大温差地区有砟桥上无缝线路的设计分析

马贵军

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

大温差地区有砟桥上无缝线路的设计分析

马贵军

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

我国西部地区的铁路，以现场条件差、高寒、高海拔、大温差等特点带来许多技术难题，特别是在小半径曲线、大跨度桥梁地段铺设无缝线路，更加需要精心设计和施工，为以后的安全运营提供最直接的基础条件。本文通过内蒙古、青藏等地区桥上无缝线路的研究设计，对高寒大温差地区铺设无缝线路的关键技术进行了分析研究和总结，为今后在该地区拓宽无缝线路铺设范围积累经验。

大温差 有砟轨道 无缝线路 桥上线路

桥上无缝线路铺设与路基上不同，其钢轨除受温度力作用之外，还受到因梁体伸缩而引起的伸缩力、因梁体挠曲而引起的挠曲力作用。这些力同时又反作用于梁跨及固定支座，使墩顶发生纵向位移。此外，如果在桥上发生断轨，或者是无缝线路伸缩区设置在梁上时，钢轨的伸缩变形也会通过梁轨间的约束，使墩台和固定支座受到断轨力或温度力的作用。

本文介绍了内蒙地区某大桥桥上无缝线路的设计计算，并提出几点设计技巧。

1 大温差区大跨度桥上无缝线路分析与设计

内蒙某铁路项目铺设无缝线路地段，属于寒冷大温差地区，且为重载铁路。铁路主要技术条件为：万吨电力牵引，最小曲线半径800 m，纵坡6‰～13‰，有砟轨道。所在地区历史最高、最低气温分别为40.2℃和-34.5℃。某特大桥桥高80 m，设计主跨为(48+80+80+48)m连续刚构。根据本项目的具体特征，结合《暂规》和其它研究成果，编制了该处特殊结构桥上无缝线路的设计方案。

1.1 无缝线路锁定轨温

无缝线路锁定轨温的确定需要综合考虑当地气象条件、轨道强度、轨温变化幅度、无缝线路稳定性和断缝允许值等因素。

对于寒冷大温差地区，锁定轨温的取值范围通常较窄，修正值的选择一般为负值，但也要根据允许温升、允许温降及其它因素综合考虑，视具体情况而定。通过计算得到曲线半径800 m区段允许温升［Δtc］为50.86℃，由断缝决定的允许温降［Δtd］为65.11℃，所得设计锁定轨温为(18±5)℃，其温升、温降幅度均在允许范围内。因温差较大，预留轨缝难以取值，同时考虑重载铁路大坡道制动引起轨温升高对温度压力的影响，最终确定在800 m半径及相邻段设计锁定轨温为(17±3)℃。

1.2 桥上无缝线路设计

线路条件为铺设60 kg/m U75V钢轨，Ⅱ型混凝土桥枕(每公里铺设1 667根)，Ⅱ型弹条扣件，道床肩宽为45 cm、堆高15 cm。机车类型为SS4型，设计行车速度为100 km/h。

1.2.1 基本参数

1)梁温差：混凝土有砟梁Δt=15℃。

2)线路纵向阻力(见表1)。

表1 线路纵向阻力值 N/(cm·轨)

3)将该桥连续刚构两侧多跨32 m简支梁简化为各5跨。

1.2.2 伸缩附加力计算

墩顶纵向水平线刚度取500 kN/(cm·线)，桥台台顶纵向水平线刚度取2 200 kN/(cm·线)。钢轨伸缩附加力如图1所示(横坐标原点为桥端)，钢轨最大附加拉力为297.946 kN，出现在连续刚构右侧梁端;钢轨最大附加压力为243.963 kN，出现在邻近固定端桥台梁跨。

梁轨纵向位移如图2所示，最大墩顶水平位移为4.33 mm≤5=28 mm，墩台顶位移满足要求。最大墩台作用力发生在邻近连续刚构的梁跨，最大墩台力为108.4 kN，连续刚构梁跨的墩台力为54.4 kN。

图1 钢轨伸缩附加力

图2 梁轨纵向位移

图3 断轨后纵向力分布

图4 断轨后梁轨纵向位移

1.2.3 挠曲附加力计算

以列车荷载由活动端一侧进入梁内，或由连续梁端进入梁内作为不利条件。由于挠曲附加力远小于伸缩附加力，故本文不再列出。

1.2.4 断缝及断轨力计算

由当地最低轨温Tmin=-34.5℃，假设该段无缝线路最大降温幅度为58℃。线路纵向阻力取110 N/(cm·轨)。其断轨后纵向力及梁轨位移分布结果如图3、图4所示。

断缝发生在连续刚构右侧梁端，设最大降温幅度为58℃时断缝值为79.5 mm，不超过允许断缝值80 mm，因此降温幅度58℃已为极值。

桥梁墩台及固定支座承受的断轨力，按一跨简支梁长的线路纵向阻力之和计算，但断轨力不得超过最大温度拉力。

取钢轨的线膨胀系数α为1.18×10-5/，弹性模量E为2.1×105MPa，断面积F为7 745 mm2。则钢轨拉断力T3=110(纵向阻力)×7 902(梁长)=869 kN。最大温度力 Ptmax=αEΔtF=2.478×58×7 745=1 113 kN。

两相比较断轨力满足要求。

断轨时另一股未断轨最大伸缩拉力由298.11 kN增大至391.41 kN，钢轨底部拉应力=393.57 MPa≤［σ］=489 MPa，则另一股钢轨不会在同一断面处折断。

1.2.5 轨道强度检算

温度拉应力

σt=αEΔt=2.478Δt=2.478×58=143.72 MPa

附加拉应力

σs=P附/F=(298.11/7 745)×1 000=38.49 MPa

(启)制动力按一跨刚构梁上列车竖向静活载的10%计算，则(启)制动应力为

σc=68.95 MPa

考虑钢轨初弯应力，总应力σ为

σ =σd+σt+σs+σc=131.64+143.72+38.49+68.95=382.8 MPa

国产 60 kg/m U75V钢轨，允许应力［σ］取489 MPa，则总应力≤［σ］;钢轨强度满足要求。

1.2.6 轨道稳定性检算

桥上无缝线路两钢轨受到的温度压力和伸缩压力之和不应超过轨道稳定的容许压力，即2(Pt压+Pt伸压)≤［P］。其中 Pt压= αEFΔt升=905.87 kN，Pt伸压=298.11 kN。

Ⅱ型轨枕等效道床阻力Q取84 N/cm，代入温度力计算程序得PN=2 628.6 kN。允许温度压力［P］=PN/K=2 628.6/1.3=2 021 kN。

轨道稳定性检算：2(Pt压+Pt伸压)=2 ×(905.87+298.11)=2 408 kN ＞［P］=2 021 kN。

稳定性检算不能满足要求。

采用新Ⅲ型混凝土桥枕，等效道床阻力 Q取112 N/cm，代入温度力计算程序得PN=3 365.6 kN。允许温度压力［P］=2 588 kN。

2(Pt压+Pt伸压)=2 × (905.87+298.11)=2 408 kN ＜［P］=2 588 kN。

轨道稳定性检算满足要求。

1.2.7 设计小结

采用60 kg/m U75V轨、新Ⅲ型混凝土桥枕、弹条Ⅱ型扣件、道床肩宽＞45 cm，堆高＞150 mm的轨道结构，在最高最低轨温差为94.7℃、设计锁定轨温Ts=(18±5)℃的情况下，桥上无缝线路的轨道强度、稳定性、断缝及断轨力均满足要求，不需设置钢轨伸缩调节器。

2 大温差地区桥上无缝线路设计技巧

通过对该工点及其他工点的桥上无缝线路设计与研究，总结大温差地区桥上无缝线路设计方法和技巧如下。

2.1 与桥梁设计紧密结合

通过对不同跨度、结构桥梁的计算分析，采用不同的桥型、不同的固定支座位置、不同的加载方式、墩台不同的线刚度，对钢轨附加力的影响是不一样的，特别是桥梁结构类型和固定支座设置位置的影响。例如经计算，对于大跨度梁结构，奇数跨连续梁和连续刚构通过调整不同固定墩位置，其梁端最大附加伸缩力前者较后者大很多。

2.2 增大轨道允许降温和升温幅度

提高轨道允许降温幅度，实质上是提高轨道结构的容许温差。通过选用高强度钢轨，如强度等级大于980，1 180 MPa的U75V，U78CrV等高强度热轧和热处理钢轨，使得容许温差增大，为扩大桥上无缝线路铺设范围提供技术保证。

轨道允许降温幅度的增大，相应钢轨断缝值会随之增大，当断缝到一定程度，会影响到行车的安全，加速轨道恶化。因此在提高线路纵向阻力减小断缝值的同时，降温幅度会有一极值，计算时应综合考虑。

2.3 合理确定锁定轨温及其容许范围

合理确定锁定轨温及其容许范围，是在高寒、大温差地区扩大铺设温度应力式无缝线路范围的有效途径，可以从以下几个方面进行研究。

1)提高轨道结构的整体强度

Ⅲ型混凝土枕，Ⅱ、Ⅲ型扣件，特级、一级碎石道床，以及通过加宽砟肩宽度、堆高，加设小曲线半径处横向撑等，均能有效加大线路纵横向阻力，从而提高允许升、降温幅度，对设计锁定轨温的确定及其容许范围可以有较大的空间。

2)尽量缩小设计锁定轨温的范围

在可能的条件下尽量缩小设计锁定轨温的范围，实质是让施工锁定轨温更接近于设计锁定轨温中间值，以扩大容许升、降温幅度，适应更极端的现场环境。因此可以在偏低轨温下采用长轨条拉伸法施工，一次拉伸到中间锁定轨温进行锁定。

3)采用二次锁定法锁定线路

无缝线路铺设时先按常规方法予以锁定，待线路通过一定吨数后，进行一次应力放散，把因列车辗压而降低的轨温放散出来，再进行最终锁定。从而使锁定轨温更可靠准确，充分利用原设计的容许温升和容许温降。

3 结语

由于我国西部地区海拔高、高寒、温差大，给大跨度桥梁地段无缝线路铺设带来困难，因此除对桥上无缝线路进行检算外，还可以通过合理确定锁定轨温、增大轨道允许降温和升温幅度等方法加强轨道结构，提高桥上无缝线路的强度和稳定，使桥上无缝线路的铺设范围更广泛。

［1］广钟岩，高慧安.铁路无缝线路［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［2］卢耀荣.无缝线路研究与应用［M］.北京：中国铁道出版社，2004.

［3］徐庆元，陈秀方.连续梁桥上无缝线路附加力的研究［J］.中国铁道科学，2003，24(3)：58-63.

［4］李建强.大温差地区重载铁路无缝线路设计关键问题研究［J］.铁道建筑，2012(5)：148-150.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10082—2005 铁路轨道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［6］李斌，韩峰.桥上无缝线路钢轨纵向附向力研究［J］.甘肃科技，2004，20(2)：115-116.

U443.31+2;U213.9+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.02.31

1003-1995(2014)02-0098-03

2013-06-13;

2013-10-22

马贵军(1981— )，男，甘肃兰州人，工程师。

(责任审编 孟庆伶)