高速铁路曲线地段长大连续梁桥无缝线路方案研究

2011-05-08曾宪海蒋金洲

铁道建筑 2011年4期

曾宪海，蒋金洲

(1.铁道部运输局，北京 100038;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概况

自20世纪60年代我国开始实践无缝线路技术以来，始终坚持走自主创新的道路，取得了辉煌的成就，使我国无缝线路技术位居世界前列。UIC标准规定，桥梁温度跨度≥90 m时，须设置钢轨伸缩调节器。早在2001年建成的京哈线秦沈段中，我国设置钢轨伸缩调节器的桥梁温度跨度已达到180 m，这是UIC规定的2倍，其效果就是线路上大量减少了钢轨伸缩调节器，更加提高了线路的平顺度和列车的舒适度。

随着高速铁路的深入研究和应用，我国高速铁路已在桥梁温度跨度达到250 m时不设钢轨伸缩调节器。但是，目前正在设计或建设的高速铁路中，有的桥梁出现了温度跨度超过250 m，有的甚至达到了300～400 m，如温福线飞云江特大桥温度跨度达到400 m，且连续梁一端位于半径4 500 m的曲线上。在如此长大温度跨度且位于曲线的桥梁上如何减少或不设钢轨伸缩调节器，以确保轨道平顺度的问题亟待研究解决。本文以温福线飞云江特大桥为例，给出三大类型的7个方案，并提出推荐方案。

2 线桥设计参数

温福铁路为客货共线铁路，旅客列车设计行车速度为250 km/h，货物列车设计行车速度不大于120 km/h。正线轨道采用60 kg/m、U75V钢轨，Ⅲb型混凝土轨枕及配套弹条Ⅳ型扣件(1 667根/km)，一次铺设跨区间无缝线路，全线以铺设有砟轨道为主。飞云江特大桥里程DK24+060—DK26+650，桥跨布置为2×32 m简支梁+(48+7×80+48)m连续梁+57×32 m简支梁。连续梁大里程端位于半径为4 500 m的平曲线上。

钢轨采用60 kg/m、U75 V钢轨，屈服强度取［σ］=363 MPa。当地历年最高轨温 Tmax=61.7℃，最低轨温Tmin=3.9℃。设计锁定轨温范围为(33±5)℃。温福铁路客车采用动车组，货车采用SS7型电力机车牵引。Ⅲb型轨枕(1 667根/km)配套弹条Ⅳ型扣件的线路纵向阻力为14 kN/m/轨。

3 轨道强度及稳定性计算

3.1 轨道强度

动车组速度 250 km/h，SS7电力机车速度 120 km/h。60 kg/m钢轨截面参数考虑轨头垂直磨耗6 mm。1 667根/km，曲线半径 R=4 500 m，支承刚度 D=30 kN/mm。

采用无缝线路锁定轨温设计软件 TDS计算轨道强度，按动车组荷载计算结果为:轨底动弯应力 σd=117.2 MPa，钢轨允许温降［ΔTd］=99.2℃;按 SS7电力机车荷载计算，结果为轨底动弯应力 σd=119.4 MPa，钢轨允许温降［ΔTd］=98.3℃。

比较可知，SS7电力机车工况较不利，钢轨允许温降［ΔTd］=98.3℃。

3.2 无缝线路稳定性计算

曲线半径为4 500 m;轨道横向阻力取Ⅲb型枕及机械动力稳定后的道床状态。轨道初始变形取初始弯曲波长L0=7.2 m，初始弯曲矢度f0=7.2 mm，允许横向变形［f］=0.2 mm。

采用不等变形波长理论计算，该理论考虑了无缝线路钢轨纵向力不均匀性的影响，相当于8℃温度力，计算得到:1股钢轨允许压力［P］=2 793.3 kN/轨;无缝线路允许温升［ΔTu］=72.8℃。

3.3 无缝线路计算结果

飞云江特大桥所在地区最高轨温Tmax=61.7℃，最低轨温 Tmin=3.9℃，设计锁定轨温范围(33±5)℃，允许温降［ΔTd］=98.3℃，允许温升［ΔTu］=72.8℃，最大温降 ΔTdm=34.1℃，最大温升 ΔTum=33.7℃。

4 桥上无缝线路设计方案研究

4.1 方案一

4.1.1 无缝线路结构

本方案不设钢轨伸缩调节器，不采用小阻力扣件，全桥处于无缝线路固定区。轨枕采用Ⅲb型轨枕(1 667根/km)，扣件采用弹条 IV型扣件。由于高速铁路桥梁墩顶刚度较大，且双线箱梁梁体截面刚度也较大，因此无缝线路梁轨相互作用的挠曲力不控制设计。

4.1.2 伸缩力

采用桥上无缝线路设计系统软件VRF计算得到:连续梁梁端钢轨纵向力较大，为 970.1 kN，相当于50.2℃的附加力。简支梁固定墩承受伸缩力=448.6 kN/轨;连续梁固定墩承受伸缩力=114.5 kN/轨。

图1 方案二桥上无缝线路结构

4.1.3 锁定轨温检算

本方案无缝线路允许温降和允许温升均需扣除附加力的温差(50.2℃)，允许温降［ΔTd］=98.3-50.2=48.1℃，允许温升［ΔTu］=72.8-50.2=22.6℃。检算后最大温降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=48.1℃，合格，富余14℃。最大温升 ΔTum=33.7＞［ΔTu］=22.6℃，不合格。

因此，锁定轨温检算不合格。

4.1.4 小结

方案一虽然桥上无缝线路处于固定区，钢轨连续不间断，但本方案的钢轨截面纵向力较大，简支梁承受的伸缩力T1较大，锁定轨温检算结果不合格，方案一不可行。

4.2 方案二

4.2.1 无缝线路结构

如图1，本方案不设钢轨伸缩调节器，全桥处于无缝线路固定区，轨枕采用Ⅲb型轨枕(1 667根/km)。采用弹条Ⅳ型小阻力扣件，线路阻力为7 kN/m/轨。扣件布置范围如下:连续梁左梁端100 m及相邻2孔简支梁采用小阻力扣件(164 m范围);连续梁右梁端的小阻力扣件与左梁端对称布置(164 m范围);其它范围采用弹条Ⅳ型扣件。

4.2.2 伸缩力

采用桥上无缝线路设计系统软件VRF计算钢轨截面承受的伸缩力及固定墩承受伸缩力T1，分布如图2所示。计算得到:①连续梁梁端钢轨截面纵向力较大，为657.2 kN，相当于34.2℃的附加力;②简支梁固定墩承受伸缩力=222.2 kN/轨，连续梁固定墩承受伸缩力 =78.8 kN/轨。

4.2.3 锁定轨温检算

本方案无缝线路允许温降和允许温升均需扣除附加力的温差(34.2℃)，即允许温降［ΔTd］=98.3-34.2=64.1℃，允许温升［ΔTu］=72.8-34.2=38.6℃，检算后最大温降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=64.1℃，合格，富余30℃。最大温升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=38.6℃，合格，富余4.9℃。

锁定轨温检算合格。

4.2.4 小结

方案二轨道检算通过，本方案可行。方案二的优缺点如下:

1)优点:全桥处于无缝线路固定区，长钢轨延续不间断，轨道平顺度较好。

2)缺点:方案二存在以下较大的风险:①钢轨截面纵向力较大，达到657.2 kN，该数值使高温季节无缝线路温升富余量仅为4.9℃。②连续梁相邻简支梁的墩(台)承受的梁轨伸缩力较大，达到 T1=222.2 kN/轨，双线墩(台)将承受888.8 kN的纵向水平力，该力值将对支座和墩(台)长期使用不利。

4.3 方案三

4.3.1 无缝线路结构

如图3，本方案不设钢轨伸缩调节器，采用超小阻力扣件，全桥处于无缝线路固定区。

图2 方案二钢轨截面及固定墩承受伸缩力分布

采用的超小阻力扣件的线路阻力为2.5～7.0 kN/m/轨可调。布置范围如下:连续梁左梁端100 m及相邻2孔简支梁采用小阻力扣件(164 m范围);连续梁右梁端的小阻力扣件与左梁端对称布置(164 m范围);其它范围采用弹条Ⅳ型扣件(Ⅲb型轨枕、1 667根/km)。

4.3.2 伸缩力

采用桥上无缝线路设计系统软件VRF计算钢轨截面承受的伸缩力及固定墩承受伸缩力T1分布如图4所示。计算得到:①连续梁梁端钢轨纵向力为424.6 kN，相当于22.1℃的附加力。②简支梁超小阻力轨道范围固定墩承受伸缩力:78.8 kN/轨，弹条Ⅳ型扣件范围固定墩承受伸缩力:119.4 kN/轨，连续梁T1=71.9 kN/轨。

4.3.3 锁定轨温检算

本方案无缝线路允许温降和允许温升均需扣除附加温差(22.1℃)，即允许温降［ΔTd］=98.3-22.1=76.2℃，允许温升［ΔTu］=72.8-22.1=50.7℃，检算后最大温降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=76.2℃，合格，富余42.1℃。最大温升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=50.7℃，合格，富余17℃。

锁定轨温检算合格。

4.3.4 小结

本方案轨道检算通过，方案三合格。本方案优缺点如下:

1)优点:①全桥处于无缝线路固定区，长钢轨延续不间断，轨道平顺度较好。②桥上无缝线路强度和稳定性具有一定的富余量，桥梁墩台承受无缝线路纵向力值合理。③超小阻力轨道的应用取代了传统的钢轨伸缩调节器，将极大促进桥上无缝线路技术进步。

2)缺点:需投入人力和物力进行超小阻力扣件的研发。

4.4 方案四

4.4.1 无缝线路结构

本方案在连续梁中部每线设一组双向钢轨伸缩调节器，自调节器向左至相邻的2孔32 m简支梁范围(380 m范围)采用既有小阻力扣件(7 kN/m/轨)，调节器右侧小阻力扣件对称布置(380 m范围)，其余范围采用弹条Ⅳ型扣件。

图3 方案三桥上无缝线路结构

图4 方案三钢轨截面及固定墩承受伸缩力分布

4.4.2 伸缩力

采用桥上无缝线路设计系统软件VRF计算得到:①连续梁梁端钢轨纵向力较大，为655.7 kN，相当于34.2℃的附加力。②简支梁固定墩承受伸缩力为221.8 kN/轨，连续梁固定墩承受伸缩力为77 kN/轨。

4.4.3 锁定轨温检算

本方案无缝线路允许温降和允许温升均需扣除附加力温差(34.2℃)，允许温降［ΔTd］=98.3-34.2=64.1℃，允许温升［ΔTu］=72.8-34.2=38.6℃。检算后最大温降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=64.1℃，合格，富余30℃。最大温升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=38.6℃，合格，富余4.9℃。

锁定轨温检算合格。

4.4.4 小结

方案四轨道检算通过，但本方案的轨道及墩台受力与方案二相同，表明在连续梁中部设置双向钢轨伸缩调节器并无任何效果，属多余设置。因此，方案四不可行。

4.5 方案五

4.5.1 无缝线路结构

本方案在连续梁左右梁端内距梁缝3 m处，每线各设一组单向钢轨伸缩调节器;连续梁左右各相邻的2孔32 m简支梁(64 m范围)采用既有小阻力扣件(7 kN/m/轨)，其余范围采用弹条Ⅳ型扣件。所采用调节器的型号为:①小里程梁端(左侧)位于直线地段，采用时速250 km客运专线(兼顾货运)有砟轨道60 kg/m钢轨伸缩调节器。②大里程梁端(右侧)位于半径为4 500 m曲线地段，采用高速铁路曲线用60 kg/m钢轨伸缩调节器。

4.5.2 伸缩力

连续梁固定墩承受的伸缩力为0。简支梁小阻力扣件范围的简支梁固定墩伸缩力为110 kN/轨;其它范围的简支梁固定墩伸缩力为60 kN/轨。

4.5.3 锁定轨温检算

本方案无缝线路允许温降［ΔTd］=98.3℃，允许温升［ΔTu］=72.8℃，检算最大温降 ΔTdm=34.1＜［ΔTd］=98.3℃，锁定轨温检算合格，富余64.2℃。最大温升 ΔTum=33.7＜［ΔTu］=72.8℃，合格，富余39.1℃。

锁定轨温检算合格。

4.5.4 小结

本方案轨道检算通过，因此，方案五合格。

1)优点:①钢轨截面及简支梁固定墩(台)承受无缝线路纵向力较小，连续梁固定墩除承受制动附加力外，不承受其它无缝线路纵向力。②桥上无缝线路轨道强度和稳定性富余量较大。

2)缺点:①连续梁两端设置了钢轨伸缩调节器，对保持轨道平顺度不利，而且还需对调节器投入较大的养护工作量。②连续梁右端所采用的高速铁路曲线用钢轨伸缩调节器需着手研发。

4.6 方案六

4.6.1 无缝线路结构

本案桥上无缝线路不设钢轨伸缩调节器，轨枕采用Ⅲb型轨枕(1 667根/km)，扣件弹条Ⅳ型扣件，但无缝线路设置夏季和冬季2个不同的锁定轨温，如表1所示。

表1 方案六锁定轨温 ℃

4.6.2 小结

本方案属于应急预案，全桥处于无缝线路固定区，长钢轨延续不间断，轨道平顺度较好。全桥无缝线路需在夏季和冬季设置不同锁定轨温，因此每年在夏季和冬季来临前，都需对桥上无缝线路进行应力放散，并按要求进行锁定。该项任务工作量巨大，且频繁。

4.7 方案七

4.7.1 无缝线路结构

本方案在连续梁左右梁端内距梁缝3.0 m处、每线各设一根基本长度为12.5 m的调节器轨;轨枕采用Ⅲb型轨枕(1 667根/km)，扣件弹条Ⅳ型扣件。

采用一个锁定轨温，为(33±5)℃。调节轨的功能相当于方案五的单向钢轨伸缩调节器，其基本长度为12.5 m，两端采用夹板冻结接头，轨缝设置为8 mm。夏季和冬季长度分别采用不同长度的调节轨，如表2。

表2 调节轨长度及轨缝设置

4.7.2 小结

本方案属于应急预案，全桥只需设置一个锁定轨温，即(33±5)℃。②钢轨截面及简支梁固定墩(台)承受无缝线路纵向力较小，连续梁固定墩除承受制动附加力外，不承受其它无缝线路纵向力。桥上无缝线路轨道强度和稳定性富余量较大。但全桥每股钢轨存在4个轨缝，轨道平顺度和列车通过舒适度差。每年需在夏季和冬季来临前，更换相对应长度的调节轨，该项任务工作量巨大，且频繁。

5 总结与建议

5.1 总结

为提高高速线路的平顺度、减少线路设备养护维修工作量，尽量减少钢轨伸缩调节器数量是高速铁路桥上无缝线路设计最重要原则之一。本文根据高速铁路曲线上长大温度跨度桥梁的特点提出了桥上无缝线路设计方案，包括三大类7个方案，如表3所示。这7个方案的优良顺序为方案三、方案五、方案六、方案七、方案二。方案一和方案四不可行，推荐采用方案三。