公路城轨两用大跨度钢桁梁斜拉桥铺设无砟轨道关键技术

周虎利

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安//高级工程师）

近年来，随着城市景观的要求越来越高，在城市轨道交通的桥梁中大跨度桥梁的比例在迅速增加。特别是山城重庆市，轨道交通在跨越长江及嘉陵江时均选用公路与城轨两用的大跨度桥梁结构。重庆轨道交通6号线一期工程的东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥及5号线粉房湾长江大桥，均采用了公路城轨两用上下重叠的大跨度钢桁梁斜拉桥。同时，为了减少运营后的养护维修工作量，降低轨道结构的二期恒载，在大跨度斜拉桥上均选用少维修、自重较轻的无砟轨道结构。

国内外公路与城轨（或铁路）合建的桥梁中，类似的有香港青马大桥、武汉天行洲长江大桥、上海崇明长江大桥等。香港青马大桥为公路城轨两用悬索桥，下层轨道交通采用无砟轨道；武汉天行洲长江大桥为公铁两用斜拉桥，下层通行车速250 km/h的四线铁路，采用有砟轨道；上海崇明长江大桥为公路与轨道交通合建的斜拉桥，桥面上在保持公路6车道的情况下两侧预留2股道轻轨线路。目前，对于公路城轨两用大跨度斜拉桥钢桁梁正交异性板上铺设无砟轨道还缺少相关规范及工程实例，其理论储备和应用经验也不足。因此，通过对重庆市东水门长江大桥和千厮门嘉陵江大桥（以下简为“两江大桥”）的结构进行分析研究，收集、分析、总结国内外类似大跨桥梁铺设轨道的相关资料，提出了一种切实可行的在公路城轨两用大跨度钢桁梁斜拉桥上铺设无砟轨道的技术方案。

1 两江大桥的结构特点

1.1 两江大桥的结构型式

重庆市轨道交通6号线一期工程的东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥都采用了公路城轨两用大跨度钢桁梁斜拉桥。斜拉桥分为上、下两层，上层设置公路，下层通行城市轨道交通。

东水门长江大桥为双塔单索面双层钢桁梁斜拉桥，其主桥跨布置形式为：222.5m＋445.0m＋190.5m（见图1）。

图1 东水门长江特大桥主桥孔跨布置图

千厮门嘉陵江大桥为单塔单索面双层钢桁梁斜拉桥，其主桥跨布置型式为：312m＋240m。千厮门嘉陵江大桥主桥孔跨布置图见图2。

图2 千厮门嘉陵江大桥主桥孔跨布置图

两江大桥均采用公路、轨道交通合建模式。大桥分上、下两层，上层设置人行道及双向4车道公路，下层是2股城市轨道交通线。其横断面图见图3。

图3 两江大桥主梁标准节段横断面

1.2 两江大桥的结构特点

1）桥梁横断面采用双层布置方案，为公路与城轨两用，受力复杂。

2）桥梁为半漂浮体系斜拉桥，跨度较大。

3）斜拉桥本身属于柔性结构，同一般的梁式桥相比，存在梁端位移（梁端转角、基础竖向位移、坡道桥梁伸缩）大、桥梁竖向挠度大、梁轨温度伸缩位移大、梁缝大等不利影响。

4）公路和轨道交通的桥面均采用正交异性板钢桥面。

公路城轨合建大跨度钢桁梁斜拉桥的这些结构特点，对桥上铺设轨道结构提出了较高的要求：大桥采用的轨道结构应该自重较轻，具有较小的二期恒载；在列车荷载作用下，能够适应桥梁发生较大的挠度和梁端转角的影响；在温度荷载作用下，能够适应桥梁发生较大伸缩变形所引起较大的梁轨相互作用；满足桥上无缝线路的强度和稳定性要求，满足列车运营的安全性和乘客乘坐的舒适性。

2 两江大桥的轨道结构型式

2.1 轨道类型的选择

公路城轨两用大跨度钢桁梁斜拉桥本身属于柔性结构，桥上轨道结构需适应主梁变形过大的问题。有砟轨道由于道砟为散粒体，具有一定的流动性，虽然比较适应主梁变形大的问题，但其自重大、二期恒载大，养护维修工作量也很大，且由于城市轨道交通开行密度高，使有砟轨道的养护成为难题。无砟轨道具有轨道建筑高度小、自重轻、线路平顺、稳定性好、整体性强及养护维修工作量少等特点，比较适合列车高密度开行的需要。虽然其道床刚度大，桥梁的变形对轨道结构不利，但通过对无砟轨道结构采取一定的措施，能够适应主梁变形过大的问题。有砟轨道与无砟轨道的优缺点比较见表1所示。

表1 有砟轨道和无砟轨道比较表

经综合比较，无砟轨道在二期恒载、维修性、结构寿命、轨道结构空间等方面较有砟轨道具有很大的优势，故两江大桥轨道类型采用无砟轨道结构。

2.2 两江大桥轨道结构设计方案

目前国内外对于采用“上层公路＋下层轨道交通”模式、跨度大于445m的钢桁梁斜拉桥正交异性钢桥面板上铺设无砟轨道尚无工程实例。通过研究公路城轨两用大跨度钢桁梁斜拉桥的特点，提出在两江大桥上采用轻型承轨台式无砟轨道结构型式，以满足大跨度斜拉桥对轨道结构的要求。

2.2.1 承轨台式整体道床

两江大桥无砟轨道由钢轨、扣件、防脱护轨、普通钢筋混凝土短枕、承轨台、钢筋混凝土底座等组成。

1）钢轨：选用60kg/m U75V钢轨，按一次铺设无缝线路设计。

2）轨枕及扣件：选用钢筋混凝土短枕，弹性联接e型弹簧小阻力扣件，扣件节点间距为625mm。

3）承轨台：采用两道短枕式C40钢筋混凝土现浇纵向承轨台，每道承轨台宽0.8m；承轨台分段布置，纵向每隔4对短枕设一道宽度100mm的伸缩缝；承轨台底部通过预埋钢筋钩同底座板连接；轨顶至承轨台底的高度为500mm。

4）底座板：采用宽2.8m的现浇C40钢筋混凝土底座板；底座板分段布置，每隔8对短枕设置1道宽为100mm的底座板伸缩缝。底座板可采用剪力销钉或限位挡板来限位，在底座板与正交异性钢桥面板之间设置防水树脂砂浆粘结层。

5）轨道结构自重：为2.4t/单线延米，包括钢轨、扣件、短枕、承轨台、底座板等的质量，未计入相关专业，如信号、供电等专业设备的质量。

6）轨道结构横断面图、平纵断面布置图及效果图见图4～6所示。

2.2.2 轨道结构的限位措施

底座板可采用剪力销钉或限位挡板来限位。两种方式均可通过梁面挠曲引起的无砟轨道结构附加力检算。

图6 两江大桥轨道结构效果图

1）剪力销钉：每两对短枕中间设4根φ32mm剪力销钉，每5m长（单线）底座共设置16根剪力销钉（见图7）。

图7 剪力销钉布置图

2）限位挡板：在每5m长底座板设置1对限位挡板（见图8），限位挡板和承轨台混凝土接触面设置弹性垫层。

图8 限位挡板布置图

由于剪力销钉在钢桥面板的焊接点较多，为此两江大桥采用限位挡板对道床进行限位。

2.2.3 跨梁缝装置

重庆市轨道交通6号线一期工程东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥跨梁缝处钢轨的支承间距将达到正常支承间距的2～3倍（东水门长江大桥伸缩缝宽为560mm，千厮门嘉陵江大桥伸缩缝宽为480 mm，另外还需考虑桥梁温度伸缩、活载引起的梁缝变化）。故必须在梁缝处采取加强措施，才能保证轨道的平顺性，保证轨道交通的安全运行。

国内外解决跨梁缝处轨枕间距过大的方式有三种。

1）加强钢轨断面：能够减小钢轨竖向位移、降低钢轨应力，但对于两江大桥主梁梁端钢轨最大支承间距达到正常钢轨支承间距2～3倍的情况却仍难以适应。

2）在梁端部设置短梁方案：即垫梁方案。垫梁跨越梁缝，搭接在梁缝两侧的梁跨上。垫梁上部埋入短轨枕，下部设置混凝土底座。垫梁一端设置固定端传力键，一端设置活动端传力键，通过传力键将荷载传递给底座。垫梁与底座之间的接触面设置不锈钢板，以保证垫梁与底座之间能够相对滑动。这一方案对桥梁结构影响较大，成本较高，且不宜用于梁缝伸缩量较大的情况。

3）抬枕装置：为解决大跨度桥梁因收缩致使梁缝两侧轨枕间距扩大，在梁缝处增设钢枕以支承钢轨，调整钢轨支承间距。钢枕受连杆牵引，始终保持在两侧轨枕中心，见图9所示。在梁缝处设置了剪刀形钢质持中装置。梁逢处的支承主要有单轨枕支承和双轨枕支承两种。支承轨枕的截面型式有工字形截面和T形截面两种。抬枕装置通过设置一根或两根居中轨枕可将梁缝变化均分至2个或3个轨枕间距内，能较好地解决梁缝处轨枕间距变化幅度大的问题。

图9 大跨度桥梁大梁缝的台枕装置示意图

两江大桥对跨梁缝的处理采用抬枕装置。

1）抬枕装置的铺设条件：重庆轨道交通6号线一般地段的轨枕间距为625mm。根据短枕式无砟轨道施工机具的安装误差以及对无砟轨道轨枕间距的一般要求，确定最大轨枕间距为700mm，则两江大桥4处共需铺设8组抬枕装置。

2）抬枕装置的布置：抬枕装置设置在主桥钢桁梁梁缝两端约6m范围内，由钢轨枕、纵梁、置中连接件及各种扣压件等组成。设置范围内不改变轨道结构高度，但轨道结构宽度增加为3.5m。抬枕装置平面布置图见图10，抬枕装置效果图见图11。

图10 抬枕装置平面布置图

图11 抬枕装置效果图

两江大桥的抬枕装置后设置单向钢轨伸缩调节器。东水门长江大桥两侧梁缝后各有25m直线段，千厮门嘉陵江大桥小里程端梁缝后有36m位于直线段，大里程端全部位于直线上，故可将钢轨伸缩调节器设置在梁缝后的25m直线段范围内。

3 两江大桥轨道结构检算

两江大桥的桥梁跨度较大，采用无砟轨道结构，铺设无缝线路，由此引发大跨度钢桁梁桥与无砟轨道结构的适应性问题，故必须对两江大桥的轨道结构进行受力分析。

3.1 计算参数

1）气象资料：当地极限最高气温为44.0℃，极限最低气温为－2.5℃，锁定轨温暂定为（31±5）℃，则最大升温幅度为38℃，最大降温幅度为38.5℃。

2）钢梁温差：±25℃。

3）线路纵向阻力：①铺设常阻力扣件时，轨面无载时的线路每股钢轨的纵向阻力R取14.0kN/m，轨面有载时R取21.5kN/m。②铺设小阻力扣件时，轨面无载时R取6.4kN/m，轨面有载时R取9.8kN/m。

4）荷载：列车轴重取14t，轴距为2.3m。

5）温度应力、动弯应力计算参数：

·钢轨容许应力［σ］＝351.5MPa；

·扣件节点间距a＝625mm；

·钢轨钢的弹性模量E＝2.1×107N/cm2；

·钢轨钢的线膨胀系数α＝11.8×10－6/℃；

·钢轨横断面面积F＝77.45cm2；

·钢轨对水平轴线的惯性矩I＝3 217cm4；

·钢轨上部断面系数Wj＝339.4cm3；

·钢轨下部断面系数Wd＝396.0cm3；

·横向水平力系数f＝1.25；

·钢轨支点刚度D＝50.0kN/mm；

·速度系数γ＝0.6；

·偏载系数β＝0.002Δh（Δh为未被平衡的超高值）。

3.2 钢轨温度应力和动弯应力计算

3.2.1 钢轨温度应力σt的计算

设钢轨的温度变化幅度为Δt（℃），则可得σt＝2.48Δt（MPa）

钢轨最大温度压应力σt压＝2.48×38MPa＝94.24MPa

钢轨最大温度拉应力σt拉＝2.48×38.5MPa＝95.48MPa

3.2.2 钢轨动弯应力的计算

钢轨基础弹性模量u＝D/a

式中：

Pi——轮对的静重；

μ（xi）——弯矩影响系数。

钢轨的动弯矩Md＝（1＋γ＋β）M0

轨底边缘动应力最大值

轨头边缘动应力最大值

3.3 无缝线路检算

由于两江大桥采用钢结构梁体且温度跨度较大，故梁体伸缩引发的钢轨附加力及梁轨相对位移相应较大，需进行桥上无缝线路稳定性检算。两江大桥全桥范围内采用小阻力扣件，桥梁两端铺设两组伸缩调节器。

1）伸缩附加力计算：通过计算，可得每根钢轨伸缩附加力分布及钢轨与桥梁的纵向相对位移，如图12及图13所示。由于桥梁两端均设置钢轨伸缩调节器，故梁缝处的伸缩附加力可忽略不计。

2）制动力计算：在伸缩附加力最大位置处的钢轨最大制动应力按10.0MPa计。

3）钢轨应力检算：

·钢轨最大压应力为

·钢轨最大拉应力为

故满足无缝线路强度要求。

4）断缝λ检算：

满足规范要求。

由上述计算结果可知，两江大桥采用无砟轨道结构，桥梁两端分别设置一组单向钢轨伸缩调节器即可满足桥梁无缝线路的铺设要求。

3.4 梁端转角分析

由于无砟轨道结构基础均为刚性混凝土道床板，当桥梁梁端产生变形时将直接通过扣件使钢轨产生变形，对梁缝附近扣件及钢轨产生附加力，因此需要检算梁端竖向转角产生的轨道扣件上拔力。

以两江大桥的梁跨型式，并结合无砟轨道结构，分别按梁端转角、梁端支座基础的竖向位移及坡道桥梁伸缩等三种情况下的桥梁转角对扣件产生的上拔力进行了分析。

通过分析可知，普通结构允许梁端转角最小（折算成坡度为1.2‰），抬枕装置次之（单枕为1.8‰、双枕为2.5‰），垫梁装置允许梁端转角最大（为6.5‰）。考虑到两江大桥均为大跨度钢桁梁，桥梁温度跨度较大，梁体伸缩位移量较大，普通结构及垫梁结构均存在梁缝处轨枕间距变化幅度较大问题。抬枕装置通过设置1根或2根居中轨枕可将梁缝变化均分至2个或3个枕间距内，故能较好地解决了梁缝变化幅度大及梁端转角大的问题。

3.5 梁面挠曲引起的无砟轨道结构附加力分析

钢桁梁挠跨比较大，桥梁挠曲时梁面变形曲线及曲率相应较大，故需进行两江大桥梁面无砟轨道结构的静力检算。

通过对无砟轨道道床附加弯矩、抗剪力、抗拔力等的检算，在两江大桥最大变形情况下，无砟轨道道床附加弯矩可满足混凝土结构强度要求；纵向挡块抗剪强度满足线路阻力要求，竖向抗拔强度也满足桥梁变形要求。

4 结语

通过分析公路城轨两用大跨度斜拉桥的结构特点，结合重庆两江大桥无砟轨道的设计情况，提出了一种在公路城轨两用大跨度钢桁梁斜拉桥上铺设的轻型无砟轨道结构型式。该轻型无砟轨道结构可有效地降低轨道结构的二期恒载，减少运营后的养护维修；在大梁缝处采用抬枕装置配合钢轨伸缩调节器，能有效避免线路刚度不均、钢轨支点距离过大的问题，使钢轨在梁缝处的各项位移减小，降低了钢轨在梁端的应力集中，保证了轨道交通行车的安全性。目前两江大桥正在施工之中。

［1］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.

［2］苗彦英.城市轨道交通［M］.北京：北京科学技术出版社，1994.

［3］施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安：陕西科学技术出版社，1997.