吳定翔 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器（簡稱溫調(diào)器）作為一種類似道岔結(jié)構(gòu)的鐵路工務(wù)設(shè)備，主要用于無縫線路橋梁地段鋼軌應(yīng)力釋放與緩沖。溫調(diào)器按結(jié)構(gòu)分為單向溫調(diào)器和雙向溫調(diào)器，按用途分為有砟溫調(diào)器和無砟溫調(diào)器。溫調(diào)器設(shè)置跟橋梁溫度跨度有關(guān)，德國設(shè)置溫調(diào)器標準為溫度跨度超高60 m的鋼結(jié)構(gòu)橋梁或溫度跨度超高90 m的混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，中國目前溫度跨度超高200 m的橋梁設(shè)置溫調(diào)器。

五峰山長江大橋為連淮揚鎮(zhèn)鐵路控制性橋梁設(shè)備，懸索橋主跨跨度為1 092 m，溫度跨度較大，為了確保軌道結(jié)構(gòu)安全性，采用有砟道床并上下行各鋪設(shè)2組溫調(diào)器，具體布置形式如圖1 所示，溫調(diào)器鋪設(shè)型號為BWG SA60-1800B 型單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，伸縮量達到±900 mm。大橋4 組溫調(diào)器自2020 年12 月11 日開通運營以來，除個別溫調(diào)器軌枕出現(xiàn)貫通裂紋外結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。但在溫度變化過程中鋼軌和梁體同時伸縮可能造成混凝土枕竄動，從而出現(xiàn)軌距、軌向病害、動檢I 及Ⅱ偏差、晃車儀報警、添乘人體感覺不良、軌下膠墊竄出、剪刀叉扭曲、扣件松動等動靜態(tài)病害，溫調(diào)器作為工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護過程中的三大薄弱環(huán)節(jié)之一，設(shè)備結(jié)構(gòu)和幾何尺寸狀態(tài)是否良好需要進行實時監(jiān)測與分析。

圖1 五峰山長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器布置示意圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

鋼軌溫度伸縮調(diào)節(jié)器監(jiān)測實施主要通過位移傳感器、傾角傳感器等振弦式傳感器監(jiān)測D 值（兩固定鋼枕間距）、固定鋼枕相對橋梁擋砟墻間距G 值、固定鋼枕翻轉(zhuǎn)傾角等參數(shù)，以實現(xiàn)對伸縮調(diào)節(jié)器的狀態(tài)實時預(yù)警，分為D 值監(jiān)測模塊、固定鋼枕位移監(jiān)測模塊及傾角監(jiān)測模塊，其中D 值監(jiān)測模塊安裝在溫調(diào)器1#和6#鋼枕左右股外側(cè)上，固定鋼枕位移監(jiān)測模塊安裝在3#鋼枕左右股外側(cè)上，傾角監(jiān)測模塊安裝在靠橋梁欄桿單側(cè)1#、3#、6#鋼枕枕頭處，3 種監(jiān)測系統(tǒng)具體布設(shè)見圖2。

圖2 鐵路溫調(diào)器平面布置示意圖

3 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)運用分析

針對大橋溫調(diào)器尖軌固定，基本軌隨著氣溫變化自由伸縮和梁體熱脹冷縮的特性，通過一周累積數(shù)據(jù)分析軌溫、氣溫、梁溫三種溫度工況溫調(diào)器D值、G值、傾角變化情況。

圖4 五峰山大橋1#溫調(diào)器梁溫及D值變化規(guī)律圖

從圖3-圖5可看出隨著軌溫、梁溫、氣溫變化D值也隨之變化，軌溫、梁溫、氣溫升高D 值變小，氣溫下降D 值變大，2#～4#溫調(diào)器也呈相同規(guī)律。從曲線走向及峰值大小來看，D值變化與氣溫符合性較好，主要由于在陽光照射下軌溫與梁溫變化是漸變的過程，具有一定的延遲，沒有氣溫靈敏度高。由于五峰山大橋跨越長江，受光照和風(fēng)速等外界因素影響，橋梁不同位置氣溫峰值和變化情況差別顯著，如圖6、圖7 所示，2#溫調(diào)器中心里程為K318+250，3#溫調(diào)器中心里程為K319+580，兩者距離1.33km但氣溫變化情況截然不同。

圖3 五峰山大橋1#溫調(diào)器軌溫及D值變化規(guī)律圖

圖6 2#溫調(diào)器D值隨氣溫變化

圖7 3#溫調(diào)器D值隨氣溫變化

3.1 溫調(diào)器D值監(jiān)測運用與分析

溫調(diào)器左右股固定鋼枕間距D 值監(jiān)測是五峰山大橋溫調(diào)器設(shè)備監(jiān)測一項重點指標，當(dāng)固定鋼枕D 值變化過大時會導(dǎo)致溫調(diào)器及前后線路軌道框架幾何尺寸變化導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響高鐵列車運行品質(zhì)。D 值通過拉線位移傳感器和鋼枕翻轉(zhuǎn)角度測量解算獲取，具體如下：

式中：D1、D2—溫調(diào)器左右股固定鋼枕間距；

a1、b1—溫調(diào)器1#鋼枕到3#鋼枕傳感器測量值；

a2、b2—溫調(diào)器3#鋼枕到6#鋼枕傳感器測量值；

q1、q2、q3—溫調(diào)器1#、3#、6#鋼枕傾角值；

T11為位移傳感器1測量起始點至1#軌中心的距離，T12為位移傳感器2 測量起始點至6#軌中心的距離，T13為錨把的寬度；

ΔD—左右股固定鋼枕間距差值。

通過五峰山大橋一體化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對溫調(diào)器D值數(shù)據(jù)變化情況進行日常跟蹤分析，并根據(jù)季節(jié)特點選取溫調(diào)器冬季和春季部分代表性數(shù)據(jù)進行分析，具體如表1、表2所示。

表1 不同季節(jié)1-4#溫調(diào)器ΔD極值情況

表2 不同季節(jié)1-4#溫調(diào)器D值隨溫度變化情況

根據(jù)表1 可以看出氣溫升高，溫調(diào)器D 值變小，但ΔD 值既可能變小也可能變大，說明同一處溫調(diào)器氣溫變化時，左股和右股鋼枕間距變化量不同，表2中D1、D2隨溫度平均變化率不同也可以論證。五峰山大橋主橋長1 428 m，采用（84+84+1092+84+84）m 跨徑布置，鋼材線膨脹系數(shù)1.18×10-5/℃，理論核算鋼梁單側(cè)隨溫度變化率約為8.42 mm/℃。D 值與理論計算鋼梁隨溫度變化率不一致說明除了氣溫為主要影響D值變化因素外還有其他影響因素如：風(fēng)速導(dǎo)致大橋線性變化、橋梁跨中垂向位移、列車牽引力、傾角數(shù)據(jù)異常等。

溫調(diào)器鋼枕連接混凝土枕軌枕，軌枕間距容許偏差為±20 mm，連續(xù)6 根間距容許偏差為±30 mm，當(dāng)軌枕間距超過20 mm 需要上道檢查，超過30 mm 需要安排維修計劃進行整治。溫調(diào)器鋼枕框架發(fā)生幾何變化能帶動其后混凝土枕間距變化，由于道床阻力和橋梁擋砟墻的存在，混凝土枕間距變化量要小于固定鋼枕間距（D值）變化量。當(dāng)兩側(cè)固定鋼枕間距差值最大值（ΔD）超高30 mm時，溫調(diào)器設(shè)備管理單位就需要上道檢查溫調(diào)器連接零件結(jié)構(gòu)狀態(tài)和相鄰混凝土枕結(jié)構(gòu)狀態(tài)及軌枕間距，同時可結(jié)合日常車載晃車儀數(shù)據(jù)和動檢數(shù)據(jù)進行綜合分析。

從表 1 可知 3#、4#溫調(diào)器ΔD值最大分別為 12 mm 和11.27 mm，在可控范圍內(nèi)但需要加強日常監(jiān)測，除了對溫調(diào)器ΔD值變化進行峰值管理外，對ΔD值隨溫度和時間變化情況也進行分析，通過冬季和春季一周內(nèi)△D隨溫度變化率進行數(shù)據(jù)分析。

式中：ΔD1、ΔD2—不同時刻固定鋼枕相錯量；

T1、T2—不同時刻氣溫；

從圖8、圖9 可以看出1#、2#溫調(diào)器，3#、4#溫調(diào)器△D 隨溫度變化率曲線雖然峰值差別較大但變化趨勢基本一致，主要由于同一位置上下行溫調(diào)器道床阻力和接收光照情況不同。k值最大處一般位于早晨或下午氣溫最高及最低時刻，冬季k值最大為1.74 mm/℃，春季k 值最大為 0.56 mm/℃，說明冬季溫調(diào)器固定枕框架幾何形態(tài)變化相對較快，需要加強盯控。

圖8 冬季1#～4#溫調(diào)器△D一周內(nèi)隨時間變化情況

圖9 春季1#～4#溫調(diào)器△D一周內(nèi)隨時間變化情況

3.2 溫調(diào)器G值監(jiān)測運用與分析

上下行溫調(diào)器梁端鋼枕中心與橋梁梁縫擋砟板間距為G11、G12、G21、G22，通過表3中3個月的監(jiān)測情況統(tǒng)計來看，數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，2 月份4#溫調(diào)器G12和G22出現(xiàn)異常最大值與最小值差值分別達到52.23 mm和53.81 mm，經(jīng)過分析為正橋固定枕傾角傳感器出現(xiàn)異常導(dǎo)致Q3傾角值接近-15°，剔除特殊情況G值最大變化量為9.7 m，在安全可控范圍。

表3 溫調(diào)器G值變化情況統(tǒng)計表

3.3 溫調(diào)器傾角監(jiān)測運用與分析

溫調(diào)器傾角用于反映鋼枕翻轉(zhuǎn)情況，主要測量鋼枕縱向和垂直鋼枕方向的角度變化，通過測量出傾角值來補償D值，傾角測量精度為0.05°，量程范圍為±15°。從表4中3個月數(shù)據(jù)來看變化幅度不大，2月份4#溫調(diào)器傾角值最小值將近-15°，具體如圖10 所示，通過現(xiàn)場排查為監(jiān)測設(shè)備故障，更換新的傳感器、連接線并對機柜連接接頭重新加固安裝后恢復(fù)正常。200 km/h～250 km/h線路（含溫調(diào)器）軌道動態(tài)質(zhì)量一級偏差容許偏差管理值為5 mm，固定鋼枕寬度為320 mm，當(dāng)固定鋼枕翻轉(zhuǎn)高度為5 mm時，傾角值約為0.9°。由于溫調(diào)器實際列車通過速度不超過160 km/h，當(dāng)溫調(diào)器固定枕傾角值持續(xù)超高1°時，理論上可能造成溫調(diào)器動檢一級偏差。

表4 溫調(diào)器傾角變化情況統(tǒng)計表

圖10 大橋4#溫調(diào)器傾角監(jiān)測異常變化情況

4 建議與對策

通過五峰山長江大橋溫調(diào)器監(jiān)測裝置的安裝及現(xiàn)場應(yīng)用，為了防止溫調(diào)器D 值和G 值變化過快和峰值過大造成一系列結(jié)構(gòu)及幾何尺寸病害，維護部門在日常檢養(yǎng)修過程中需要做好以下幾點：

（1）加強溫調(diào)器及前后線路扣件扭力距日常周期檢查，確保不同結(jié)構(gòu)的扭矩在鋪設(shè)圖和設(shè)計文件規(guī)定的合理范圍內(nèi)，使基本軌左右股鋼軌伸縮過程中受到約束力盡可能一致，同時建議工務(wù)部門在軌枕處對溫調(diào)器不同部位扣件螺栓扭矩進行標識刷新，方便作業(yè)人員按標作業(yè)。

（2）在溫調(diào)器前后附近線路兩線間適量堆積部分石砟。溫調(diào)器方枕搗固整治作業(yè)后及時對作業(yè)地點及時補砟和勻砟，較好的均勻恢復(fù)道床縱向阻力。

（3）對軌溫調(diào)器前后線路軌下膠墊科學(xué)涂抹潤滑劑，防止鋼軌伸縮過程中造成軌下膠墊竄出。

5 結(jié)束語

（1）本文主要對溫調(diào)器D 值、G 值、傾角三項數(shù)據(jù)在冬季和春季兩個季節(jié)進行詳細分析，限于數(shù)據(jù)量有限未對溫調(diào)器全年運營狀態(tài)跟蹤分析。通過五峰山大橋溫調(diào)器監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用，對其他類似大橋溫調(diào)器監(jiān)測應(yīng)用和有砟溫調(diào)器日常檢修具有一定借鑒意義。

（2）氣溫、軌溫、梁溫變化造成梁縫變化同時引起D 值變化，但D 值變化與氣溫符合性較好但無線性關(guān)系，溫度是影響D值變化主要因素，非唯一因素。

（3）溫調(diào)器D 值監(jiān)測是三項指標的重點，當(dāng)兩側(cè)固定鋼枕間距差值△D 最大值超高30 mm 時，工務(wù)部門要及時對溫調(diào)器及相鄰砼枕進行排查整治，同時加強冬季溫調(diào)器區(qū)段里程范圍內(nèi)早晨及下午時刻的軌控分析。

（4）溫調(diào)器固定枕傾角值持續(xù)超過1°時，要結(jié)合動檢和晃車儀數(shù)據(jù)進行對比分析。