九江長江大橋橋上長軌爬行分析

李明華，蔡理平，王會乾

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

九江長江大橋橋上長軌爬行分析

李明華，蔡理平，王會乾

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

九江長江大橋提速后線路問題較為嚴(yán)重，而且一直未能得到有效控制，為研究其爬行規(guī)律，通過對橋上長軌伸縮調(diào)節(jié)器一年的爬行觀測數(shù)據(jù)的分析與研究，從總體上得出了大橋線路爬行的相關(guān)規(guī)律，主要表現(xiàn)在同一線兩鋼軌不同步爬行，上行線爬行量大于下行線，總的爬行方向與基本與行車方向一致等，同時(shí)還對引起爬行的相關(guān)原因進(jìn)行了分析。

九江長江大橋;無縫線路;爬行;觀測;分析

列車運(yùn)行時(shí)，車輪作用于鋼軌上，產(chǎn)生縱向水平力。這一縱向水平力能引起鋼軌的縱向移動，有時(shí)甚至帶動軌枕一起移動，鋼軌的縱向移動稱為線路爬行［1］。主要發(fā)生在長大下坡、進(jìn)站地段，列車減速、限速、制動地段，運(yùn)量大、軸重大、速度高地段、線路狀態(tài)不良地段等。

九江長江大橋自提速后的線路爬行與一般地段不同，具有爬行量大、難以消除的特點(diǎn)。2004年前僅在正橋線路出現(xiàn)過單根長軌爬行，2004年北引橋長軌條開始出現(xiàn)爬行，到2006年上、下行長軌條爬行分別達(dá)到340～450 mm。針對爬行問題，工務(wù)部門采取了多種防爬措施，如在部分承軌臺安裝單向防爬器，并將引橋承軌臺上的WJ－Ⅰ，WJ－Ⅱ型扣件的彈片扣壓力加大，可效果并不明顯，而且至今仍未根本解決。本文以大橋18個(gè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器2008年全年爬行觀測記錄為基礎(chǔ)，對大橋線路爬行規(guī)律進(jìn)行分析與研究，以期為線路養(yǎng)護(hù)與維修提供參考。

1 大橋線路概況

九江長江大橋是公鐵兩用橋，鐵路橋全長7 675 m(雙線)，由北引橋、正橋、南引橋三部分組成，正橋?yàn)槎嗦?lián)多跨連續(xù)梁從北至南為3×160 m(乙式)+3×160 m(甲式)+(180+216+180)m+2×126 m，其中最大跨度為216 m，是國內(nèi)最大跨度的鐵路橋梁。鐵路引橋北109孔、南35孔、共144孔，為跨度40 m箱形的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，無碴無枕，由梁頂混凝土承軌臺上的鋼軌扣件固定鋼軌位置［2］。

1.1 無縫線路布置

大橋于1994年10月8日開始換鋪無縫線路雙線［3］，10月28日完成，引橋雙線共6根長軌鎖定，軌溫最高達(dá)27℃，最低24.7℃，正橋長軌按設(shè)計(jì)規(guī)定位置鎖定。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器(見圖1)共鋪設(shè)了18組(見圖2)。為改善鋪設(shè)無縫線路后橋梁的受力條件，第一次在線橋上采用長軌節(jié)間配置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的放散應(yīng)力式無縫線路設(shè)計(jì)。正橋鋼梁每聯(lián)每線鋪設(shè)一條長軌節(jié)，每線共4條軌節(jié)，按鋼梁聯(lián)長不同軌節(jié)長度(以下行線為例)分別為479.3，475.7，565.7，264.0 m。北岸引橋每線鋪設(shè)兩條長軌節(jié)，分別長1 921.3 m及2 661.89 m，南岸引橋每線鋪設(shè)一條長軌節(jié)，長度為1 595.70 m(均含路基上一段長度)。上、下行線軌節(jié)長度有所不同，皆因錯(cuò)開鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器位置，使之不在同一橋墩上，正橋調(diào)節(jié)器為單向型，其尖軌指向行車方向。

圖1 雙向型伸縮調(diào)節(jié)器示意圖(mm)

圖2 九江長江大橋鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器布置示意圖

1.2 軌道結(jié)構(gòu)

正橋明橋面為木枕，采用K形分開式扣件［3］，按橋面系及軌道的伸縮要求，扣件分段布置成“松”和“緊”兩種類型。

引橋無砟無枕橋面，軌道直接置于鋼筋混凝土承軌臺上，在軌道與承軌臺之間，安置專用扣件。每股鋼軌下有一條承軌臺，每條承軌臺又分成若干平面尺寸為74 cm×80 cm(橫橋向×順橋向)的小塊承軌臺，其上安設(shè)兩副正軌扣件(間距為50 cm)及一副護(hù)軌扣件。各小塊承軌臺之間預(yù)留20 cm縫隙，以便于維修線路時(shí)扣件的安裝并兼作排水通道。引橋無縫線路鋼軌扣件是特別按九江橋情況設(shè)計(jì)的一種專用低扣壓力，WJ－Ⅰ型彈片扣件。

2 爬行觀測數(shù)據(jù)分析

為確保列車正常運(yùn)行，橋上鋼軌爬行與爬行調(diào)整始終在進(jìn)行，但爬行沒有得到根本控制。為研究爬行相關(guān)規(guī)律，擬以2008年全年度爬行觀測記錄進(jìn)行分析。由于引起鋼軌爬行的因素很多，如鋼軌鎖定情況、梁部類別與跨度、線路坡度等，為方便研究，這里不作考慮;溫度方面根據(jù)鋼軌自由伸縮量理論［4］ΔL=α·Δt·L (式中:ΔL為自由伸縮量，α為鋼軌的線脹系數(shù)，Δt為軌溫變化幅度，L為鋼軌長度)可知，溫度引起的線路爬行只與溫度變化和鋼軌長度有關(guān)，而溫度引起鋼軌長度的變化會“熱脹”，也會“冷縮”，因而當(dāng)最后溫差很小時(shí)，可以忽略溫度影響，從而進(jìn)一步簡化分析。

從爬行觀測記錄可知，2月軌溫為11℃，與12月9℃較為接近，可以忽略溫度影響，分析時(shí)以1月鋼軌所在位置為基準(zhǔn)，分析其他各月的相對其爬行的相關(guān)規(guī)律。

2.1 逐月累計(jì)爬行分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，略去2～12月2℃溫差可能產(chǎn)生的影響，假定以行車方向?yàn)檎?8組溫度伸縮器2～12月逐月累計(jì)爬行量分析如下。

2.1.1 下行線路

下行線路1，3組軌溫伸縮器位于北引橋，其余基本位于正橋，逐月累計(jì)爬行情況列于表1，爬行規(guī)律分析如圖3，圖4。從圖表中可以知道:

(1)2～5月線路左右股均表現(xiàn)較為穩(wěn)定，相對爬行量不大，年底變化略為復(fù)雜;

(2)從總體上看，每組伸縮器上均有爬行發(fā)生，但除1，5組外，各組伸縮器爬行波動不大，波形圖基本呈水平狀態(tài);

(3)從波形圖上看，1，5組表現(xiàn)出較大的波動，6月左股5組出現(xiàn)與行車方向相反的較大爬行，8月左股的1，5組，右股的1組出現(xiàn)與行車方向相同的較大爬行;

(4)累計(jì)爬行圖沒有出現(xiàn)“S”曲線形式，也沒有出現(xiàn)“正弦波”形狀，說明線路爬行不是累加的，也沒有全部受溫度應(yīng)力的控制或影響。

表1 下行鋼軌(左/右股)逐月累計(jì)爬行量分析 mm

圖3 下行鋼軌左股逐月累計(jì)爬行分析圖

圖4 下行鋼軌右股逐月累計(jì)爬行分析圖

2.1.2 上行線路

上行線路2，4組軌溫伸縮器位于北引橋，其余基本位于正橋，逐月累計(jì)爬行情況列于表2，爬行規(guī)律分析如圖5，圖6。從圖表中可以知道:

(1)上行爬行情況明顯比下行線復(fù)雜，左右股僅2～3月線路表現(xiàn)穩(wěn)定，相對爬行量不大，后期波動量較大;

(2)從總體上看，每組軌溫伸縮器均有爬行發(fā)生，大部分波形圖呈現(xiàn)大致水平，說明相對變化不大。正值多于負(fù)值，說明總的爬行與行車方向一致;

(3)從波形圖上看，左股6，8，10組，右股2，10組爬行變化大。左股8，10組4月份發(fā)生與行車方向一致的較大爬行，此后逐步變小;左股6組，右股10組變化量較大;

(4)累計(jì)爬行圖同樣沒有出現(xiàn)“S”曲線形式，也沒有出現(xiàn)“正弦波”形狀，說明線路爬行不是簡單累加，也未全部受溫度控制與影響;

(5)爬行量累計(jì)過程的曲線呈波形，說明爬行過程是復(fù)雜的，當(dāng)然也可能存在運(yùn)行過程中的人工養(yǎng)護(hù)干預(yù)，但最終爬行還是未能得到控制。

表2 上行鋼軌(左/右股)逐月累計(jì)爬行量分析 mm

圖5 上行鋼軌左股逐月累計(jì)爬行分析圖

圖6 上行鋼軌右股逐月累計(jì)爬行分析圖

2.2 總體累計(jì)爬行分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，將表1，表2數(shù)據(jù)總的累計(jì)爬行情況列于表3，相關(guān)爬行總的變化規(guī)律如圖7。從圖表中可以看出如下規(guī)律:

(1)每條線左右鋼軌均有爬行，但并非同步爬行，說明兩股鋼軌的線路工作條件并不一樣;

(2)上行左股爬行量大于右股，而下行左股爬行量小于右股;

(3)上行線爬行量大于下行線。上行左股最大爬行1 043 mm，下行右股爬行714 mm;

(4)上行右股總爬行出現(xiàn)與左股反向情況，即左股爬行與行車方向一致，右股則與行車方向相反;

(5)鋼軌總的爬行方向基本與行車方向一致;

(6)兩端伸縮器尤其是北端1#、2#伸縮器爬行量大，正橋爬行量小。

表3 鋼軌下行爬行累計(jì)量分析 mm

表4 鋼軌上行爬行累計(jì)分析 mm

3 爬行原因分析

3.1 常規(guī)原因

九江長江大橋鋼軌爬行與一般無縫線路一樣，爬行原因是多方面的，一般有如下原因:

(1)鋼軌彈性形變。鋼軌在動荷載下不斷發(fā)生彈性撓曲形變，且順著行車方向作彈性移動。鋼軌在彈性形變過程中長度也發(fā)生變化，車輪作用在軌枕間時(shí)，鋼軌因下沉而變長，彈起時(shí)會變短，彈起時(shí)鋼軌后面被列車壓死，迫使鋼軌向前微移，這種長度的節(jié)奏變化，促使鋼軌產(chǎn)生爬行，而且大多與行車方向一致;

(2)列車制動。在長大下坡地段、車站進(jìn)站地段、列車減速地段、限速或?qū)⑼＼嚨惹闆r下，由于列車的制動產(chǎn)生的應(yīng)力引起同列車運(yùn)行方向相同的線路爬行;

圖7 九江長江大橋鋼軌爬行累計(jì)分析圖

(3)運(yùn)行縱向力附加力［5］。在雙線地段，爬行方向與列車運(yùn)行方向基本相同，列車運(yùn)行方向的下坡爬行量較大;

(4)軸重及速度。軸重及速度大的列車所引起的爬行大，反之相對爬行小一些;

(5)溫度變化。由于鋼軌受溫度變化的影響，產(chǎn)生溫度伸縮力［6］，也常常會引起線路的爬行;

(6)接頭撞擊。車輪在軌道接頭處會撞擊鋼軌，軌縫越大車輪產(chǎn)生的撞擊力越大，引起的爬行越大;

(7)線路狀態(tài)。鋼軌輕、軌枕根數(shù)少、道床不足或搗固不實(shí)等引起的爬行較為嚴(yán)重;

(8)曲線超高。在曲線地段，外軌超高與速度不相適應(yīng)，則由于兩股鋼軌受力不均，其爬行量也不一致，如超高不足，外軌受力大，其爬行也大，反之超高過大，內(nèi)軌受力越大，形成內(nèi)軌較嚴(yán)重的爬行。

3.2 特別原因

(1)上行左股爬行量大于右股，而下行左股爬行量小于右股。這與線路在北引橋011至039號墩間位于2 000 m曲線半徑上(曲線總長約1 090 m)有關(guān)，存在超高的設(shè)置與速度要求不相適應(yīng);

(2)上行線爬行量大于下行線。上行左股最大爬行1 043 mm，下行右股爬行714 mm。因?yàn)榫沤L江大橋的線路設(shè)置是南、北引橋都有4‰的坡度，正橋是平坡。當(dāng)上行列車從正橋駛出開始下坡，大部分列車都會采取制動降速，尤其是貨車會采取這種方式;

(3)上行右股總爬行出現(xiàn)與左股反向情況，即左股爬行與行車方向一致，右股則與行車方向相反。主要是由于軌道縱向阻力的偏心作用，造成了兩股鋼軌同向不同速的位移。九江長江大橋上的線路原設(shè)計(jì)兩根軌的松、緊區(qū)長度是一樣長的，所以內(nèi)、外股鋼軌的扣件阻力是一樣的，這段線路未考慮列車重心偏移對鋼軌爬行的影響，加上提速以后，鋼軌的松、緊區(qū)也未重新設(shè)計(jì)過，鋼軌始終不斷地出現(xiàn)爬行現(xiàn)象;

(4)鋼軌總的爬行方向與基本與行車方向一致。這與一般線路爬行規(guī)律相似，除列車制動等原因外，還因鋼軌彈性形變和小阻力扣件的附加力［7］引起;

(5)兩端伸縮器尤其是北端1#，2#伸縮器爬行量大，正橋爬行量小。這與伸縮器控制的鋼軌長度有關(guān)，因?yàn)楸币龢蛎抗傻乐杏幸唤M雙向溫度伸縮器;

(6)從波形圖上看，1組、5組表現(xiàn)出較大的波動，在6月左股5組出現(xiàn)與行車方向相反的較大爬行，8月左股的1組、5組，右股的1組出現(xiàn)與行車方向相同的較大爬行。而此兩組伸縮器的尖軌指向正好與行車方向相反，所以爬行情況復(fù)雜很多，可能是鋼軌因溫度應(yīng)力的累計(jì)后集中釋放的結(jié)果，也可能是養(yǎng)護(hù)過程中對爬行進(jìn)行了修正;

(7)在線路養(yǎng)護(hù)方面也存在問題。因?yàn)樘崴僖院?，對軌道養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提高了，養(yǎng)護(hù)職工為了忙于消滅軌道水平、高低問題，都是采用臨時(shí)性抄墊辦法。另外，在軌底墊了一種又薄又硬又光滑的尼龍板，這種尼龍板放在軌底使得鋼軌爬行更為容易，不易控制［8］。

［1］陳岳源.鐵路軌道［M］.北京:中國鐵道出版社，2004:37.

［2］趙煜澄.九江長江大橋(鐵路橋)養(yǎng)護(hù)特點(diǎn)［J］.橋梁建設(shè)，1997(2):1－6.

［3］耿家文.阜淮線淮河大橋明橋面線路爬行的原因分析及整治［J］.鐵道建筑，2001(1):13－14.

［4］廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路［M］.4版.北京:中國鐵道出版社，2005:16.

［5］李斌，韓峰.橋上無縫線路鋼軌縱向附加力研究［J］.甘肅科技，2004，20(2):115－116.

［6］彭旭民，秀芬.橋上無縫線路溫度伸縮力的分析與研究［J］.橋梁建筑，2006(1):12－14.

［7］徐慶元，陳秀方.小阻力扣件橋上無縫線路附加力［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)2003，3(1):26－27.

［8］譚小偉，洪漢麟.無砟無枕橋上長鋼軌爬行分析［J］.江西鐵道，2009(1):45－46.

(責(zé)任編輯 王全金)

An Analysis of the Long Rail Crawling on Jiujiang Yangtze River Bridge

Li Minghua，Cai Liping，Wang Huiqian

(School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)

After train－speeding，the problems of train lines of Jiujiang Yangtze River Bridge are more serious and can not be effectively controlled.To study the laws of the long rail crawl，some relevant laws of the long rail crawl of the bridge has been obtained from the analysis and research of the long rail crawl data，which is obtained from the observation of the stretching regulators for a year.The laws include that the two rails in the same line are not synchronized;the crawling amount of up line is greater than that of down line，and the direction of total rail crawl are the same with that of running trains.Meanwhile，some reasons of the rail crawl are analyzed.

Jiujiang Yangtze River Bridge;continuously welded rails;rail crawl;observation;analysis

U211.2

A

1005－0523(2010)04－0007－06

2010－04－16

江西省自然基金資助項(xiàng)目(2008GZC0054)

李明華(1963－)男，教授，研究方向?yàn)橥聊竟こ淌┕ぜ夹g(shù)與管理。