铁路道岔便梁技术条件与结构方案研究

谢爱华

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

随着我国交通线路网的不断完善，出现大量的新建道路、新建城市市政排水系统、城市道路与既有铁路相互交叉，需要下穿站场、道岔区段等复杂情况。道岔区段铁路线相互交汇，线间距与曲线半径小，转辙机、信号灯、道岔拉杆等相关设备多，同时线路要求高，直股与曲股之间的轨道受力也比较复杂，路基的下沉和不均匀沉降容易引起病害。以往下穿工程通常会选择避开道岔区段，但近些年随着城市交通工程的发展，越来越多的线路不可避免地需要下穿道岔区段[1－5]。传统的下穿加固技术如纵横梁法，沿铁路线设置的桩位较多，另一侧搭在下方框架涵的涵顶，顶推过程中若框架涵出现扎头、偏位时，容易造成线路的倾斜或是过大变形，一旦在尖轨段或辙叉段出现变形过大，尖轨与基本轨不密贴导致轨距扩大，将会危及行车安全。

道岔区段采用便梁加固等于以桥代路，由于道岔区从岔尖区到辙叉区线路数量发生变化，需要加固的区域较宽[6－7]。因此需要一种纵横向刚度大、断面宽，并在施工中避免抽换岔枕的加固方式，达到快速施工和恢复线路，对营业线扰动少，不中断行车，轨道条件好等目的，因此本文依托中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目，研究提出满足上述要求的道岔便梁加固结构。

2 道岔便梁主要技术条件分析

道岔便梁技术条件主要从活载、限速、便梁刚度、线路条件等几方面进行分析，并根据道岔区线路岔心和岔尾两个部位分别分析竖向刚度要求。

2.1 活载

道岔便梁属于临时性钢梁，设计时参考的规范主要有«铁路桥梁抢修(建)技术规程(试行)»[8](以下简称«抢规»)和«铁路桥涵设计规范TB 10002—2017»(以下简称«桥规»)。在抢修工况下，应急与短期使用年限一般在1～5年，设计活载为东风4型内燃机车单机随挂70 kN/m均布活载。而营业线临时架空时间多在半年以内，且不可能做到限载，因此道岔便梁设计活载依据架空线路设计活载及运营活载选定，目前各类工程中涉及到的设计活载主要为高速铁路ZK活载、客货共线ZKH活载与中活载3种。

2.2 限速

一般道岔区段离车站较近，运营列车繁忙，安全要求高，参考既有D型便梁设计限速为60 km/h，且不低于铁路营业线施工限速45 km/h，因此道岔便梁的设计限速定为60 km/h，不仅在设计上可留有一定富裕量，使便梁适应铁路荷载的覆盖面更广，也可提高客货共线和高速铁路架空加固后的通过能力和舒适度。

2.3 冲击系数

«桥规»中的冲击系数计算公式为:1＋μ＝1＋28/(40＋L)。

«抢规»中的冲击系数计算公式为:1＋μ＝1＋φ28/(40＋L)。

式中:φ为折减系数，对于内燃机车、电力机车和车辆，当行车速度V＝60～120 km/h时，φ＝0.75；当V<60 km/h时，φ＝0.75 V/60。

从上述两种不同规范关于冲击系数的计算公式可以看出:由于临时性钢梁的限速较低，且为了更大限度地利用钢材承载能力，重点保证应急与短期使用年限，在设计上不至于过于保守浪费，«抢规»相较于«桥规»对冲击系数取0.75的折减系数，并对60 km/h以下速度进一步折减。为进一步明确两个公式哪个更适用于临时钢梁的设计使用，结合B型梁(L＝24 m)动载试验报告的有关数据，主要列出B型梁主梁跨中、主梁拼接处、横梁上翼缘在4 种理论限速15 km/h、30 km/h、45 km/h 及60 km/h下的实测冲击系数，与依据«抢规»和«桥规»冲击系数计算方法的计算值进行对比分析，如表1所示。

表1 B型梁(L＝24 m)不同限速下动载冲击系数实测值与计算值对比

由表1可以看出:45 km/h至60 km/h时，纵横梁实测冲击系数随速度增加而增大，«桥规»计算的主梁冲击系数约为实测值的1.25倍，«抢规»计算的主梁冲击系数约为实测值的1.15倍；«桥规»计算的横梁冲击系数约为实测值的1.15倍，«抢规»计算的横梁冲击系数约为实测值的1.05倍。由以上数据分析对比，冲击系数应按«抢规»计算，即留有一定的安全富裕量，也不致于造成较大浪费。

2.4 竖向刚度

参考D型便梁竖向刚度以及«普速铁路线路修理规则»[9]中“道岔轨道静态几何尺寸容许偏差管理值”与“轨道动态质量容许偏差管理值”要求综合确定。

(1)岔心段道岔便梁刚度

岔心位置处存在转辙机、活动尖轨等设备[10]，为避免便梁挠度及振动对转辙机工作及尖轨滑动产生影响，参考“轨道动态质量容许偏差管理值”中Vmax≤120 km/h、正线Ⅲ级时的轨道高低容许值20 mm，以该值作为轨道在便梁跨度范围内的高低容许值，由此反推在不考虑冲击系数后的道岔便梁纵梁竖向刚度容许值。表2为ZKH静活载下各类常用跨度的岔心段道岔便梁纵梁挠度建议值。

表2 岔心段道岔便梁纵梁挠度建议值

(2)岔尾段道岔便梁刚度

辙岔及岔尾段等不存在转辙机的区域，根据已有相关的下穿工程经验，该区域没有必要采用岔心段刚度要求。在辙岔和岔尾地段，列车通过主线或侧线时纵梁会受到一定程度的偏载，在参考D型梁刚度基础上适当提高岔尾段道岔便梁竖向刚度至Lp/500，有利于辙岔及岔尾段道岔便梁的受力均衡及轨道变形控制。

2.5 横向刚度

我国铁路随着列车速度的提高，对桥梁横向刚度的规定日益明确，铁路运营单位也对便梁的横向刚度提出过检算要求，但铁路临时性钢梁设计所参照的«抢规»中，并没有对横向刚度提出明确要求，而«桥规»中1/4 000水平挠度容许值对于临时性钢梁过于严苛，这使得设计人员在对临时钢梁横向刚度的把握上无可参考依据。参照既有便梁竖向刚度与«桥规»中竖向刚度的比例关系，提出道岔便梁的水平挠度限值按跨度的1/2 000控制。由于道岔便梁使用跨度不大，在设计与运营限速下，通过多年使用检验证明该横向刚度是安全的。

道岔段由于常存在小曲线半径或两条正线轨底有相对高差的情况，通常会将桩顶做成斜坡，便梁采取整体斜置的方式，由此因斜置产生的横向分力会增大便梁结构的横向变形。以32 m便梁在100 mm超高值下其斜置角度为3.8°为例，通过增加架设过程施工工况分析，累积纵梁自重下的横向位移、纵横梁连接成整体后自重下的横向位移，以及摇摆力、横向风力、离心力、列车活载作用下的横向位移后，斜置架设后便梁横向位移值约是平置架设的1.5倍。因此采用斜置便梁以满足超高或轨底高差时，应综合考虑架设过程的影响，适当提高便梁横向刚度。

2.6 线路条件

道岔便梁主要针对单开、交叉渡线、复式交分等道岔，也可扩大应用至线间距4～5.6 m的双线铁路。

3 道岔便梁结构方案

3.1 总体结构

道岔区便梁的总体布置方案主要考虑下穿框架桥、道岔型号、道岔区段、岔枕角度与间距、线间距、限界[11]、轨底至框架桥顶距离等方面因素，遵循“因形而设、经济紧凑”的原则，两侧纵梁分别为平行于正线方向或平行于岔线方向，形成八字形、小角度平行四边形或方形平面结构。在部件设计上，通过采取低高度加长横梁、高承载力纵梁、简化平联、配套多类型道岔扣件等一系列措施，形成各类道岔便梁结构，见图1、图2。

图1 单开道岔便梁平面(单位:m)

图2 渡线道岔平面(单位:m)

3.2 部件结构

道岔便梁结构简单、部件种类少，安装方法便于施工单位掌握。各个主要部件具有以下特点:

(1)道岔便梁通常采用直接架空2条正线及渡线的方式，断面宽度在11 m左右，见图3。

(2)纵梁为窄箱形截面，24 m跨度纵梁高度一般在1.7 m以内，宽度根据外侧线间距下可用空间大小以及横向刚度要求确定。

(3)横梁为工字形，长度最大在10 m左右，高度在0.5～0.65 m之间，两端通过连接板及隅撑与纵梁加劲肋连接。

(4)下平联采用双交叉型式，取消连接板，将平联角钢直接与横梁下翼缘连接，减少一半连接螺栓[12]，在有效保证横向变形的情况下大大减化现场安装工作量。

(5)结合使用单位习惯，提出3种道岔便梁扣件种类，以解决小间隙钢轨固定问题。其中A型扣件主要用于正线钢轨的固定，通过螺栓与横梁连接；B、C型扣件用于渡线钢轨的固定，采用现场焊接方式与横梁连接，见图4。

图4 道岔便梁轨道扣件

4 结束语

本文提出的道岔便梁设计指标，在综合考量临时钢梁安全性与经济性基础上，明确了冲击系数、横竖向刚度及施工过程分析等要求，对于道岔便梁设计尺度的把控以及保证既有线施工运营安全提供了依据，同时本文提出的道岔便梁结构也在单开道岔、交叉渡线道岔及双线铁路中成功应用，减少了道岔线路对市政设施、公路选线的影响，降低了对铁路运输的干扰，给使用单位带来了较好的社会效益与经济效益。