城市軌道交通高架段線路接觸軌膨脹接頭安裝曲線優化研究

周 韜

(重慶軌道交通設計研究院有限責任公司， 401120， 重慶∥工程師)

1 高架段線路接觸軌膨脹接頭安裝曲線概述

作為城市軌道交通牽引供電方式之一的第三軌，多采用鋼鋁復合接觸軌。鋼鋁復合接觸軌一般在錨段間設置膨脹接頭，來保證鋼鋁復合軌既可自由伸縮，又可正常向城市軌道交通車輛供電。膨脹接頭可視為一個具備機械連接、電氣連接、補償供電線路伸縮的元件[1]，一般采用預留空間間隙的方案來進行補償。膨脹接頭的空間間隙需滿足2個方面的要求：①車輛受流器可平滑地滑入及滑出，并可靠取流：②接觸軌錨段間無應力，即空間間隙值大于錨段整體伸縮量[2]。

膨脹接頭安裝曲線主要體現為膨脹接頭在不同軌條溫度條件下預留的空間間隙值a(如圖1所示)，以保證線路運營后接觸軌在各種工況條件下不會出現錨段間膨脹接頭補償不足的情況。

圖1 接觸軌膨脹接頭預留空間間隙示意圖

傳統的接觸軌膨脹接頭安裝曲線一般針對接觸軌工程全線統一給出，只考慮接觸軌本身溫度升高的情況，并根據工程實際經驗預留了安裝余量，如圖2所示。

與地下段線路相比，高架段線路接觸軌的錨段伸縮量受外部土建因素的影響較大，該傳統做法未考慮高架段與地下段軌道工況的區別，容易發生高架段按傳統膨脹接頭安裝曲線安裝后出現補償不足的問題。因而，本文根據高架段的不同工況對膨脹接頭安裝曲線進行優化，實現高架段接觸軌錨長與膨脹接頭安裝曲線的匹配，避免因安裝曲線的不合理引起膨脹接頭無法有效補償接觸軌錨段伸縮的情況[3]。

注：L錨——接觸軌錨段長度；t——安裝時接觸軌溫度。圖2 傳統的接觸軌膨脹接頭安裝曲線

2 外部因素對高架段接觸軌錨段伸縮量的影響分析

與地下段的接觸軌相比，高架段的接觸軌由于位于高架橋梁上，其伸縮量除了與地下段一樣受軌條溫度變化影響外，還需考慮高架橋梁外部因素的影響。高架橋外部因素產生的接觸軌錨段伸縮量根據橋梁伸縮特性可分為2部分：①橋梁受環境氣溫變化發生伸縮，使接觸網產生錨段伸縮量ΔLt；②橋梁發生徐變和干燥收縮，使接觸軌產生錨段伸縮，其錨段伸縮量包含橋梁干燥收縮引起接觸軌的伸縮量ΔLs和橋梁徐變引起的接觸軌的收縮量ΔLe。因此，需要對這2部分的錨段伸縮量進行研究，并根據研究結果對膨脹接頭安裝曲線進行修正。

2.1 因外部因素引起錨段伸縮的計算原理

對于多跨連續橋梁而言，由于城市軌道交通線路上列車的運行速度較高，行車密度及載重量也較大，橋梁設計時需重點考慮設置伸縮縫。而橋梁設置伸縮縫也意味著橋梁具有較大的伸縮量，在進行接觸軌設計時可結合橋梁的伸縮情況，計算橋梁伸縮等外部因素對接觸軌錨段伸縮量的影響。

根據對橋梁伸縮特性的研究[4]，ΔLt的計算式為：

ΔLt=(tmax-tmin)αL影

(1)

式中：

tmax——所在地區的最高環境溫度；

tmin——所在地區的最低環境溫度；

α——橋梁混凝土的溫度膨脹系數；

L影——橋梁伸縮等外部因素對接觸軌影響的計算長度。

根據對橋梁徐變及干燥收縮的研究[5]，ΔLs和ΔLe的計算式分別為：

ΔLs=2×10-4L影β

(2)

(3)

式中：

β——徐變、干燥收縮的遞減系數；

σp——由預應力等引起的平均軸向應力；

Ec——混凝土的彈性模量；

φ——混凝土的徐變系數，一般取2.0。

2.2 高架段錨段布置與接觸軌伸縮量計算分析

由于高架連續梁一般將伸縮縫設置于橋臺處，故連續梁的計算長度一般可視為連續梁伸縮縫間長度的一半。設高架橋單跨長度為L橋，其所對應的錨段中心錨結處在x軸(線路縱向)上的坐標為x1。結合接觸軌錨段布置情況及連續梁單跨設置情況，以及實際橋梁伸縮縫設置情況(一般設在連接處)，接觸軌的錨段伸縮量計算存在4種情況：①L橋>2L錨；②L錨

2.2.1 情況①下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況①下具體的接觸軌錨段及橋梁布置情況如圖3所示。橋梁本身對接觸軌的影響主要體現在對接觸軌中心錨結處支架的影響。本文將在外界因素影響條件下膨脹接頭呈現出來的伸縮狀態作為參照狀態，將橋梁徐變及干燥后在當地最低溫度時的伸縮量視為0，在此基礎上計算外界因素影響所產生的伸縮量。將膨脹接頭處因外部因素產生的最大伸縮量ΔL外1分為左側的ΔL外1，左和右側的ΔL外1，右，其計算式分別為：

圖3 情況①下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

式(4)、(5)合并相加后可得：

(6)

2.2.2 情況②下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況②下具體的接觸軌錨段及橋梁布置如圖4所示。膨脹接頭處因外部因素產生的最大伸縮量ΔL外2可以分為左側的ΔL外2，左和右側的ΔL外2，右，其計算式分別為：

圖4 情況②下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

(7)

(8)

式(7)、(8)相加后可得到：

(9)

2.2.3 情況③下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況③下具體的接觸軌錨段及橋梁布置如圖5所示。膨脹接頭處因外部因素產生的最大伸縮量ΔL外3可以分為左側的ΔL外3，左和右側的ΔL外3，右。其計算式分別為：

圖5 情況③下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

(10)

(11)

式(10)、(11)相加后可得到：

(12)

2.2.4 情況④下因外部因素引起的錨段伸縮量

情況④下具體的接觸軌錨段及橋梁布置如圖6所示。膨脹接頭處因外部因素產生的最大伸縮量ΔL外4可以分為左側的ΔL外4，左和右側的ΔL外4，右，其計算式分別為：

圖6 情況④下接觸軌錨段及橋梁的布置示意圖

(13)

(14)

式(13)、(14)相加后可得到：

(15)

2.3 接觸軌因高架橋外部因素引起的錨段伸縮量

基于上文的分析，結合橋梁參數及接觸軌錨段布置情況，選取L錨為45 m、60m 、75 m、90 m 4種情況，分別對每種情況下不同L橋時接觸軌因高架橋外部因素引起的錨段伸縮量進行計算，結果如表1所示。

表1 不同L橋下接觸軌因高架橋外部因素引起的錨段伸縮量

如表1所示，高架橋因外部因素對接觸軌錨段伸縮量與L橋、L錨相關。當L錨>1.33L橋時，錨段伸縮量為負值，即可認為外部因素對接觸軌錨段產生收縮影響；其他情況下外部因素對接觸軌錨段產生膨脹影響。

3 高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線修正

傳統的接觸軌膨脹接頭安裝曲線已考慮了接觸軌自身溫度升高引起的伸縮量。因此，高架段膨脹接頭安裝曲線中的實際安裝余量可結合高架橋因外部因素引起的錨段伸縮量，對安裝曲線進行修正，以避免安裝后出現補償不足的情況。

高架段進行膨脹接頭安裝設置預留間隙a時需充分考慮外部因素引起錨段的伸縮量。由表1可知，高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線的修正跟L橋有關。針對不同L橋下得到修正后的安裝曲線如圖7所示。

如圖7中所示，在不同L橋下，高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線的修正有所不同。L橋在20～60 m時，為保證錨段可自由伸縮，膨脹接頭在85 ℃時a為5～15 mm，總體上可以認為L橋每增加10 m，在85 ℃時a需增加2～3 mm。

就高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線而言，其與傳統的膨脹接頭安裝曲線相比，接觸軌錨段均存在因接觸軌自身溫度變化產生的伸縮影響，其安裝曲線的斜率僅受錨段長度影響。

傳統安裝曲線在85 ℃時a一般固定為10 mm。由于高架段接觸軌錨段伸縮量受到外部因素影響，當20 m≤L橋≤60 m時，修正后的高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線根據L橋的情況，其膨脹接頭在85 ℃時的a為5～15 mm。a隨L橋增加呈現線性增加。

4 結論

1) 高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線需綜合考慮高架橋的單跨長度及錨段長度，在橋梁單跨長度不同時，不同工況下的安裝曲線存在一定的差異，需綜合考慮錨段長度與橋梁單跨長度的關系修正安裝曲線。

2) 當橋梁單跨長度在20～60 m范圍時，高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線在85 ℃時的預留間隙值與橋梁單跨長度存在一定的線性關系。

此外，本文主要從理論上分析了高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線的情況，而在城市軌道交通線路的建設及運營過程中，還有如車輛振動沖擊等其他因素的影響，且橋梁的外部因素對接觸軌膨脹伸縮量的影響是一個長期的過程，應根據實測結果實時對高架段接觸軌膨脹接頭安裝曲線進行進一步的修正，并應根據實際運營情況采用更換膨脹接頭型號等多種方案，以保證高架段接觸軌的正常運行。

a) L橋=20 m時

c) L橋=40 m時