沅江特大橋橋上無縫線路設計分析

范俊毅

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

懷邵衡鐵路沅江特大橋按新建雙線鐵路橋梁設計，其橋梁主跨設計方案之一是按鋼桁拱設計，橋梁全長857.90m，橋梁梁跨布置為3×24.6m簡支梁＋4×32.6m 簡支梁＋（40m＋64m＋40 m）連續梁＋（115 m＋230 m＋115 m）鋼桁拱＋1×32.6m 簡支梁（梁跨順序按從小里程往大里程方向），除鋼桁拱采用的材料為鋼梁外，其余梁跨均為混凝土梁。橋上采用有砟軌道結構，其中鋼軌采用60kg／m 重型軌，彈條Ⅴ形扣件，III形混凝土軌枕，一級碎石道砟。整座橋梁處于直線平坡地段，大橋鋼桁拱聯長為460m，橋上無縫線路縱向力分析根據梁、軌相互作用的原理進行計算，見圖1。

圖1 沅江特大橋全橋縱斷面布置示意圖

1 橋上無縫線路縱向力計算原理

橋上無縫線路縱向力包括伸縮力、撓曲力、斷軌力和制動力。伸縮力是指橋梁與鋼軌因溫度變化產生的縱向相對位移引起的縱向力；撓曲力是指因橋梁在列車荷載作用下產生撓曲，引起橋梁與鋼軌縱向相對位移而產生的縱向力；斷軌力是指因鋼軌折斷引起橋梁與鋼軌縱向相對位移而產生的縱向力；牽引／制動力是指由列車在橋梁上起動或制動，引起橋梁與鋼軌縱向相對位移而產生的縱向力［1］。

由上述定義可以看出，由于溫度的變化、列車荷載的作用或冬季鋼軌折斷，橋梁與鋼軌之間產生縱向相對位移，因線路縱向阻力的作用，梁軌縱向相對位移必然受到約束，因此梁軌間產生大小相等、方向相反的縱向力，致使梁軌產生變形。這樣橋梁和鋼軌就組成了一個互相平衡的力學體系。

橋上無縫線路縱向力計算根據上述梁軌相互作用原理建立模型計算。在實際計算中，一般取需要計算的主要梁跨及其臨近的5～6孔簡支梁參與橋上無縫線路計算，但是鑒于沅江特大橋橋跨數量較少，取沅江特大橋所有橋跨參與橋上無縫線路計算。

2 橋上無縫線路計算參數

（1）氣溫、軌溫。當地極端最高氣溫為40.8℃，極端最低氣溫為－8.3 ℃。最高軌溫采用60.8 ℃，最低軌溫采用－8.3 ℃。

（2）梁溫度差取值。有砟軌道混凝土梁為15℃，鋼梁為25 ℃。

（3）設計荷載。采用鐵路荷載為中－活載。

（4）線路縱向阻力取值。有砟軌道除采用小阻力扣件地段外，線路縱向阻力取道床縱向阻力，鋪設小阻力扣件地段線路縱向阻力取扣件縱向阻力。橋上采用彈條V 形扣件地段，計算縱向力時取道床縱向阻力為15kN／m／軌。橋上采用彈條V 形小阻力扣件地段，計算縱向力時取扣件縱向阻力為8kN／m／軌。

3 橋上無縫線路設計

3.1 橋上無縫線路設計方案

沅江特大橋鋼桁拱聯長為115m ＋230m ＋115m，鋼桁拱兩端的溫度跨度分別為385 m 和147m，根據《鐵路軌道設計規范》［2］的規定：溫度跨度大于100m 的鋼梁，每一溫度跨度應鋪設一組鋼軌伸縮調節器。因此根據規范的規定即使不直接計算，也可以判斷需在該特大橋的鋼桁拱上設置鋼軌伸縮調節器。并且在實際計算中不考慮鋪設鋼軌伸縮調節器的情況下，橋上無縫線路鋼軌承受的應力超過了規范容許的鋼軌應力值。因此，沅江特大橋上必須設置鋼軌伸縮調節器，否則將危及行車安全。但考慮到鋼桁拱的縱向位移較大，為使鋼桁拱及其墩臺受力均衡，不考慮在鋼桁拱的跨中設置鋼軌伸縮調節器的方案，而是在鋼桁拱的兩端設置鋼軌伸縮調節器，這樣不僅可以降低橋上無縫線路長鋼軌的縱向力，還可以降低橋梁墩臺受到的縱向水平力。

3.2 設計方案具體內容

在鋼桁拱的兩端設置4組單向鋼軌伸縮調節器，其長度為11.4 m，鋼桁拱梁端的伸縮位移量為±220mm，而鋼軌伸縮調節器基本軌的最大伸縮量不小于±250 mm，可以滿足使用要求，并且鋼軌伸縮調節器基本軌始端和尖軌跟端焊接接頭距離鋼桁拱的兩端距離至少2 m，從而避開梁端伸縮縫位置，緊靠鋼桁拱小里程一側的40 m＋64m＋40m連續梁范圍內均為無縫線路伸縮區，鋼桁拱大里程一側的1×32.6 m 簡支梁及其路基上75m 范圍內也是無縫線路伸縮區。

一般在橋上設置鋼軌伸縮調節器時，同時在其基本軌一側100m 范圍內設置小阻力扣件，但是考慮到實際施工中的方便及其他因素，在鋼桁拱小里程一側的40m＋64m＋40m 連續梁和鋼桁拱大里程一側的1×32.6 m 簡支梁及其路基上75m 范圍內設置彈條V 形小阻力扣件，降低線路縱向阻力，便于鋼軌伸縮調節器的伸縮。在其他簡支梁上（固定區）采用與橋梁兩端路基一致的軌道結構。橋上和路基地段線路道床肩寬均為45cm，砟肩堆高15cm，橋上無縫線路鎖定軌溫與橋梁兩端路基上無縫線路鎖定軌溫一致。

3.3 橋上無縫線路縱向力計算結果

在沅江特大橋鋼桁拱兩端設置鋼軌伸縮調節器的情況下，計算得到的各固定墩在各種工況下承受的無縫線路附加力見表1。

表1 沅江特大橋各固定墩在各種工況下承受的無縫線路附加力

表1中的斷軌力是按常量阻力進行計算的，當斷軌力計算值大于固定區鋼軌溫度力時，斷軌力取固定區鋼軌溫度力，并且當橋梁位于伸縮區時，作用在墩臺上的斷軌力可不計。由表1可以看出，鋼桁拱的固定墩（即12號墩）在伸縮和撓曲工況下所承受的無縫線路附加力都較小，而與鋼桁拱相鄰的40m＋64m＋40 m 連續梁和32 m簡支梁承受的無縫線路附加力較大，但是其余梁跨承受的無縫線路附加力均較小，這是由于鋼桁拱兩端設置鋼軌伸縮調節器以后，有一部分無縫線路縱向力釋放到了臨近鋼桁拱的梁跨上的緣故。

4 結語

沅江特大橋鋼桁拱由于溫度跨度很大，經過檢算必須采用鋼軌伸縮調節器，但是鋼軌伸縮調節器是軌道的薄弱環節，一般設計中應該盡量少用或不用，原則上只在橋上或岔區無縫線路并經過檢算必須采用時方可使用，而且實際施工完成后，對橋上鋪設鋼軌伸縮調節器的地段應加強維護，以保證行車安全。

［1］TB10015 鐵路無縫線路設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［2］TB10082鐵路軌道設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2013.