鐵路大梁縫地段無砟軌道設計研究

劉 巍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

大西線渭洛河橋位于渭南市北，全長71.351k m，主跨采用7聯(48+4×80+48)m連續梁，設計梁縫初始值為300 mm，考慮溫度變化、梁體收縮徐變、橋梁支座預偏等因素引起梁縫變化，梁縫最大值為554 mm，按照軌枕中心至梁端距離220 mm計算，梁縫處最大軌枕間距可達到994 mm。列車通過較大的鋼軌支承間距時，在相鄰鋼軌支承點中部將引起鋼軌較大的垂向、橫向位移，形成短波不平順，列車對軌道及下部結構的沖擊作用加劇，降低旅客乘車舒適性，縮短軌道結構及部件的使用壽命;同時，鋼軌內產生應力集中，嚴重時甚至可能危及行車安全。因此，需要在梁端鋼軌支承間距過大處采取加強措施，避免或降低線路位移過大、剛度不均、應力集中等問題，降低梁縫處軌道結構不平順，提高列車運行安全性和舒適性。

1 大梁縫地段軌道設計方案

國內外對于梁縫處軌枕支承間距超限的問題，主要有四種方案。

(1)方案一:加大鋼軌截面。采用鋼軌加強措施，加大鋼軌截面積，能夠減小鋼軌豎向位移、降低鋼軌應力。

(2)方案二:設置BWG梁端抬枕裝置。在鋼軌外側設置兩根縱梁，縱梁安裝在梁縫兩側各兩根軌枕上，起到“扁擔”作用，在梁縫處增加鋼枕，與兩側縱梁連接固定，在鋼枕上安裝扣件支承鋼軌。當梁縫變化時，通過剪刀形位移分配裝置調整鋼枕位置，改變扣件節點間距。如圖1所示。

圖1 BWG梁端抬枕裝置

(3)方案三:過渡板。設置跨梁縫過渡板，過渡板結構由過渡板和限位板組成，過渡板底面設板式支座，板端部設限位結構限制過渡板在橫向的移動，限位板通過梁面預埋鋼筋與橋梁相連。如圖2所示。

(4)方案四:混凝土墊梁。墊梁跨越梁縫，搭接在梁縫兩側的梁跨上。墊梁支承在底座上，通過固定端傳力鍵和活動端縱肋實現限位。墊梁與底座接觸面固定端一側鋪設土工布隔離層，滑動端一側設置不銹鋼摩擦副或不銹鋼板與高密度聚乙烯板滑動副，以保證墊梁與底座之間能夠相對滑動。如圖3所示。

上述四種方案比較及應用情況如表1所示。

2 大西線大梁縫地段軌道結構設計

綜上分析，墊梁結構可與區間采用基本一致的軌道結構，結構整體性好，能夠適應超大梁縫情況。通過加強現場施工管理可以達到預期目的。推薦大西線渭洛河特大橋大跨連續梁大梁縫地段采用墊梁結構。

圖2 梁端過渡板

圖3 混凝土墊梁

表1 梁端處理方案比較

2.1 墊梁結構設計

2.1.1 軌枕及扣件

采用與區間一致的SK－2型雙塊式軌枕和WJ－8型扣件，有利于保持軌道結構基本統一，剛度均勻。

2.1.2 墊梁

墊梁內配置鋼筋籠，縱橫向鋼筋交叉處以及與軌枕桁架鋼筋交叉處均進行絕緣。

2.1.3 底座

墊梁下部設置混凝土底座，混凝土底座采用鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級 C40，高度約100 mm，寬度與墊梁等寬。

底座內配置單層鋼筋網片。固定端傳力鍵凹槽四周設置斜筋，防止沿凹槽四周產生裂縫。

底座頂面水平，在固定端傳力鍵對應位置設置凹槽，凹槽四周均粘貼橡膠墊片。在墊梁縱肋對應位置設置滑動槽。底座與墊梁的水平接觸面采用打磨工藝打磨平整、光滑，并設置不銹鋼板摩擦副，以保證底座與墊梁之間能夠充分滑動。

跨越梁縫處底座斷開，在墊梁下填充擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板，以緩解梁端轉角對墊梁和上部軌道結構的影響。

2.2 結構計算分析

2.2.1 有限元模型及參數

建立“梁－板－板”有限元計算模型，對墊梁結構進行靜力分析。其中，鋼軌采用梁單元來模擬;扣件采用線性彈簧單元模擬;墊梁、底座均用殼單元來模擬，由于模型中僅考慮豎向荷載的作用，墊梁的凸臺和縱肋可看作與底座板是一體的;橋梁采用實體單元模擬。模型如圖4所示，計算參數如表2所示。

圖4 墊梁有限元模型

表2 計算參數表

續表2

2.2.2 不同荷載工況墊梁的分析

考慮的荷載主要有:列車荷載、溫度荷載、梁端轉角，并按1.0系數進行荷載組合。其中列車荷載取為300 kN，作用在墊梁中部時為最不利工況;溫度荷載僅考慮垂向溫度的影響，溫度梯度取45℃/m。墊梁上下表面的溫度差△t=45×0.35=15.75℃;梁端轉角按橋梁與橋梁間的相對轉角限值2‰rad進行計算。不同荷載工況下墊梁受力計算結果如表3所示。

表3 不同荷載工況下墊梁受力計算結果

當梁縫伸長時，墊梁懸空的長度更大，墊梁受力更為不利。按梁縫最大伸長量為0.53 m，即梁縫寬度0.6 m進行計算，結果匯總如表4。

表4 梁縫增大至0.6 m后墊梁受力計算結果

隨著梁縫寬度的加大，列車荷載作用下的墊梁縱、橫向彎矩均增大。梁縫寬度由0.3 m增至0.6 m，列車荷載作用下墊梁的縱向彎矩增加1%，橫向彎矩增加12%。

由表3與表4可知，墊梁的最大等效應力4.48 MPa，小于混凝土軸心抗壓強度標準值fck=26.8 MPa，滿足設計要求。

3 結論

通過以上分析計算，可得到如下結論:

(1)采用在梁端設置墊梁結構可解決大跨度橋梁大梁縫地段軌枕間距超限較大的情況。

(2)通過建立有限元模型，分析了在列車荷載、溫度荷載、梁端轉角、梁體伸縮等荷載工況下，墊梁的彎矩、位移與應力，經檢算，墊梁的強度滿足規范要求。

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