城市轨道交通大跨度斜拉桥无砟轨道及无缝线路设计方案研究

2022-11-25左一舟

铁道勘察 2022年6期

左一舟

(中国铁路设计集团有限公司广东分公司，深圳 518052)

城市轨道交通中，大跨度公铁两用斜拉无砟轨道结构桥梁较为少见，在这种类型的桥上设计无砟轨道存在较大困难。大跨桥梁柔性大，变形大，轨道几何形位不易控制，极大地影响着列车的安全运行[1]。我国的大跨桥梁多铺设有砟轨道，由于有砟轨道养护维修工作量较大，因此也有部分桥梁铺设无砟轨道[2-3]。

温度和列车荷载是影响大跨桥上无砟轨道状态的关键因素，冯青松等基于有限元法研究了温度荷载对连续梁桥上无砟轨道无缝线路纵向力和几何形位的影响[4]；梁金宝等基于桥上无砟轨道实测温度数据，探讨无砟轨道温度作用的合理取值[5]；闫斌等通过仿真模型研究极端温度作用下高速铁路简支梁桥与CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道相互作用[6]；周凌宇等制作无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁1/4缩尺试验模型，通过开展快速升降温试验，分析CRTSⅡ型无砟轨道二维温度场分布规律[7]；张鹏飞等通过大跨桥上无砟轨道空间精细化有限元模型，研究了横向和竖向温度梯度对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力学特性的影响[8]；方文珊结合某运营高铁大跨度桥上CRTSⅡ型无砟轨道结构的长期光纤传感监测数据，研究了无砟轨道结构的受力及变形规律[9]；张悍东以昌赣客运专线混合梁斜拉桥为例，建立大跨度斜拉桥上无砟轨道精细化模型计算分析不同荷载作用下大跨度桥上无砟轨道纵向力[10]。但是上述研究基本针对刚度较大的铁路桥梁展开，对于公铁两用桥梁，特别是同层布置的大跨度桥上无砟轨道的研究尚未涉及。

桥上无砟轨道结构选型对桥梁Ⅱ期恒载以及动力响应等有较大影响，轨道结构必须轻盈且有一定的隔振性能；此外，梁端变形受温度及荷载的影响较大，需对此进行适应性设计[11-12]。

以佛山市南海区新型公共交通系统试验段工程跨东平水道特大桥为例，阐述城市轨道交通大跨度公铁两用斜拉桥桥上无砟轨道及无缝线路设计方案。

1 工程概况

跨东平水道特大桥是佛山市南海区新型公共交通系统试验段工程为跨越东平水道而修建的桥梁，主桥采用(35+260+58+64+58)m钢箱-混凝土混合主梁独塔斜拉桥，公路与轨道交通同层布置。该桥以主塔为界，小里程端为钢梁，大里程端为混凝土梁。主桥纵断面为人字坡，坡度4%。桥跨立面及钢桥横断面分别见图1、图2。

图1 跨东平水道特大桥立面(单位：m)

图2 跨东平水道特大桥钢桥横断面(单位：m)

本线为有轨电车线路，其线下结构具有一般地铁的特点，目前业内没有成熟的有轨电车规范，轨道设计主要参考GB 50157—2013《地铁设计规范》、TB 10082—2017《铁路轨道设计规范》及GB/T 50299—2018《地下铁道工程施工质量验收标准》，但需酌情降低相应标准。

2 主要关键技术问题

跨东平水道特大桥主桥为钢混结合的独塔斜拉体系，具有跨度大、结构新、坡度大等特点，桥上无砟轨道结构由钢轨、扣件、轨枕、护轨、伸缩调节器、梁端伸缩装置(抬轨器)、钢筋混凝土道床、减振垫及纤维混凝土层等部分组成。采用50 kg/m钢轨，设置1∶40的轨底坡。

本桥与一般大跨连续梁桥最大的区别是存在较大的人字坡，从而引起了梁缝两端产生较大的错台，相较于一般平坡桥，其轨道结构具有不同的受力特点，需要从以下几个关键方面着手分析。

(1)本桥最大温度跨度为330 m，需要进行桥上无缝线路检算，以确定是否需要设置钢轨伸缩调节器，以及如何设置小阻力扣件。

(2)根据杂散电流防护的要求，钢桥范围轨道结构需采取隔离措施，并避免与桥梁产生共振效应，此外还需分析无砟道床结构自身的受力。

(3)对于梁缝两侧较大的错台值，桥梁伸缩引起的轨枕间距变化及扣件上拔力，以及梁端转角超限等问题，都需要进行梁端轨道结构适应性分析。

3 理论计算及分析过程

3.1 桥上无缝线路计算及设计

(1)梁轨相互作用模型

基于通用有限元软件，在满足工程应用的前提下，通过一定的简化处理[13]，建立的计算分析模型(见图3)。

图3 梁轨相互作用分析有限元模型

考虑结构的对称性，模型仅分析单线；模型中梁体和主塔采用梁单元模拟，斜拉索采用杆单元模拟，钢轨采用梁单元模拟，刚体和梁体的连接采用非线性弹簧单元模拟。两股钢轨通过弹簧模拟扣件，与轨下基础联系，不考虑道床与梁面的水平相互作用[14-15]。

(2)桥上无缝线路计算分析

基于赵卫华研究结论[16]，主塔及斜拉索对挠曲工况梁轨相互作用影响很小，在进行桥上无缝线路计算时，可不考虑主塔和斜拉索对梁轨相互作用的影响。

根据桥梁结构及无缝线路设计特点，本工点分为5种工况进行计算，检算项目包括钢轨拉压应力、断缝值及稳定性。计算方案及结果见表1。

表1 桥上无缝线路计算方案及计算结果

(3)检算结果与设计建议

根据上述检算方案及结果，建议采取以下设计方案。

①小阻力扣件布设范围尽可能小，采用方案五，即设置10 m小阻力扣件，对大坡道上抑制轨条纵向窜动和防止断轨时断缝值变大起到最佳效果。

②布置伸缩调节器时，伸缩调节器基本轨端的焊头应跨过主桥缝(见图4)，以避免当钢轨纵向位移过大导致焊头纵向移动量较大时，焊头与扣件系统发生冲突。

图4 伸缩调节器焊头示意

3.2 桥上无砟轨道的结构分析

既有的大跨度斜拉桥上一般以铺设有砟轨道为主，无砟轨道应用较少；为减轻主桥上的Ⅱ期恒载并考虑施工的便利性，主桥上的轨道结构高度应与引桥一致，对轨道结构选型造成限制。为满足上述要求，利用桥上纤维混凝土形成了向上凸起的“反向限位凸台”结构。道床采用C40钢筋混凝土结构，将凸台覆盖，道床宽2 500 mm，标准道床板长4 900 mm，道床每5 m设置1道约100 mm宽伸缩缝。道床底部设置25mm厚道床减振垫。

根据桥上无砟轨道的工作特性，重点考虑常用轮载、温度梯度荷载的作用，计算不同工况作用下轨道结构各部件的位移与受力，包括钢轨与道床板的垂向位移及道床板的配筋情况检算。主要计算工况见表2。

表2 桥上无砟轨道计算工况

常用轮载取62.5 kN，正温度梯度荷载取80 ℃/m，负温度梯度荷载取-40 ℃/m。工况一的计算结果见表3及图5，工况二的计算结果小于工况一，以下不再示出。

表3 列车荷载+正温度梯度荷载计算结果

图5 桥上无砟轨道弯矩及变形

(2)道床减振垫隔振性能分析

既有的轨道交通桥上无砟轨道与桥梁之间一般设置CA砂浆或土工布隔离层；聚氨酯减振垫作为近年来新型的减振型材料，不仅能够起到良好的减振效果，还能有效防护杂散电流，从而达到保护钢桥的效果。

通过模拟落轴试验的方式来计算整个减振轨道结构在列车冲击荷载作用下的动力响应，提取钢轨、道床板、底座板与桥梁的振动加速度时程曲线，见图6。

图6 轨道交通桥上结构加速度时程曲线

对隔离层分别为聚氨酯减振垫层及普通CA砂浆层进行对比分析，得到的结果表明：相较于CA砂浆层，聚氨酯垫层能够较大程度地阻隔振动的传播，即聚氨酯垫层的减振效果远大于CA砂浆层。

(3)计算结果及设计建议

①在列车荷载及正、负温度梯度荷载作用下，根据拟定的轨道设计方案，道床板按构造配筋即可满足承载要求。②最不利条件下，道床板凸台边角受力满足强度要求。③根据提供的聚氨酯垫层性能，对比分析了CA砂浆层的隔振能力，前者能更有效地阻隔振动的传播，隔振性能良好，达到了预期设计效果。

1)结合现有仿人机械臂设计方法，参考中国成年男子手臂尺寸参数，基于弹簧连杆机构设计了一套用于工业装配外骨骼的具有支撑工具功能的弹簧连杆机械臂，并证明了该机械臂能够很好地应用于工业装配外骨骼。

3.3 梁端轨道结构适应性分析及优化

对于轨道结构，大跨连续梁斜拉桥在梁端处存在许多不利因素[15]，本桥也具有类似的特点：①连续梁两端梁缝较大且动态变化，最大梁缝值可达396 mm，最大变化值为196 mm。根据轨枕宽度及必要的轨枕边缘厚度，最大轨枕间距可达826 mm左右，远远超过设计可接受的数值。②为保证扣件的使用安全及梁端轨道板的稳定性，扣件的弹性垫板不允许出现失压现象，梁端两侧扣件所受上拔力之和不能超过其初始扣压力。③由于坡度较大，当桥梁伸缩时，桥梁支座沿水平方向移动，这将引起梁缝两端的动态错台，最大值达7.84 mm。④根据本文3.1节，需在主梁梁缝处设置钢轨伸缩调节器，而为了满足上述3个不利因素，一般需设置梁端伸缩装置(也称“抬轨器”)，因此2个设备需协同设计，避免冲突。

以下对不设置梁端伸缩装置(优化前)以及设置伸缩装置时(优化后)受力情况进行检算，过程如下。

(1)检算的项目及限值

①检算扣件上拔力限值，常阻力扣件为22 kN，小阻力扣件为16.8 kN；检算扣件下压力限值，下沉量限值为2.4 mm。②检算钢轨应力限值，根据《铁路无缝线路设计规范》，取352 MPa。③检算梁端轨道不平顺矢度限值，10 m弦的平顺矢度不宜超过验收标准规定的4 mm。

(2)未设置梁端伸缩装置时的检算结果

当梁端未设置伸缩装置时，由于合龙温度并不在温度平均值处，所以当气温最高时与当气温最低时计算结果有所差异，取最不利状态即最低温时的计算结果(见表4)。