桥上无缝线路钢轨伸缩调节器设置问题探讨

丁静波,刘亚航,谷呈朋

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

桥上无缝线路钢轨伸缩调节器设置问题探讨

丁静波,刘亚航,谷呈朋

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

钢轨伸缩调节器对协调长大桥上无缝线路因梁体温差引起的梁端及长钢轨伸缩位移起到重要作用。对调节器设置问题进行系统论述,介绍国内调节器设计使用情况,建议桥梁和轨道一体化设计,谨慎在曲线上设置调节器。并结合工程案例,计算分析了调节器设置计算方法以及调节器结构伸缩值,并且根据现场调研情况,提出设置调节器的建议。

桥上无缝线路;钢轨伸缩调节器;设置

1 概述

钢轨伸缩调节器(简称调节器)是重要的轨道部件,其功能是:协调长大桥梁因梁体温差引起的梁端伸缩位移和长钢轨的伸缩位移,使桥上无缝线路自动放散温度应力,从而减小轨道及桥梁所承受的无缝线路附加力作用,确保列车安全、平顺地通过。

国外铁路为有效地控制特大桥梁附加力和位移的影响,提高行车的平顺性和确保安全,要求在温度跨度180 m以上的混凝土桥和温度跨度120 m以上的钢桥上设置调节器。我国《铁路轨道设计规范》(TB10082—2005)对于桥上铺设无缝线路做了如下规定:温度跨度大于100 m的钢梁,每一温度跨度应铺设1组调节器;温度跨度大于120 m的混凝土梁,调节器设置应根据计算确定[1]。我国城市轨道交通调节器设置的主要目的:(1)避免无缝线路长钢轨纵向力向道岔传递;(2)大跨度连续梁上发生钢轨折断时,减小墩台所受断轨力[2],以提高行车平顺性和确保安全。

2 调节器设置方法

目前,铁路桥上采用的调节器均为曲线型钢轨伸缩调节器。曲线型是指基本轨由钢轨调节器导向卡(轨撑)使其形成半径300 m的曲线型基本轨并与尖轨密贴,在钢轨纵向力传递时,由基本轨伸缩释放纵向力,而尖轨固定,这样可实现梁轨伸缩,同时还消减了伸缩力、挠曲力以及其他的钢轨纵向力的作用[3]。下面对调节器设置方法进行论述。

(1)单向调节器的尖轨宜顺列车运行方向布置。由于调节器尖轨为固定,基本轨纵向移动,避免列车运行车轮碾压使基本轨移动,而影响无缝线路钢轨内的纵向力;调节器基本轨、尖轨接头距桥梁横梁、桥台胸墙或支座的距离不应小于2 m[4];混凝土桥梁上铺设无缝线路,根据设计可在桥梁中部设置双向调节器。调节器基本轨接长钢轨线路宜采用小阻力扣件,其铺设长度应按计算确定,一般约为150 m。

(2)时速小于160 km的客货共线铁路,调节器不宜设置在半径小于1 500 m的曲线上,也不宜设置在竖曲线上。这是由于调节器基本轨设计单向伸缩量一般300～500 mm,基本轨全长约8 500 mm,工作长度(与尖轨密贴)7500 mm,半径1500 m的曲线引起的正矢差正好在允许范围4 mm内,故要求调节器应设置在半径大于1 500 m的曲线上。设计时速200 km及以上时,由于曲线引起的正矢差仅2 mm,调节器宜设置在半径大于3 000 m的曲线上,并且应加强桥梁与轨道一体化设计,避免曲线上设置调节器。

(3)低温时,活动梁端桥台处钢轨产生最大伸缩拉力,各跨梁的固定端支座处钢轨产生最大的挠曲拉力。高温时,活动梁端桥台处钢轨产生最大伸缩压力。因此,考虑到梁轨相互作用的稳定控制,钢轨伸缩调节器一般设置在梁的活动端[5]。当调节器布置在梁端时,尖轨不可跨越梁端,当每跨或每联的两端都设置调节器时,不得将尖轨同时设在两端梁内。梁端一般为活动支座和固定支座,尖轨跨越梁端,活动支座会使尖轨因梁伸缩而不固定,若把尖轨同时设在跨和联的两端,梁跨梁端全处于固定区,钢轨的温度力释放不掉。

以南京长江大桥正桥3×160 m连续梁布置调节器为例[6]:左下行线,尖轨顺列车运行方向布置,尖轨设置在简支梁跨上,基本轨设置在连续梁的主联上;右上行线,尖轨设置在连续梁的主联上,基本轨设置在简支梁跨上。这样左端简支梁跨右边活动支座,低温时受压,连续梁的压力由基本轨伸缩释放一部分。连续梁右边固定支座后有2个活动支座,能够缓解连续梁右端活动支座的受压,从而保持无缝线路的稳定。

因此,布置调节器时,不仅应分析梁跨关系,还要考虑固定支座和活动支座的设置。

3 调节器分析计算

3.1 确定调节器设置方案

桥上设置调节器有2个基本因素:(1)钢轨安全储备不足,各项应力之和超过其允许应力值;(2)列车在快速制动条件下位移过大,相对位移超过4 mm,使得道砟松动,影响安全。通过桥上无缝线路检算,分析应力和位移,其中一个因素不满足时,就应设置调节器。

以南广铁路肇庆西江特大桥为例,其主桥为25 m+50 m+386 m+50 m+49 m钢混结构连续梁拱,位于直线,辅跨为32 m简支梁,位于8 000 m曲线地段,全桥最大温度跨度达到280 m。所在地区最高轨温达58.7℃,最低轨温-1.0℃,设计锁定轨温为35℃。轨道结构铺设有砟轨道,100 m定尺长钢轨(材质为U75V),每千米铺设1 667根Ⅲc型混凝土枕,配套弹条Ⅴ型扣件,按一次铺设跨区间无缝线路设计。

西江特大桥无缝线路设计时考虑了设与不设调节器2个方案。通过建立有限元梁轨相互作用模型计算,不设调节器时,桥上钢轨最大附加力达到474 kN (61 MPa),检算后各项钢轨的应力超过了钢轨允许附加应力[σ]=361 MPa,钢轨安全储备不足,并且快速制动时,钢轨相对位移大于4 mm,影响运营安全,因此采用设置调节器方案。

在西江特大桥主桥两端辅跨上设置单向调节器,通过建立模型计算,桥上附加力降低比较明显,且能完全释放梁端位移,较好解决梁轨相互作用,见图1。

图1 西江特大桥设与不设调节器附加力对比曲线

3.2 伸缩预留量计算

调节器的预留量y是由温度变化产生的钢轨伸缩、活载对梁的作用及线路可能产生的爬行量3个因素控制,预留量计算公式为y=y1+y2+y3+y4。其中,列车荷载作用下梁端部的最大位移量y2和钢轨在其他纵向力作用下而产生的位移量y4均可不计;y1是梁因温度变化而产生的伸缩量;y3是钢轨因温度变化产生的伸缩量。

例如常用的曲线型单向调节器(专线9761),基本轨与尖轨贴合面采用半径300 m的圆曲线,设计伸缩预留量为±500 mm[6]。以地区年温差39.7℃计算,温度跨度280 m时梁因温度变化而产生的伸缩量y1= 101 mm;钢轨因温度变化产生的伸缩量y3=131 mm,最后确定调节器的伸缩量y=232 mm。一般计算调节器的伸缩量y均不应大于允许伸缩量之半,因此设计的调节器(专线9761)伸缩量为±500 mm,具有足够的伸缩余量,满足桥上无缝线路设计使用要求。

2009年8月曾对广州地铁4号线运营多年的调节器现场调查,对其伸缩量、梁缝伸缩量,以及调节器基本轨和尖轨冻结接头等情况进行测量(图2)。结果表明,设计调节器伸缩量为±500 mm,实际伸缩量仅为30～50 mm,均未达到理论计算值;基本轨冻结接头未出现离缝,但是部分调节器尖轨出现2～5 mm离缝,可能部分梁伸缩过大,传递至固定尖轨;道岔内轨缝均未出现“顶死”问题,调节器达到使长钢轨位移不传递至道岔的目的。笔者仅对城市轨道交通系统调节器进行了现场调查,国铁由于桥梁温度跨度较大,有些甚至达到300 m以上,调节器伸缩量会更大,有待读者进一步调研。

图2 调节器现场伸缩量和冻结接头调研照片

4 调节器使用问题

伸缩调节器结构特点决定了它是桥上线路的薄弱环节,即要释放桥上位移和应力,又要满足列车运营的需要。正确使用伸缩调节器,控制施工质量,加强运营维护和制定行之有效的病害处置预案是十分重要且必要的[7]。总结目前调节器使用情况,主要存在以下问题。

(1)调节器设置问题。调节器应根据调节器构造特点布置,如曲线型调节器,其尖轨固定,基本轨伸缩,因此调节器不宜跨越梁缝布置。由于桥梁伸缩使得活动端产生较大位移,对桥上轨道部件产生不利的影响。冬季时,温度跨度100 m时,梁缝增大约35 mm,当温度跨度达到150 m时,梁缝增加到55 mm。梁缝伸缩量达到200 mm,可能导致尖轨位置轨撑横向螺栓和基础破坏,见图3。

图3 现场调节器使用问题实景

(2)调节器卡阻问题。卡阻现象是调节器不能按照设计预期释放梁端位移,出现少位移或“零”位移。原因是调节器结构应力集中,影响前后线路方向不良,造成调节器范围内轨距、水平、方向超限。为避免卡阻问题,保证调节器良好的伸缩性能,制造时基本轨顶弯曲线应圆顺,接触面光洁度应良好;施工和运营期间,应对伸缩的基本轨与尖轨、导向轨撑、滑床板、大垫板等摩擦面采取润滑措施。

(3)调节器构造问题。尖轨和接头是调节器病害发生较为集中部件。尖轨出现肥边不便处理而产生掉块,其材质不良,踏面淬火层金属碎裂,这是尖轨剥落掉块的根源[8]。调节器跟端接头,受列车的冲击荷载及梁端伸缩变形,导致产生大轨缝、高强螺栓扭矩损失,严重时接头完全破坏而失效,影响行车安全。因此,调节器跟端冻结接头(专线9673)高强螺栓应提高强度等级,螺栓扭矩也不宜小于1 000 N·m;另外加强复拧,使得螺母与螺栓间丝扣更加咬合,长期保持足够的紧固力[9-12]。

5 结语

调节器可确保大跨度桥上无缝线路列车运营的安全,可释放桥梁因梁体温差引起的梁端伸缩位移和长钢轨的伸缩位移,但又是线路薄弱环节,因此加强桥梁与轨道一体化设计,在工程预可研阶段预留设置调节器的条件,满足调节器设置要求,避免调节器设置引发的诸多问题。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10082—2005铁路轨道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] 丁静波,等.广州地铁4号线一期工程高架桥上无缝线路设计研究[J].铁道标准设计,2007(7):10-12.

[3] 卢耀荣.无缝线路研究与应用[M].北京:中国铁道出版社,2004: 140-83.

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10015—2012铁路无缝线路设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[5] 丁静波.北京轨道交通房山线轨道结构设计研究[J].铁道标准设计,2011(1):11-12.

[6] 广钟岩,高慧安.铁路无缝线路[M].4版.北京:中国铁道出版社,2001.

[7] 潘成杰.淮河大桥钢梁伸缩调节器状态评定及劣化控制措施和病害处置预案[J].铁道标准设计,2004(11):80-82.

[8] 孙积顺,等.伸缩调节器几种常见病害的分析处理[J].铁道标准设计,2003(2):13-15.

[9] 蔡炳华.提速道岔接头冻结技术与铺设运营效果分析[J].铁道标准设计,2002(3):7-8.

[10]刘华,韩启孟.《铁路轨道设计规范》编制的主要内容及特点[J].铁道标准设计,2006(3):11-12.

[11]谢铠泽,等.桥上无缝线路附加伸缩力放散的计算研究[J].铁道标准设计,2012(4):28-30.

[12]丁静波,曹亮.珠江三角洲城际快速轨道交通广佛线轨道工程设计[J].铁道标准设计,2012(4):25-27.

Research on Relevant Issues in Arrangement of Rail Expansion Joint of Continuous Welded Rail on Bridge

DING Jing-bo,LIU Ya-hang,GU Cheng-peng
(Design and Research Institute of Track Engineering,China Railway Engineering Consultancy Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Rail expansion joint plays an important role in coordinating the girder end's and long steel rail's expansion and contraction displacement,which is caused by temperature difference of continuous welded rail on long and major bridge.This paper systematically expounded relevant issues about rail expansion joint,and introduced the design and application situation of rail expansion joints in China at present.Furthermore,this paper suggested that:the bridge and track of railway should be designed in the form of integration with each other,and the designers should be cautious about arranging rail expansion joint on curved line.In addition,by combining with engineering project cases,this paper analyzed the calculation method of rail expansion joint,and calculated the expansion and contraction values of rail expansion joint.Finally,based on field investigation,this paper made suggestion on how to arrange rail expansion joints.

continuous welded rail on bridge;rail expansion joint;arrangement

U213.9+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.006

1004-2954(2014)08-0027-03

2013-10-30;

2013-11-22

丁静波(1979—),男,高级工程师,2002年毕业于西南交通大学土木工程学院,工学学士,E-mail:dingjbo@163.com。