有砟桥上无缝道岔轨道几何状态现场检测分析及控制

刘 芳

(上海铁路局杭州工务段,杭州 310009)

1 概述

沪昆线为时速200 km的客货共线铁路,正线轨道按一次铺设跨区间无缝线路设计。由于设计受到地形或环保等条件的制约,该线3座有砟简支梁桥上正线铺设了16组无缝道岔。国内之前没有在有砟简支梁桥上铺设无缝道岔的先例。在后期运营发现,桥上无缝道岔的几何位置难以保证,给行车的平稳性、安全性产生很大的影响,而且几何状态变化很快,需要投入大量的人力来进行养护维修。为从根本上解决问题,须对桥上无缝道岔进行受力分析和试验,找到关键因素,制定合理对策,控制岔区轨道几何状态。

2 简支梁有砟桥上无缝道岔现状分析和试验

桥上铺设无缝道岔后,道岔与桥梁之间的相互作用极为复杂,这主要反映在：梁体随温度变化的伸缩、在竖向荷载作用下的挠曲以及列车制动/启动引起桥梁与道岔的相互作用。另外,无缝道岔的轨道结构与一般单元轨道不同,它是由正、侧两股道两根钢轨交会后又交成一股轨道。当轨温变化时,尖轨可以自由伸缩,导轨将受到相当于一个接头阻力的约束,当温度力克服接头阻力后则发生伸缩位移。而基本轨除了承受温度力外,还会受到导轨伸缩的作用力。道岔尖轨由于温度变化引起伸缩,造成尖轨与基本轨的作用,并通过扣件和桥面系引起道岔与桥梁相互作用,使得轨道几何状态难以保持。

2.1 设计背景

简支梁桥上无缝道岔的轨道几何状态控制,是保证桥上列车安全平稳过岔的关键,又是制约高速铁路发展的关键技术之一,因而也成为科研、设计、建设、维护各方关注的重点。如何有效解决简支梁桥上无缝道岔的轨道几何状态控制技术难题,是对简支梁桥上铺设无缝道岔在技术上的一个重要突破。

由于沪昆线上有砟简支梁桥上铺设无缝道岔在我国属于首次,考虑到桥上无缝道岔受力结构的复杂性,为了确保桥上道岔的几何状态,经过专家研究论证,对桥上16组正线18号无缝道岔原设计方案进行了变更优化[1]。

(1)桥梁变更设计

①增加梁体结构刚度。以5片梁横向连结,即2片专桥9753 T梁+3片道岔梁。

②在梁挡砟墙顶部加设22 cm高L形挡砟块,满足砟肩宽45 cm、堆高15 cm,道床边坡1∶1.75的要求。

(2)道岔变更设计

①道岔尖轨跟端传力机构由限位器改为双间隔铁结构,间隔铁螺栓采用直径为27 mm的高强度螺栓,螺母采用大扭矩防松螺母。

②道岔翼轨跟端间隔铁采用胶结方式连接。

③对道岔位置进行优化,尖轨部分均避开了梁缝。

④将辙叉翼轨AT轨段趾端加长2.4 m,道岔焊接接头避开梁缝。

⑤在桥梁前后75 m范围内安装防爬设备。

由中铁宝桥股份有限公司根据设计变更要求对提速道岔进行改进,特制了直向时速200 km宝桥厂CZ2516提速型可动心轨混凝土枕道岔。

2.2 桥上无缝道岔使用现状

尽管桥上无缝道岔进行了设计优化,但自2006年6月投入运行以来,有砟桥面道岔存在轨向状态易变不易控的技术难题,普遍存在大量的岔区养修作业,基本上要求在10 d左右养修1遍,遇高温天气,轨向变化更快,往往前面刚进行过养护,几趟车一跑又得重新养护。这样,即使投入大量的养护人工,也难以满足桥上列车运行的舒适度与安全性要求,对桥上列车正常运行,也存在严重隐患。

2.3 有砟桥上无缝道岔静动态测试

为评估有砟桥上铺设无缝道岔的行车安全性,分别对沪昆线诸暨站路基上和湄池1号特大桥上无缝道岔及其所在桥梁分别进行静态、动态测试,并进行了对比分析。

从路基和有砟桥上无缝道岔的静态、动态试验得出如下结论[2]。

(1)路基上无缝道岔的道床纵向、横向阻力均大于桥上的道床阻力。

(2)从脱轨系数,轮轨垂、横向力,轨道部件应力,道岔动位移等几个方面比较,桥上道岔的轮轨动力作用明显大于路基上的道岔。

(3)当客车以151 km/h、动车以205 km/h的速度通过桥上道岔时,轮重减载率最大值分别达0.59、0.55,均已接近安全性指标限值0.6。在有砟道岔梁桥上的岔区轨道,没有采取加强措施情况下,安全储备不足。

(4)桥上道岔区各个位置上的横向力存在明显差异,辙叉区由于存在较大的结构不平顺,导致轮轨相互作用加剧,轮轨横向力最大,转辙器尖轨区的横向力也较导曲线部分的横向力大,仅次于辙叉区。

(5)列车通过桥上道岔时,桥梁的各项指标均满足规范要求,但从桥上无缝道岔系统角度评价,桥梁的竖向刚度较小。

2.4 原因分析

由于桥面铺设的无缝道岔道床厚度较路基上的道床厚度小,桥面摩擦系数也较路基小,再加上简支梁桥竖向刚度又较小,在列车通过时,桥梁的振动驱使桥上道岔区轮轨动力相互作用远较路基上强烈。轴重越大、列车速度越高,这种岔桥动力相互作用越剧烈,使桥上道砟一直处在松散状态,桥上的道床阻尼明显偏小,横向阻力和纵向阻力相比就更小。但因为纵向钢轨被锁定,道床有连续性,它的纵向移动会受到约束；而横向没有连续性也没有特别的约束,只有靠道床的较小的阻力和轨道结构本身的牵制作用维持其状态。在列车振动和温度力的作用下,极易变形。因此,必须在岔区的横向设置约束变形的装置,以确保安全。

3 轨道横向加强控制技术方案

现状分析和现场试验表明,岔区轨道几何状态控制的关键是横向稳定问题。从保证行车安全,提高列车运行平稳性,减少养护维修工作量出发,必须对轨道几何状态易变区段采取增加横向约束措施。本文采取的技术方案是,除进行无缝线路有效锁定、增加道床阻力外,采用在梁轨间设置限位桩结构来实现轨道横向加强措施,以控制桥上无缝道岔的轨道稳定性。

3.1 方案设计

本次方案选在有砟桥上无缝道岔横向力较大的转辙区和岔心区部位,在道岔两侧梁上各设置4对限位桩,固定梁上道岔轨向,进行无缝道岔的横向稳定加固试验。N7岔区限位桩设计位置见图1。道岔梁限位桩钢筋配置方案见图2。道岔梁限位桩安装见图3。

图1 桥梁与道岔间限位桩设置平面(单位：m)

图2 道岔梁限位桩基础钢筋布置(单位：mm)

图3 道岔梁限位桩安装(单位：mm)

3.2 强度检算

限位桩材料为C30混凝土,根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)5.2.2条[4],无箍筋及斜筋时容许主拉应力[σtp-2]=0.73 MPa,容许纯剪应力[τc]=1.10 MPa。

根据《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》5.2.3条[5],列车的横向摇摆力取100 kN,作用在钢轨顶面处。列车横向摇摆力最不利的破坏为两辆车的前车后转向架和后车前转向架同一方向达到最大,即4个轮轴的横向集中力各达到25 kN。

在轮轨横向力作用下,最不利位置为限位桩与道砟槽面接触处。限位桩底部近轨道内侧受拉,外侧受压。限位桩按宽1 m、高0.45 m矩形截面受弯检算。

限位桩底部的弯矩

M=F·e=100/4×0.75=18.75 kN·m

限位桩底部近轨道侧的最大拉应力为

σ=M/W=18.75×0.001/(1×0.45×0.45÷6)=

0.55 MPa<[σtp-2]=0.73 MPa

限位桩所受最大剪应力

τ=F/A=18.75×0.001/(1×0.45)=

0.042 MPa<[τc]=1.10 MPa

限位桩底部受拉应力但不会开裂,不需配置受力钢筋,按构造配置钢筋即可。限位桩内侧锚筋建议按受力钢筋布置,纵向间距采用规范规定最小间距20 cm。限位桩外侧与中部均为受压,锚筋作用不大,按构造配置即可。

3.3 支座受力情况

桥上设置横向限位装置后,对支座的垂直反力及作用于桥轴方向的支座水平力影响极小,几乎可以忽略不计,主要针对垂直于桥轴方向的支座水平力进行计算。

湄池1号特大桥第9、10孔均为32 m预应力T梁,支座采用了TK-YZM280型圆柱面钢支座,单个支座竖向承载力为2 800 kN。固定支座位于沪端,其允许承受的横向水平力为竖向承载力的30%,即2 800×30%=840 kN。活动支座位于昆端,其允许承受的横向水平力为竖向承载力的20%,即2 800×20%=560 kN。孔梁两端支座允许承受的横向水平承载力为：FS=(840 kN+560 kN)×2=2 800 kN。

垂直于桥轴方向的支座水平力由离心力、风力、列车横向摇摆力、地震力、侧向撞击力组成[6]。计算如下。

(1)列车离心力：离心力率C=V2/127R

离心力F1=竖向静活载×C

桥上N7道岔位于直线地段,且岔后无附带曲线,因此离心力F1=0。

(2)风力：按不利条件,桥上有车时风荷载强度取值W=1250Pa

梁高2.8 m,根据《铁路桥涵设计基本规范》[7]4.4.1.3条,列车受风高度取3 m。

风力F2=W×A=1 250×0.001×32.6×(2.8+3)=236 kN

(3)列车横向摇摆力：根据《铁路桥涵设计基本规范》4.3.8条,列车的横向摇摆力取100 kN,即

摇摆力F3=100 kN

(4)根据《铁路工程抗震设计规范》[8]7.4.1条,桥墩墩顶处水平地震力

F4=1.5Agmb

式中Ag——地震动峰值加速度(m/s2),7级抗震取0.1g；

mb——桥墩顶梁体换算质量,mb=m1+md。md为桥墩顶梁体质量(t),梁体质量按1孔梁计,为207 t；道岔及岔枕质量约42 t,道床质量约70 t,限位桩质量约9 t。md=207+42+70+9=328 t。

m1为桥墩顶活荷载反力换算的质量(t),横桥向计入50%的活载,竖向力活载只计列车竖向静荷载。列车竖向静荷载为165 kN/m×32=5 280 kN。m1=5 280/2=2 640 kN

mb=m1+md=3 280+2 640=5 920 kN

地震力F4=1.5×0.1×5 920=880 kN

(5)侧向撞击力：该桥墩未通航、通车,撞击力F5=0

根据《铁路工程抗震设计规范》7.1.4条,地震力与风力、列车横向摇摆力、撞击力不组合计算,该桥地震力大于风力、列车横向摇摆力、撞击力之和,因此按最不利计算,则横向水平力为

F=F1+F4=880 kN

因此,增设限位桩以后支座的横向水平力在允许范围内。

3.4 方案实施

本次实施选择其中的沪昆线湄池1号特大桥上N7道岔,该道岔位于湄池1号特大桥的第9、10号桥墩上,桥墩高度5 m。在转辙区及岔心区两侧梁上各设置4对限位装置,固定梁上道岔轨向,加强无缝道岔的横向稳定。设置限位桩后的桥上无缝道岔现状,见图4。

图4 设置限位桩后的桥上无缝道岔

3.5 实施效果检查

在湄池1号特大桥上N7道岔增设横向约束后,在2008年～2009年度分别从轨检车出分情况、桥梁检测、轮重减载率、日常检查等方面对实施效果进行了检查,结果表明增设横向约束后,对减少轨检车动态检查出分,提高列车运行安全和轨道几何状态效果明显。而且,日常岔区养护工作量,从原来的10 d左右1遍,延长到45 d左右1遍,在满足列车运行安全性和舒适度要求的同时,有效提高了劳动生产率。

3.5.1 轨检车检查结果

因桥上道岔轨道几何状态变化最快的为夏天高温季节,因此选择了7、8、9三个月对限位装置设置前后的轨检车添乘数据进行分析。对2008年、2009年3季度各自的5趟铁道部轨检车、7趟铁道部动检车共12趟检查车经过N7道岔范围的出分数据进行统计。2008年～2009年3季度铁道部检查车出分的对比汇总见表1。

表1 2008年～2009年第3季度轨道检查车出分情况对比汇总

从表1中的2008年3季度与2009年3季度轨道检查车动态检查对比中看出,2008年3季度道岔部位共出分102次,2009年3季度道岔部位共出分29次,超限总数减少73次、减少率71%。

其中Ⅰ级超限从85次减至24次,减少61次、减少率72%；

Ⅱ级超限从14次减至5次,减少9次、减少率64%；

Ⅲ级超限从3次减至0次,减少3次、减少率100%。

因此,安装限位桩对减少轨检车动态检查出分,提高轨道几何状态效果明显。而且,轨距、水平、三角坑、高低、轨向、车体垂向、横向加速度、轨距变化率等均有大幅改善,其中原先占有较大比重的轨向、70 m轨向、横向加速度、轨距变化率这4个数据改善幅度明显。

由此可见,在道岔梁上安装限位桩对道岔区轨道的几何状态控制提供了有效保证。

3.5.2 桥梁检测结果

增设横向约束1年后,对桥梁的实测跨中挠度、横向及竖向振幅、横向及竖向振动加速度、轮重减载率进行了现场检测,测试结果见表2～表5[9]。

表2 实测梁体跨中挠度汇总 mm

由表2可知,梁体跨中挠度最大值为5.518 mm,小于《桥检规》[10]通常值17.778 mm。

表3 实测梁体跨中最大振幅汇总 mm

由表3可知,梁体跨中振幅最大值为2.957 mm,小于《桥检规》安全限值3.556 mm。

表4 实测梁体跨中最大振动加速度汇总 m/s2

由表4可知,梁体跨中最大振动加速度0.862 m/s2,小于《桥检规》安全限值1.4 m/s2。

因此,检测结果显示,限位装置安装后,跨中挠度、横向及竖向振幅、横向及竖向振动加速度等指标均小于《桥检规》行车安全限值,满足《桥检规》要求,表明限位装置安装后对桥梁结构受力没有影响。

表5 横向约束增设前后轮重减载率对比

由表5可知,增设横向约束后,轮重减载率最大值减小,尤其是动车组减载率值减少了40%以上,表明增设横向约束可以有效提高桥上岔区轨道的安全储备。

3.5.3 桥梁日常检查结果

2008年11月增设横向约束至今2年以来,通过对桥梁支座功能的观察,未发现异常。

4 结语

综上所述,有砟简支梁桥上铺设无缝道岔存在轨道几何状态难以保持的技术难题。通过对有砟简支梁桥上无缝道岔的现场试验和观测,找出了有砟简支梁桥上铺设无缝道岔存在轨道几何状态难以保持的主要原因,针对性的提出了增加横向约束的解决措施,经过现场的长期运营实践表明,所提出的强化措施,改善了梁体和道岔动力学性能,提高了列车运行安全性、舒适性,减少了养修工作量。

[1]铁道第二勘察设计院.关于发送“浙赣线湄池及江山站桥上无缝道岔设计变更”的函[Z].成都：2005.

[2]西南交通大学.浙赣线简支梁桥上无缝道岔静态测试报告[R].成都：2007.

[3]西南交通大学.浙赣线简支梁桥上无缝道岔动态测试报告[R].成都：2007.

[4]TB10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[5]铁建设函[2005]285号，新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定[S].

[6]庄军生.桥梁支座[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[7]TB10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范[S].

[8]GB50111—2006，铁路工程抗震设计规范[S].

[9]同济大学交通运输工程学院.沪昆线湄池1号特大桥桥上无缝道岔动态测试报告[R].上海：2010.

[10]铁运函[2004]120号，铁路桥梁检定规范[S].