大跨度鋼橋軌道設計方案的研究

高增增

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142）

大跨度鋼橋軌道設計方案的研究

高增增

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142）

大跨度鋼橋與混凝土橋相比對軌道結構要求較高，軌道結構形式可采用碎石道床、板式無砟軌道、木枕等，這幾種軌道結構形式各有優缺點。合成板式軌道是一種新型軌道結構，具有結構強度高、彈性好，能減輕振動和噪聲，生產、施工容易等特點，在大跨度鋼橋上應用優勢明顯。本文對既有鋼橋的幾種軌道結構與合成板式軌道的優缺點作了闡述，提出了合成軌道板的設計方案。

鋼橋；無砟軌道；合成板式軌道；構造方案；應力計算

1　鋼橋橋面系對軌道結構的要求

大跨度鋼橋的軌道結構形式可采用碎石道床、板式無砟軌道等，鋼橋的橋面形式對軌道結構形式的選取至關重要。鋼橋橋面形式主要有3種：鋼混結合橋面（混凝土橋面），即在鋼橋頂面鋪設一層混凝土板作為軌道基礎，這種橋面對軌道的技術要求及采用的軌道形式基本與普通混凝土橋一致；明橋面，即橋面采用縱橫梁體系，通常鋼軌通過扣件與木枕聯結，木枕再與鋼梁聯結；鋼橋面，即在梁體構架體系頂面鋪設一層鋼板，其上再鋪設軌道結構，軌道結構可采用碎石道床軌道、板式軌道、梯形軌枕軌道、減振墊浮置板軌道等。

與混凝土橋不同，對大跨度鋼橋而言，軌道結構除要求具有基本的安全性、可靠性、平穩性之外，還應滿足以下5方面的特殊技術要求：

1）要求軌道結構高度盡量低、自重盡量輕，以盡量降低橋梁恒載，減少纜索及橋梁構件綜合造價。

2）要求橋面與軌道之間的聯結有效可靠，以確保線路的安全和穩定。

3）要求軌道具有良好的減振性能，一方面減少列車運行產生振動對橋梁結構的損害并避免引起軌旁附屬設施如電纜托架等的松動，另一方面降低鋼橋的二次結構噪聲對車內乘客及沿線環境產生的不利影響。

4）要求軌道具有良好的變形適應能力及調整能力，以適應大跨度鋼橋較大的垂向及橫向動態變形、梁端伸縮量、轉角以及運營期間的各種變形。

5）要求軌道結構自身方便維修更換，同時也不影響橋梁結構的檢查、維修作業。

2　大跨度鋼橋既有軌道結構形式

2.1碎石道床

碎石道床是鋼橋面上較常用的一種軌道結構，即在橋面鋪設一層鋼筋混凝土層，其上鋪設碎石道床（圖1）。武漢天興洲長江大橋、重慶至利川鐵路涪陵韓家沱長江大橋、南京大勝關長江大橋及滬漢蓉高鐵等橋，都采用碎石道床。

圖1　鋼橋上的碎石道床

碎石道床具有一定的減振降噪效果，工程造價較低，施工、養護維修等方面經驗成熟，軌道幾何狀態調整方便，但碎石道床自重較大（約50.4kN/m·線），軌道結構高度較大，橋面被道砟覆蓋，橋面系檢查和維修困難。

2.2混凝土板式無砟軌道

混凝土板式軌道即在鋼橋面（或明橋面）鋪設，采用螺栓將預制軌道板與橋梁聯結，為保證鋪設精度，在軌道板下設可調整的墊層（圖2）。板式軌道在鐵路鋼橋上應用也有較多的工程實例，如香港青馬大橋、德國克爾萊茵橋（131.12m+107.28m連續鋼桁橋）、俄羅斯圣彼得堡橋、中俄鐵路同江特大橋主橋（鋼桁架）等均采用了板式軌道。

軌道板為預制混凝土板，施工、養護維修、軌道幾何狀態調整方便，但自重較大（約33.4kN/m·線），混凝土結構板容易產生裂縫而影響結構耐久性。

2.3明橋面木枕（合成軌枕）軌道結構

我國在鋼桁梁明橋面上主要使用木枕（圖3），少部分城市軌道交通鋼桁梁明橋面上采用合成軌枕。合成軌枕是以一種高分子材料為主要成分，通過成型板壓縮粘接制造而成的軌枕。

圖2　同江特大混凝土橋板式軌道（單位：mm）

圖3　明橋面木枕軌道結構

明橋面木枕（或合成軌枕）軌道結構簡單，造價較低，軌道自重小（約4.5kN/m·線），軌道幾何狀態主要通過扣件調整。木枕（合成軌枕）為單枕式結構，軌枕與鋼橋縱橫梁通過螺栓聯結，結構整體性較差，施工、養護維修工作量大。經考察發現，我國下承式鋼梁橋上鋪設木枕破損嚴重，更換周期短，養護維修代價高。合成軌枕在防腐蝕性和耐久性方面優于木枕。

3　合成板式軌道結構

合成板式軌道主要材料和制造工藝與合成軌枕類似，是利用硬質聚氨酯樹脂、玻璃增強纖維等高分子材料加工制作而成的替代混凝土的一種新型無砟軌道結構。它結合了彈性材料和混凝土的優點，拓寬了軌道材料的選用范圍。合成板式軌道有眾多優點：如結構強度高、彈性柔韌及抗裂性能好，能減輕振動和噪聲；防腐蝕性和耐久性好，能保持50年以上的長期穩定性；自重輕（合成道床自重約5.6kN/m·線），約為同類型混凝土板式結構重量的1/3，減少橋梁的二期恒載；軌道結構高度明顯降低（可降到500mm左右）；合成板式軌道應用范圍廣，耐高溫和嚴寒，可在環境溫度為-45～70℃的環境下應用；合成板式軌道為預制結構，可工廠化生產，制作工期短，現場安裝施工容易；合成軌道板結構加強了軌道結構的整體性，養護維修方便。

合成軌道板與混凝土板相比，材料強度限值有了很大的提高，沿纖維方向的抗拉強度能達到100MPa，其它方向的抗拉強度也能達到15MPa。

合成板式軌道（圖4）主要由鋼軌、彈性扣件、合成軌道板、樹脂砂漿調整層和連接裝置等部分組成。

圖4　合成板式軌道結構

軌道板與橋面系間設置樹脂砂漿調整層，作為施工誤差調整層，同時結構填充層起到支持軌道結構的作用。根據下部支承方式不同，可分為全支承、條狀支承等。軌道板設置連接螺栓與橋面相聯結，限制軌道的縱橫向位移。

4　合成板式軌道計算分析

4.1計算參數及模型

合成板式軌道計算參數見表1。

表1　軌道結構參數

合成板式軌道的支承方式按全支承考慮，支承剛度為1000MPa/m，列車荷載按單個輪載170kN，單軸雙輪加載。

計算模型采用實體模型，即鋼軌看做梁單元，扣件采用離散彈簧模擬，軌道板采用實體單元模擬，軌道板與橋梁之間的支承作用通過彈簧單元模擬實現。為消除邊界的影響，模型選取3塊軌道板長度，以中間位置軌道板為研究對象。

為評價合成軌道板的結構受力特點，保持其他參數不變，對比混凝土軌道板（C60混凝土預制板），對兩種計算結果對比分析。

4.2計算結果

列車荷載作用下的軌道板結構的受力如表2所示。

根據表2可知，合成軌道板在列車荷載作用下板底縱向拉應力約為混凝土軌道板的66%，板底橫向拉應力約為混凝土軌道板的82%，板底拉應力降低較為明顯；板頂縱向壓應力和板頂橫向壓應力分別約為混凝土軌道板的91%和94%，板頂應力變化不大。合成軌道板受到的縱橫向應力明顯小于混凝土軌道板。

5　結論

合成板式軌道是一種新型軌道結構形式，具有結構強度高、柔韌好，能減輕振動和噪聲等優點，在大跨度鋼橋上應用優勢明顯，有一定的發展前景。

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AbstractCompared with concrete bridge，long span steel bridge has higher requirement for track structure.T rack structure may adopt ballast bed，slab ballastless track or wood sleeper.T hese track structures have their own advantage and disadvantages.As a new type of track structure，composite slab track outweighs other types when being applied to long span bridge，due to its high structural strength and elasticity.Also，it may reduce vibration and noise，and is easier for produce and construction.In this paper，advantages and disadvantages of existed track structures were introduced.T he design of composite track slab was proposed.

Research on Track Design Plan for Long Span Steel Bridge

GAO Zengzeng
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Tianjin 300142，China）

Steel bridge；Ballastless track；Composite slab track；Structure plan；Stress calculation

U443.31+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.28

1003-1995（2016）04-0111-03

（責任審編孟慶伶）

2015-12-21；

2016-02-16

高增增（1981—），男，工程師，碩士。