新型明橋面在重載鐵路鋼梁上的應用

李保龍 曾志斌 王冬立 劉吉元

（1.朔黃鐵路發展有限責任公司，北京 100038；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

除鋼軌外，傳統的鐵路鋼梁明橋面由木橋枕、護木、K形分開式扣件、鉤螺栓等組成。木橋枕和護木均采用優質木材進行化學防腐后制成，容易腐朽和開裂，使用壽命短，不利于生態環境保護，且有害健康，木橋枕的持釘能力也較弱，難以長期有效保持軌道幾何形態［1］。K 形分開式扣件由螺紋道釘、塑料墊板、鐵墊板、T形螺栓、軌卡、螺母等組成，其采用剛性軌卡扣壓件，螺母易松弛；松緊搭配的安裝方式使得線路縱向阻力不均勻；調整鋼軌高低位置時須拆卸螺紋道釘，現場作業困難，同時影響橋枕的使用壽命；不能通過扣件調整鋼軌的左右位置［2］。將木橋枕與鋼梁有效連接的鉤螺栓由鉤頭螺桿、鐵墊片、橡膠墊片和螺母組成，在長期使用過程中螺母容易松弛［3］。既有明橋面養護維修工作量很大，當軸重和年運量較大時，大修周期顯著縮短，影響正常運營。

針對既有明橋面的種種不足，經過幾年努力，中國鐵道科學研究院集團有限公司研制出新型明橋面［4］，并成功應用于朔黃鐵路上行線南運河特大橋64 m單線鋼桁梁。

1 新型明橋面簡介

新型明橋面由復合材料橋枕及其配套扣件、復合材料護木、帶專用墊塊的鉤螺栓、護軌扣件等組成，見圖1。

圖1 新型明橋面結構組成示意

1.1 復合材料橋枕

復合材料橋枕由拉擠成型的高密度連續玻璃纖維增強發泡聚氨酯復合材料制成。基于其材料特性，提出了18 個技術參數［5］。①材料物理性能：纖維質量含量≥60%，密度（1200±60）kg/m3，吸水量≤6 mg/cm2，阻燃性HB級，擊穿電壓≥20 kV，表面電阻率≥1×1010Ω，平均線膨脹系數≤1×10-5/℃，表面邵氏硬度≥50 HD。②材料力學性能：彎曲強度≥200 MPa，彎曲彈性模量≥12 GPa，豎向壓縮強度≥120 MPa，剪切強度≥18 MPa，黏接剪切強度≥18 MPa（母材破壞），沖擊韌性≥10 J/cm2，耐候老化、鹽霧老化、濕熱老化后的性能保留率≥80%。③成品力學性能：螺紋道釘抗拔力≥60 kN，成品抗彎曲荷載≥1000 kN，在30 t 軸重重載列車活載反復作用200萬次后保持完好。

1.2 復合材料護木

復合材料護木由拉擠成型的連續玻璃纖維增強發泡聚氨酯復合材料制成，纖維質量含量≥60%，密度（800±40）kg/m3，吸水量≤10 mg/cm2，阻燃性HB 級，彎曲強度≥70 MPa，豎向壓縮強度≥40 MPa。

1.3 復合材料橋枕配套扣件

復合材料橋枕配套扣件為彈條分開式扣件結構，鋼軌與鐵墊板間設置軌下墊板，鐵墊板與軌枕間設置摩擦因數較大的緩沖墊板。扣件由螺紋道釘、軌距塊、軌下墊板、螺母、平墊圈、彈條、T 形螺栓、鐵墊板、緩沖墊板以及方便調整鋼軌高低的軌下調高墊板組成，見圖2。通過更換彈條類型、軌下墊板和軌距塊，可適應不同縱向阻力的線路，即不小于9 kN 的常阻力、約4 kN的小阻力和約2.5 kN的超小阻力。該扣件的單股鋼軌左右位置調整范圍不小于-4～4 mm，調整級差2 mm；鋼軌高低位置調整能力不小于-2～10 mm，調整級差1 mm［3，6］。

圖2 復合材料橋枕配套扣件結構組成示意

1.4 鉤螺栓螺母下專用墊塊和護軌扣件

為了解決鉤螺栓容易松動的難題，新研制的專用墊塊由100 mm×100 mm×40 mm塊狀聚氨酯彈性體和100 mm×100 mm×10 mm 蓋板組成，通過黏結劑制成整體，中間鉆有直徑為26 mm 的同心圓孔供鉤螺栓穿過［3］，見圖3（a）。護軌扣件由橡膠墊板、扣板、彈簧墊圈和螺紋道釘組成，見圖3（b）。

圖3 鉤螺栓螺母下專用墊塊和護軌扣件結構組成示意

2 既有鋼桁梁明橋面現狀

朔黃鐵路上行線南運河特大橋（243A#橋）為單線鐵路橋，其64 m 下承式栓焊鋼桁梁位于直線、-3‰坡道上，采用原鐵道部專業設計院標準圖《L=64 m 單線鐵路栓焊下承桁梁（圖號：專橋0146）》，設計荷載為中-活載，鋼材為16 Mnq。鋼桁梁全長65.1 m，桁高11 m，節間長8 m，主桁中心距5.75 m，主桁桿件截面為焊接H 形，橋面系為縱橫梁結構，采用鋼支座，固定支座位于黃驊港方向。

鋼桁梁所在區間為無縫線路，鋪設75 kg/m 走行軌和60 kg/m 護軌，每個節間布置23根木橋枕，兩端橫梁外側各布置2 根木橋枕，共188 根木橋枕。進鋼桁梁端布置14 根木枕，出鋼桁梁端布置16 根木枕，木橋枕尺寸為3000 mm（長）×220 mm（寬）×240 mm（高），護木橫截面為120 mm×120 mm。走行軌采用K 形分開式扣件（專線3287），采取1-4-1 的松緊序列，即每隔1 個扣緊軌底的扣件，設置4 個不扣緊軌底的扣件，此外鋼桁梁活動支座端的第一根枕上扣件采用不扣緊軌底的方式。同時，鋼桁梁前3 孔和后1 孔簡支梁范圍的軌下橡膠墊板采用不銹鋼復合膠墊。護軌采用普通道釘扣壓，間隔布置。鋼桁梁上走行軌與護軌凈距為200 mm，并逐漸向鋼桁梁前后端的混凝土梁過渡至500 mm。鉤螺栓與縱梁之間采用I 式連接，即鉤螺栓和護木在橫橋向位于同一位置。木橋枕中間步行板采用寬20 cm、厚2 cm的木板拼接而成。

3 新型明橋面設計和施工

3.1 設計方案

設計范圍為64 m 鋼桁梁既有明橋面及其兩端過渡段，到混凝土枕為止。更換既有木橋枕的基本原則是保持線路標高不變，最大限度地減小工程量。

1）將鋼桁梁上188 根木橋枕更換為154 根復合材料橋枕。每個節間布置19 根3000 mm（長）×240 mm（寬）×240 mm（高）的復合材料橋枕，受橫梁頂面2 個防爬角鋼和縱梁中間上表面2 個防爬角鋼的限制，橋枕凈距為170.0，182.5 mm。端橫梁外側2 根木橋枕更換為1根3000 mm（長）×380 mm（寬）×240 mm（高）的復合材料橋枕。朔州端橋頭14 根木橋枕更換為16根復合材料橋枕，間距525 mm；黃驊港端橋頭16 根木橋枕更換為17 根復合材料橋枕，間距550 mm。橋頭均設雙枕，幾何尺寸均為3000 mm（長）×240 mm（寬）×240 mm（高）。全橋共187 根復合材料橋枕，布置見圖4。

2）橋枕兩側的木質護木更換為復合材料護木，橫截面尺寸為120 mm×120 mm，每側16根，長度為4 ～5 m，相鄰2 根護木之間搭接長度為240 mm，雙側總長137.28 m。護木刻槽深度為30 mm。

3）復合材料橋枕上走行軌扣件全部采用配套彈條分開式扣件，全橋共374 套。根據對橋梁和無縫線路鋼軌耦合的縱向阻力計算結果，選定小阻力彈條。

4）復合材料橋枕上護軌扣件全部采用螺紋道釘＋扣板的方式，軌下設橡塑墊板。

圖4 復合材料橋枕在縱梁上布置示意（單位：mm）

5）復合材料橋枕與縱梁的連接鉤螺栓及其墊圈和螺母均采用滲鋅處理，墊圈下設置專用墊塊；與防爬角鋼的連接長螺栓采用滲鋅處理。

6）復合材料橋枕中間上表面的步行板更換為拉擠成型聚氨酯復合材料步行板，采用自攻絲螺釘固定。

3.2 現場施工

復合材料橋枕和護木均在工廠內生產，包括刻槽和鉆孔。為了確定復合材料橋枕的刻槽深度和范圍，事先在橋位現場測量鋼軌頂面和縱梁頂面標高，換算得到刻槽后橋枕的實際厚度。每根橋枕都有編號。

現場施工從2019年7月28日進場準備開始，到2019年9月29日拆除作業平臺結束，實際作業64 d，包括14個施工天窗點。

施工作業的流程與更換木橋枕基本相似。首先松開換枕位置前后走行軌和護軌扣件的螺母，頂起走行軌和護軌，切斷既有護木；抽出木橋枕，按照順序安裝復合材料橋枕，落下走行軌和護軌；調整橋枕至設計位置，依次安裝扣件的緩沖墊板、鐵墊板和軌下墊板，并調整其位置，再安裝軌距塊、T形螺栓、彈條、墊圈和螺母（先不擰到位），臨時固定鐵墊板位置；用裝有麻花鉆頭的電鉆在鐵墊板上4 個孔位豎直鉆孔，保證孔深超過螺紋道釘安裝深度至少2 mm，且保證孔壁垂直于橋枕表面，孔鉆好后清理干凈孔內粉渣；用電動扳手擰入螺紋道釘，施擰時保證道釘的垂直度；按照設計扭矩擰緊螺母；按照相似步驟安裝護軌扣件；檢查線路，調整線路標高、軌距和軌向，恢復線路慢行通車。

4 使用效果檢測

4.1 主要構件動應力和鋼桁梁動力性能

新型明橋面使用前后分別對鋼桁梁的縱梁和橫梁應力、跨中橫向振幅和豎向振幅、自振頻率進行了測試，測試結果為：

1）換枕前后實測縱梁下翼緣最大拉應力分別為61.13 MPa 和62.03 MPa，2 個測點拉應力平均值最大分別為55.44 MPa和55.61 MPa。

2）換枕前后實測橫梁上翼緣最大壓應力分別為56.70 MPa 和57.33 MPa，2 個測點壓應力的平均值最大分別為52.50 MPa和55.23 MPa。

3）換枕前后實測主桁跨中最大橫向振幅分別為1.815 mm 和3.778 mm，均小于鐵運函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規范》規定的通常值5.059 mm。

4）換枕前后實測主桁跨中最大豎向振幅分別為2.050 mm和1.737 mm。

5）換枕前后實測鋼桁梁的橫向自振頻率均為1.875 Hz，大于鐵運函〔2004〕120號規定的通常值90/L=1.406 Hz（L為鋼桁梁跨度）。

6）換枕前實測鋼桁梁的豎向自振頻率為4.500 Hz，換枕后為4.414 Hz。

可見，新型明橋面使用前后縱梁和橫梁的動應力幾乎沒有發生變化，鋼桁梁動力性能均滿足鐵運函〔2004〕120號的要求。

4.2 線路幾何狀態

4.2.1 鋼軌軌距、水平和縱向位移

TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》第6.2.1 條規定，對于vmax≤80 km/h 的正線及到發線（混凝土枕線路或木枕線路）作業驗收時軌距容許偏差管理值為-2～6 mm，水平容許偏差管理值為4 mm。

新型明橋面施工完成之后，持續3 個月定期對走形軌的軌距、水平和縱向位移進行了檢測。結果表明：走形軌的軌距差為-2～2 mm，水平差最大值為3 mm，均滿足TG/GW 102—2019 第6.2.1 條規定的作業驗收標準；走形軌縱向位移最大值為4 mm，與換枕前的檢測結果基本相當。

4.2.2 軌道動態幾何不平順

TG/GW 102—2019 第6.3.2 條規定，軌道幾何不平順動態檢測項目包括高低、軌向、軌距、水平、三角坑、復合不平順、軌距變化率、車體垂向振動加速度、車體橫向振動加速度等。

換枕前后的7月份和10月份，朔黃鐵路發展有限責任公司按照TB/T 3355—2014《軌道幾何狀態動態檢測及評定》的方法，采用綜合動態檢測車對南運河特大橋上行線64 m 單線鋼桁梁所在區段的軌道幾何不平順進行了動態檢測。檢測結果表明，2019年7月軌道質量指數為9.23，10月為7.05，在沒有對軌道進行養護維修的前提下，減小了23.6%，說明更換復合材料橋枕后軌道幾何不平順得到了改善。兩次綜合檢測的波形見圖5。結果顯示換枕前后除個別峰值超限外，均滿足TG/GW 102—2019的規定。

圖5 換枕前后軌道動態幾何不平順波形圖

5 結語

除鋼軌外，新型明橋面由復合材料橋枕及其配套扣件、復合材料護木、鉤螺栓及其專用墊塊、護軌扣件等組成，其各項性能指標均優于既有明橋面。以朔黃鐵路南運河特大橋上行線64 m 單線鋼桁梁為工程案例，將其木橋枕、木質護木、K 形分開式扣件等更換為新型明橋面，自2019年9月下旬投入使用至今，已經通過了超過3億t的貨運量考驗，鋼桁梁主桁構件的動應力和動力性能、軌道幾何形態均滿足現行鐵路規范和標準的要求。使用新型明橋面可以大幅度減小養護維修工作量，減少對正常運營的影響，顯著降低生命周期成本，具有廣闊的推廣應用前景。