有砟橋上無縫道岔軌道幾何狀態現場檢測分析及控制

劉 芳

(上海鐵路局杭州工務段,杭州 310009)

1 概述

滬昆線為時速200 km的客貨共線鐵路,正線軌道按一次鋪設跨區間無縫線路設計。由于設計受到地形或環保等條件的制約,該線3座有砟簡支梁橋上正線鋪設了16組無縫道岔。國內之前沒有在有砟簡支梁橋上鋪設無縫道岔的先例。在后期運營發現,橋上無縫道岔的幾何位置難以保證,給行車的平穩性、安全性產生很大的影響,而且幾何狀態變化很快,需要投入大量的人力來進行養護維修。為從根本上解決問題,須對橋上無縫道岔進行受力分析和試驗,找到關鍵因素,制定合理對策,控制岔區軌道幾何狀態。

2 簡支梁有砟橋上無縫道岔現狀分析和試驗

橋上鋪設無縫道岔后,道岔與橋梁之間的相互作用極為復雜,這主要反映在：梁體隨溫度變化的伸縮、在豎向荷載作用下的撓曲以及列車制動/啟動引起橋梁與道岔的相互作用。另外,無縫道岔的軌道結構與一般單元軌道不同,它是由正、側兩股道兩根鋼軌交會后又交成一股軌道。當軌溫變化時,尖軌可以自由伸縮,導軌將受到相當于一個接頭阻力的約束,當溫度力克服接頭阻力后則發生伸縮位移。而基本軌除了承受溫度力外,還會受到導軌伸縮的作用力。道岔尖軌由于溫度變化引起伸縮,造成尖軌與基本軌的作用,并通過扣件和橋面系引起道岔與橋梁相互作用,使得軌道幾何狀態難以保持。

2.1 設計背景

簡支梁橋上無縫道岔的軌道幾何狀態控制,是保證橋上列車安全平穩過岔的關鍵,又是制約高速鐵路發展的關鍵技術之一,因而也成為科研、設計、建設、維護各方關注的重點。如何有效解決簡支梁橋上無縫道岔的軌道幾何狀態控制技術難題,是對簡支梁橋上鋪設無縫道岔在技術上的一個重要突破。

由于滬昆線上有砟簡支梁橋上鋪設無縫道岔在我國屬于首次,考慮到橋上無縫道岔受力結構的復雜性,為了確保橋上道岔的幾何狀態,經過專家研究論證,對橋上16組正線18號無縫道岔原設計方案進行了變更優化[1]。

(1)橋梁變更設計

①增加梁體結構剛度。以5片梁橫向連結,即2片專橋9753 T梁+3片道岔梁。

②在梁擋砟墻頂部加設22 cm高L形擋砟塊,滿足砟肩寬45 cm、堆高15 cm,道床邊坡1∶1.75的要求。

(2)道岔變更設計

①道岔尖軌跟端傳力機構由限位器改為雙間隔鐵結構,間隔鐵螺栓采用直徑為27 mm的高強度螺栓,螺母采用大扭矩防松螺母。

②道岔翼軌跟端間隔鐵采用膠結方式連接。

③對道岔位置進行優化,尖軌部分均避開了梁縫。

④將轍叉翼軌AT軌段趾端加長2.4 m,道岔焊接接頭避開梁縫。

⑤在橋梁前后75 m范圍內安裝防爬設備。

由中鐵寶橋股份有限公司根據設計變更要求對提速道岔進行改進,特制了直向時速200 km寶橋廠CZ2516提速型可動心軌混凝土枕道岔。

2.2 橋上無縫道岔使用現狀

盡管橋上無縫道岔進行了設計優化,但自2006年6月投入運行以來,有砟橋面道岔存在軌向狀態易變不易控的技術難題,普遍存在大量的岔區養修作業,基本上要求在10 d左右養修1遍,遇高溫天氣,軌向變化更快,往往前面剛進行過養護,幾趟車一跑又得重新養護。這樣,即使投入大量的養護人工,也難以滿足橋上列車運行的舒適度與安全性要求,對橋上列車正常運行,也存在嚴重隱患。

2.3 有砟橋上無縫道岔靜動態測試

為評估有砟橋上鋪設無縫道岔的行車安全性,分別對滬昆線諸暨站路基上和湄池1號特大橋上無縫道岔及其所在橋梁分別進行靜態、動態測試,并進行了對比分析。

從路基和有砟橋上無縫道岔的靜態、動態試驗得出如下結論[2]。

(1)路基上無縫道岔的道床縱向、橫向阻力均大于橋上的道床阻力。

(2)從脫軌系數,輪軌垂、橫向力,軌道部件應力,道岔動位移等幾個方面比較,橋上道岔的輪軌動力作用明顯大于路基上的道岔。

(3)當客車以151 km/h、動車以205 km/h的速度通過橋上道岔時,輪重減載率最大值分別達0.59、0.55,均已接近安全性指標限值0.6。在有砟道岔梁橋上的岔區軌道,沒有采取加強措施情況下,安全儲備不足。

(4)橋上道岔區各個位置上的橫向力存在明顯差異,轍叉區由于存在較大的結構不平順,導致輪軌相互作用加劇,輪軌橫向力最大,轉轍器尖軌區的橫向力也較導曲線部分的橫向力大,僅次于轍叉區。

(5)列車通過橋上道岔時,橋梁的各項指標均滿足規范要求,但從橋上無縫道岔系統角度評價,橋梁的豎向剛度較小。

2.4 原因分析

由于橋面鋪設的無縫道岔道床厚度較路基上的道床厚度小,橋面摩擦系數也較路基小,再加上簡支梁橋豎向剛度又較小,在列車通過時,橋梁的振動驅使橋上道岔區輪軌動力相互作用遠較路基上強烈。軸重越大、列車速度越高,這種岔橋動力相互作用越劇烈,使橋上道砟一直處在松散狀態,橋上的道床阻尼明顯偏小,橫向阻力和縱向阻力相比就更小。但因為縱向鋼軌被鎖定,道床有連續性,它的縱向移動會受到約束；而橫向沒有連續性也沒有特別的約束,只有靠道床的較小的阻力和軌道結構本身的牽制作用維持其狀態。在列車振動和溫度力的作用下,極易變形。因此,必須在岔區的橫向設置約束變形的裝置,以確保安全。

3 軌道橫向加強控制技術方案

現狀分析和現場試驗表明,岔區軌道幾何狀態控制的關鍵是橫向穩定問題。從保證行車安全,提高列車運行平穩性,減少養護維修工作量出發,必須對軌道幾何狀態易變區段采取增加橫向約束措施。本文采取的技術方案是,除進行無縫線路有效鎖定、增加道床阻力外,采用在梁軌間設置限位樁結構來實現軌道橫向加強措施,以控制橋上無縫道岔的軌道穩定性。

3.1 方案設計

本次方案選在有砟橋上無縫道岔橫向力較大的轉轍區和岔心區部位,在道岔兩側梁上各設置4對限位樁,固定梁上道岔軌向,進行無縫道岔的橫向穩定加固試驗。N7岔區限位樁設計位置見圖1。道岔梁限位樁鋼筋配置方案見圖2。道岔梁限位樁安裝見圖3。

圖1 橋梁與道岔間限位樁設置平面(單位：m)

圖2 道岔梁限位樁基礎鋼筋布置(單位：mm)

圖3 道岔梁限位樁安裝(單位：mm)

3.2 強度檢算

限位樁材料為C30混凝土,根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)5.2.2條[4],無箍筋及斜筋時容許主拉應力[σtp-2]=0.73 MPa,容許純剪應力[τc]=1.10 MPa。

根據《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》5.2.3條[5],列車的橫向搖擺力取100 kN,作用在鋼軌頂面處。列車橫向搖擺力最不利的破壞為兩輛車的前車后轉向架和后車前轉向架同一方向達到最大,即4個輪軸的橫向集中力各達到25 kN。

在輪軌橫向力作用下,最不利位置為限位樁與道砟槽面接觸處。限位樁底部近軌道內側受拉,外側受壓。限位樁按寬1 m、高0.45 m矩形截面受彎檢算。

限位樁底部的彎矩

M=F·e=100/4×0.75=18.75 kN·m

限位樁底部近軌道側的最大拉應力為

σ=M/W=18.75×0.001/(1×0.45×0.45÷6)=

0.55 MPa<[σtp-2]=0.73 MPa

限位樁所受最大剪應力

τ=F/A=18.75×0.001/(1×0.45)=

0.042 MPa<[τc]=1.10 MPa

限位樁底部受拉應力但不會開裂,不需配置受力鋼筋,按構造配置鋼筋即可。限位樁內側錨筋建議按受力鋼筋布置,縱向間距采用規范規定最小間距20 cm。限位樁外側與中部均為受壓,錨筋作用不大,按構造配置即可。

3.3 支座受力情況

橋上設置橫向限位裝置后,對支座的垂直反力及作用于橋軸方向的支座水平力影響極小,幾乎可以忽略不計,主要針對垂直于橋軸方向的支座水平力進行計算。

湄池1號特大橋第9、10孔均為32 m預應力T梁,支座采用了TK-YZM280型圓柱面鋼支座,單個支座豎向承載力為2 800 kN。固定支座位于滬端,其允許承受的橫向水平力為豎向承載力的30%,即2 800×30%=840 kN。活動支座位于昆端,其允許承受的橫向水平力為豎向承載力的20%,即2 800×20%=560 kN。孔梁兩端支座允許承受的橫向水平承載力為：FS=(840 kN+560 kN)×2=2 800 kN。

垂直于橋軸方向的支座水平力由離心力、風力、列車橫向搖擺力、地震力、側向撞擊力組成[6]。計算如下。

(1)列車離心力：離心力率C=V2/127R

離心力F1=豎向靜活載×C

橋上N7道岔位于直線地段,且岔后無附帶曲線,因此離心力F1=0。

(2)風力：按不利條件,橋上有車時風荷載強度取值W=1250Pa

梁高2.8 m,根據《鐵路橋涵設計基本規范》[7]4.4.1.3條,列車受風高度取3 m。

風力F2=W×A=1 250×0.001×32.6×(2.8+3)=236 kN

(3)列車橫向搖擺力：根據《鐵路橋涵設計基本規范》4.3.8條,列車的橫向搖擺力取100 kN,即

搖擺力F3=100 kN

(4)根據《鐵路工程抗震設計規范》[8]7.4.1條,橋墩墩頂處水平地震力

F4=1.5Agmb

式中Ag——地震動峰值加速度(m/s2),7級抗震取0.1g；

mb——橋墩頂梁體換算質量,mb=m1+md。md為橋墩頂梁體質量(t),梁體質量按1孔梁計,為207 t；道岔及岔枕質量約42 t,道床質量約70 t,限位樁質量約9 t。md=207+42+70+9=328 t。

m1為橋墩頂活荷載反力換算的質量(t),橫橋向計入50%的活載,豎向力活載只計列車豎向靜荷載。列車豎向靜荷載為165 kN/m×32=5 280 kN。m1=5 280/2=2 640 kN

mb=m1+md=3 280+2 640=5 920 kN

地震力F4=1.5×0.1×5 920=880 kN

(5)側向撞擊力：該橋墩未通航、通車,撞擊力F5=0

根據《鐵路工程抗震設計規范》7.1.4條,地震力與風力、列車橫向搖擺力、撞擊力不組合計算,該橋地震力大于風力、列車橫向搖擺力、撞擊力之和,因此按最不利計算,則橫向水平力為

F=F1+F4=880 kN

因此,增設限位樁以后支座的橫向水平力在允許范圍內。

3.4 方案實施

本次實施選擇其中的滬昆線湄池1號特大橋上N7道岔,該道岔位于湄池1號特大橋的第9、10號橋墩上,橋墩高度5 m。在轉轍區及岔心區兩側梁上各設置4對限位裝置,固定梁上道岔軌向,加強無縫道岔的橫向穩定。設置限位樁后的橋上無縫道岔現狀,見圖4。

圖4 設置限位樁后的橋上無縫道岔

3.5 實施效果檢查

在湄池1號特大橋上N7道岔增設橫向約束后,在2008年～2009年度分別從軌檢車出分情況、橋梁檢測、輪重減載率、日常檢查等方面對實施效果進行了檢查,結果表明增設橫向約束后,對減少軌檢車動態檢查出分,提高列車運行安全和軌道幾何狀態效果明顯。而且,日常岔區養護工作量,從原來的10 d左右1遍,延長到45 d左右1遍,在滿足列車運行安全性和舒適度要求的同時,有效提高了勞動生產率。

3.5.1 軌檢車檢查結果

因橋上道岔軌道幾何狀態變化最快的為夏天高溫季節,因此選擇了7、8、9三個月對限位裝置設置前后的軌檢車添乘數據進行分析。對2008年、2009年3季度各自的5趟鐵道部軌檢車、7趟鐵道部動檢車共12趟檢查車經過N7道岔范圍的出分數據進行統計。2008年～2009年3季度鐵道部檢查車出分的對比匯總見表1。

表1 2008年～2009年第3季度軌道檢查車出分情況對比匯總

從表1中的2008年3季度與2009年3季度軌道檢查車動態檢查對比中看出,2008年3季度道岔部位共出分102次,2009年3季度道岔部位共出分29次,超限總數減少73次、減少率71%。

其中Ⅰ級超限從85次減至24次,減少61次、減少率72%；

Ⅱ級超限從14次減至5次,減少9次、減少率64%；

Ⅲ級超限從3次減至0次,減少3次、減少率100%。

因此,安裝限位樁對減少軌檢車動態檢查出分,提高軌道幾何狀態效果明顯。而且,軌距、水平、三角坑、高低、軌向、車體垂向、橫向加速度、軌距變化率等均有大幅改善,其中原先占有較大比重的軌向、70 m軌向、橫向加速度、軌距變化率這4個數據改善幅度明顯。

由此可見,在道岔梁上安裝限位樁對道岔區軌道的幾何狀態控制提供了有效保證。

3.5.2 橋梁檢測結果

增設橫向約束1年后,對橋梁的實測跨中撓度、橫向及豎向振幅、橫向及豎向振動加速度、輪重減載率進行了現場檢測,測試結果見表2～表5[9]。

表2 實測梁體跨中撓度匯總 mm

由表2可知,梁體跨中撓度最大值為5.518 mm,小于《橋檢規》[10]通常值17.778 mm。

表3 實測梁體跨中最大振幅匯總 mm

由表3可知,梁體跨中振幅最大值為2.957 mm,小于《橋檢規》安全限值3.556 mm。

表4 實測梁體跨中最大振動加速度匯總 m/s2

由表4可知,梁體跨中最大振動加速度0.862 m/s2,小于《橋檢規》安全限值1.4 m/s2。

因此,檢測結果顯示,限位裝置安裝后,跨中撓度、橫向及豎向振幅、橫向及豎向振動加速度等指標均小于《橋檢規》行車安全限值,滿足《橋檢規》要求,表明限位裝置安裝后對橋梁結構受力沒有影響。

表5 橫向約束增設前后輪重減載率對比

由表5可知,增設橫向約束后,輪重減載率最大值減小,尤其是動車組減載率值減少了40%以上,表明增設橫向約束可以有效提高橋上岔區軌道的安全儲備。

3.5.3 橋梁日常檢查結果

2008年11月增設橫向約束至今2年以來,通過對橋梁支座功能的觀察,未發現異常。

4 結語

綜上所述,有砟簡支梁橋上鋪設無縫道岔存在軌道幾何狀態難以保持的技術難題。通過對有砟簡支梁橋上無縫道岔的現場試驗和觀測,找出了有砟簡支梁橋上鋪設無縫道岔存在軌道幾何狀態難以保持的主要原因,針對性的提出了增加橫向約束的解決措施,經過現場的長期運營實踐表明,所提出的強化措施,改善了梁體和道岔動力學性能,提高了列車運行安全性、舒適性,減少了養修工作量。

[1]鐵道第二勘察設計院.關于發送“浙贛線湄池及江山站橋上無縫道岔設計變更”的函[Z].成都：2005.

[2]西南交通大學.浙贛線簡支梁橋上無縫道岔靜態測試報告[R].成都：2007.

[3]西南交通大學.浙贛線簡支梁橋上無縫道岔動態測試報告[R].成都：2007.

[4]TB10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[5]鐵建設函[2005]285號，新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定[S].

[6]莊軍生.橋梁支座[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[7]TB10002.1—2005，鐵路橋涵設計基本規范[S].

[8]GB50111—2006，鐵路工程抗震設計規范[S].

[9]同濟大學交通運輸工程學院.滬昆線湄池1號特大橋橋上無縫道岔動態測試報告[R].上海：2010.

[10]鐵運函[2004]120號，鐵路橋梁檢定規范[S].