過多年使用檢驗(yàn)證明該橫向剛度是安全的。

道岔段由于常存在小曲線半徑或兩條正線軌底有相對(duì)高差的情況，通常會(huì)將樁頂做成斜坡，便梁采取整體斜置的方式，由此因斜置產(chǎn)生的橫向分力會(huì)增大便梁結(jié)構(gòu)的橫向變形。以32 m便梁在100 mm超高值下其斜置角度為3.8°為例，通過增加架設(shè)過程施工工況分析，累積縱梁自重下的橫向位移、縱橫梁連接成整體后自重下的橫向位移，以及搖擺力、橫向風(fēng)力、離心力、列車活載作用下的橫向位移后，斜置架設(shè)后便梁橫向位移值約是平置架設(shè)的1.5倍。因此采用斜置便梁以滿足超高或軌底高差時(shí)，應(yīng)綜合考慮架設(shè)過程的影響，適當(dāng)提高便梁橫向剛度。

2.6 線路條件

道岔便梁主要針對(duì)單開、交叉渡線、復(fù)式交分等道岔，也可擴(kuò)大應(yīng)用至線間距4～5.6 m的雙線鐵路。

3 道岔便梁結(jié)構(gòu)方案

3.1 總體結(jié)構(gòu)

道岔區(qū)便梁的總體布置方案主要考慮下穿框架橋、道岔型號(hào)、道岔區(qū)段、岔枕角度與間距、線間距、限界[11]、軌底至框架橋頂距離等方面因素，遵循“因形而設(shè)、經(jīng)濟(jì)緊湊”的原則，兩側(cè)縱梁分別為平行于正線方向或平行于岔線方向，形成八字形、小角度平行四邊形或方形平面結(jié)構(gòu)。在部件設(shè)計(jì)上，通過采取低高度加長(zhǎng)橫梁、高承載力縱梁、簡(jiǎn)化平聯(lián)、配套多類型道岔扣件等一系列措施，形成各類道岔便梁結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2。

圖1 單開道岔便梁平面(單位:m)

圖2 渡線道岔平面(單位:m)

3.2 部件結(jié)構(gòu)

道岔便梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件種類少，安裝方法便于施工單位掌握。各個(gè)主要部件具有以下特點(diǎn):

(1)道岔便梁通常采用直接架空2條正線及渡線的方式，斷面寬度在11 m左右，見圖3。

(2)縱梁為窄箱形截面，24 m跨度縱梁高度一般在1.7 m以內(nèi)，寬度根據(jù)外側(cè)線間距下可用空間大小以及橫向剛度要求確定。

(3)橫梁為工字形，長(zhǎng)度最大在10 m左右，高度在0.5～0.65 m之間，兩端通過連接板及隅撐與縱梁加勁肋連接。

(4)下平聯(lián)采用雙交叉型式，取消連接板，將平聯(lián)角鋼直接與橫梁下翼緣連接，減少一半連接螺栓[12]，在有效保證橫向變形的情況下大大減化現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量。

(5)結(jié)合使用單位習(xí)慣，提出3種道岔便梁扣件種類，以解決小間隙鋼軌固定問題。其中A型扣件主要用于正線鋼軌的固定，通過螺栓與橫梁連接；B、C型扣件用于渡線鋼軌的固定，采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方式與橫梁連接，見圖4。

圖4 道岔便梁軌道扣件

4 結(jié)束語

本文提出的道岔便梁設(shè)計(jì)指標(biāo)，在綜合考量臨時(shí)鋼梁安全性與經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，明確了沖擊系數(shù)、橫豎向剛度及施工過程分析等要求，對(duì)于道岔便梁設(shè)計(jì)尺度的把控以及保證既有線施工運(yùn)營安全提供了依據(jù)，同時(shí)本文提出的道岔便梁結(jié)構(gòu)也在單開道岔、交叉渡線道岔及雙線鐵路中成功應(yīng)用，減少了道岔線路對(duì)市政設(shè)施、公路選線的影響，降低了對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_，給使用單位帶來了較好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。