徐连高速铁路邳州连续梁拱桥上钢轨伸缩调节器铺设技术

崔强

中国铁路上海局集团有限公司徐州枢纽指挥部，江苏徐州221000

新建徐州—连云港高速铁路设计速度350 km/h，线路西自徐州，与徐兰高速铁路、京沪高速铁路和徐盐高速铁路相连，东达连云港地区，连通青盐铁路和连镇高速铁路，线路全长180.092 km。

徐连高速铁路大量以桥代路，桥梁总长163.635 km，占线路总长的89.5%。徐连高速铁路跨度（84+168+84）m邳州连续梁拱桥（图1）是全线温度跨度最大的铺设无砟轨道的桥梁。本文先对桥上无缝线路钢轨强度进行检算，然后对钢轨伸缩调节器和梁端伸缩装置的设计、铺设及动态检测进行介绍和分析，为我国大跨度桥梁上无砟轨道钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置铺设提供参考。

图1 桥跨布置示意

1 桥上无缝线路钢轨强度检算

由于梁轨相互作用，在温度荷载作用下桥梁会发生纵向伸缩位移，而桥上钢轨是连续的，二者伸缩位移不一致，会导致钢轨内部产生伸缩附加应力［1］。特别是在冬季，梁缝处钢轨受力更大。此外，在列车制动及温度荷载作用下钢轨很可能在梁缝处拉断［2］。邳州连续梁拱桥小里程侧温度跨度为252 m，大里程侧温度跨度为116 m。根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》［3］，须对桥梁上仅铺设小阻力扣件时无缝线路钢轨强度进行检算。

钢轨强度检算公式为

式中：σd、σt、σf、σz、[σ]分别为钢轨的动弯应力、温度应力、伸缩附加应力、制动应力和容许应力。

1.1 钢轨动弯应力计算

σd的计算公式为

式中：M0为钢轨静弯矩，取17 431.50 kN·mm；α为速度系数，徐连高速铁路设计速度为350 km/h，α取1；β为偏载系数，本桥位于直线地段，不设超高，β取0；f为横向水平力系数，直线地段取1.25；W底为钢轨轨底断面系数，取3.75×105mm3。

经计算，σd=116.21 MPa。

1.2 钢轨温度应力计算

邳州连续梁拱桥所在地最高轨温60.6℃，最低轨温-22.6℃，设计锁定轨温（24±5）℃，由此可得钢轨最大温降为51.6℃。σt的计算公式为

式中：E为钢轨弹性模量，取210 GPa；α为钢轨热膨胀系数，取1.18×10-5℃-1；Δt为钢轨最大温降，取51.6℃。

经计算，σt=127.86 MPa。

1.3 钢轨伸缩附加应力及制动应力计算

当邳州连续梁拱桥全桥铺设小阻力扣件时，采用桥上无缝线路梁轨相互作用计算模型［4］对钢轨伸缩附加应力、钢轨制动应力进行计算，结果见图2。

图2 钢轨伸缩附加应力和制动应力计算结果

从图2可以看出：小里程侧梁缝处（DK125+430.75）钢轨伸缩附加应力明显大于大里程侧梁缝处（DK125+768.05），钢轨最大伸缩附加应力为85.92 MPa；钢轨最大制动应力为22.84 MPa。

1.4 钢轨容许应力

徐连高速铁路采用U71MnG钢轨，钢轨屈服强度为457 MPa，考虑安全系数1.3，钢轨容许应力［σ］为351 MPa。

综合以上计算，邳州连续梁拱桥无缝线路钢轨强度为σd+σt+σf+σz=116.21+127.86+85.92+22.84=352.83 MPa＞［σ］。即仅在桥梁上铺设小阻力扣件，无缝线路钢轨强度不满足要求，因此考虑在桥梁梁缝设置钢轨伸缩调节器。

对于大跨度连续梁拱桥，通常在两侧梁缝处均设置钢轨伸缩调节器［5］。如果只布设在大温度跨度侧，连续梁拱桥将承受小温度跨度侧无缝线路的纵向力。桥梁不仅受力不平衡，而且在温度应力循环作用下小温度跨度侧梁缝附近扣件垫板容易随梁体伸缩而窜出，在低温季节甚至存在断轨风险。因此，邳州连续梁拱桥两侧梁缝处左右线均设置钢轨伸缩调节器。邳州连续梁拱桥最大梁缝宽46 cm。为保证梁缝处扣件间距和钢轨受力同时满足要求，还须采用上承式梁端伸缩装置。

2 钢轨伸缩调节器和梁端伸缩装置设计

2.1 总体设计

邳州连续梁拱桥两侧梁缝处左右线均设置钢轨伸缩调节器和梁端伸缩装置（共4组）。钢轨伸缩调节器的型号为研线0706（19LX）（以下简称调节器）。调节器跨梁缝布置，调节器尖轨布置在连续梁梁面上，尖轨尖端朝向梁缝，基本轨跨越梁缝至简支梁。调节器与上承式梁端伸缩装置一体化设置。调节器全长19.96 m，设计伸缩量为±400 mm；上承式梁端伸缩装置设计伸缩量为±300 mm。钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置布置如图3所示。

图3 邳州连续梁拱桥钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置布置示意

2.2 细部设计

调节器的扣件采用硫化垫板及偏心套结构，硫化垫板静刚度与扣件铁垫板一致。调节器的基本轨下采用可滑动扣件，尖轨下采用大阻力扣件。钢轨左右两侧调整量均为±16 mm，高低调整量为-4～20 mm。调节器的轨撑螺栓采用了穿销螺栓+开槽螺母+弹簧垫圈+平垫圈结构，以提高轨撑螺栓的加固性能。

为保证结构合理可靠，调节器的尖轨尖端设计为藏尖3 mm，尖轨非工作边呈抛物线形。为保证基本轨滑动状态稳定可靠，在基本轨轨撑下设置垫片，在基本轨跟端设置双联轨撑，如图4所示。

图4 调节器断面示意

3 钢轨伸缩调节器和梁端伸缩装置铺设

自下而上、从梁缝向两侧铺设调节器及梁端伸缩装置。具体步骤如下：

1）铺设梁端伸缩装置

首先将梁缝两侧的长桁架轨枕调整到合适位置，用支架将轨顶支撑到轨道结构高度处，使钢轨中心线与线路中心重合。然后安装扣件及纵梁，拧紧扣件和枕端连接板螺栓，形成完整的梁端伸缩装置。

2）铺设调节器

①在梁端伸缩装置两侧依次排布调节器区轨枕，拧松轨枕的钢轨扣件，取下弹条、轨撑等部件，拆下2根短钢轨。②采用专用吊机从装载车上起吊调节器尖轨和基本轨组件，平放到附近并进行支垫和防护。③放置扣件的硫化垫板、弹条、T形螺栓副、轨距块、缓冲调距块，安装扣件并进行钢轨轨距调整，以80～100 N·m扭矩初拧垫板螺栓，并将硫化垫板与轨枕联结，同时调整支撑架高度。④测量每根轨枕的位置，用精调仪对轨枕位置进行精调。铺放和绑扎道床板内钢筋，按道床板位置设置模板，并做好浇筑混凝土相关准备。⑤在基本轨始端、尖轨尖端（或跟端）、基本轨跟端设置位移观测桩。

3）浇筑混凝土及焊接钢轨

①对关键部件覆盖防护后方可浇筑混凝土，浇筑过程中严禁磕碰、踩踏剪刀叉和纵梁。在混凝土浇筑24 h内及时去除落入的脏物并养护。②首选铝热焊对基本轨始端及尖轨跟端进行焊接，焊头打磨、探伤等应符合相关技术要求。钢轨焊接后应检查一体化设备各部件扭矩、涂油状况、密贴程度与间隙。

4 动态检测

2020年12月动车组通过邳州连续梁拱桥调节器处时，对动车组运行稳定性指标、轨道结构横向稳定性指标、轨道结构振动指标进行了实测，结果见表1。

表1 动车组和轨道结构动力性能指标实测结果

由表1可见，动车组通过调节器处时，各项动力性能指标均在规范限值内。

5 结论

1）仅在桥梁上铺设小阻力扣件，徐州—连云港高速铁路邳州跨度（84+168+84）m连续梁拱桥上无缝线路钢轨强度不满足要求，因此确定在桥梁两侧梁缝处左右线均设置钢轨伸缩调节器。为保证梁缝处扣件间距和钢轨受力同时满足要求，还须采用上承式梁端伸缩装置。

2）钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置在邳州连续梁拱桥铺设后，动车组通过钢轨伸缩调节器处时各项动力性能指标均在规范限值内。

在徐连高速铁路建设单位，调节器的研发单位、线路设计单位、施工单位等各方积极配合下，邳州连续梁拱桥钢轨伸缩调节器及梁端伸缩装置顺利铺设，为我国需铺设无砟轨道钢轨伸缩调节器的其他大跨度桥梁提供了经验。