大跨度鋼桁梁明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究

張 政,孫 立,任西沖

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室,武漢 430063)

1 工程概況

隨著我國鐵路建設(shè)的高速發(fā)展和鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)的日益完善，大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)已廣泛應(yīng)用在鐵路橋梁上。廣州南沙港鐵路為客貨共線鐵路，設(shè)計速度目標(biāo)值為120 km/h，機車軸重25 t。其中，跨洪奇瀝水道主橋為(138+360+360+138) m下承式鋼桁梁柔性拱橋，全橋長996 m，主橋橋式及橋面系如圖1～圖3所示。大跨、重載是該橋的特點，其主跨達(dá)360 m，該橋建成后將超過京滬高鐵南京大勝關(guān)長江大橋，成為目前國內(nèi)同類型橋梁最大跨度，同時也將是亞洲同類型最大跨度橋梁[1-2]。

圖1 跨洪奇瀝水道主橋橋式結(jié)構(gòu)立面(單位：m)

圖2 跨洪奇瀝水道主橋縱橫梁橋面系平面

圖3 跨洪奇瀝水道主橋縱橫梁橋面系橫斷面(單位：mm)

大跨度鋼桁梁橋通常是線路的重要節(jié)點，為提高線路的利用效率，需盡量延長橋上軌道結(jié)構(gòu)的維修周期。在總結(jié)國內(nèi)外鐵路鋼橋上軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀和各軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，針對廣州南沙港鐵路跨洪奇瀝水道特大橋，開展軌道結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和優(yōu)化研究，并對軌枕板式軌道整體穩(wěn)定性進(jìn)行了檢算。

2 大跨度鋼桁梁橋軌道結(jié)構(gòu)選型

鋼桁梁上鋪設(shè)的軌道結(jié)構(gòu)主要有明橋面枕式軌道結(jié)構(gòu)、有砟軌道以及混凝土板式無砟軌道。

2.1 明橋面枕式軌道結(jié)構(gòu)

我國早期鐵路項目明橋面多采用木枕，如津山線49號橋、京九鐵路黃河大橋及阜淮線黃河大橋等。木枕用鉤螺栓與鋼梁連接，木枕上刻槽鋪設(shè)分開式扣件，用以連接鋼軌，軌面高程需要調(diào)整或枕木與鋼梁空吊時，可在木枕與鋼梁間擠入木楔[3]。

木枕軌道結(jié)構(gòu)簡單，軌道自重較小，但其整體性較差。現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼梁橋上鋪設(shè)木枕破損嚴(yán)重，更換周期短；鉤螺栓、螺紋道釘易松動導(dǎo)致木枕結(jié)構(gòu)層間出現(xiàn)吊板病害；木枕釘孔易變形導(dǎo)致持釘能力下降，線路幾何形位保持較差，出現(xiàn)線路爬行或橋面過車時晃車病害頻繁發(fā)生[4-5]。此外，木枕耐久性差，使用壽命很短，養(yǎng)護(hù)維修工作量大。

合成枕是用玻璃長纖維和硬質(zhì)發(fā)泡氨基甲酸、氨基乙酸構(gòu)成的復(fù)合材料加工成型軌枕，其具有防腐性能好，使用壽命長，易于鉆孔、改孔，持釘能力強，養(yǎng)護(hù)維修量相對較小，施工方便等優(yōu)點，但同樣存在鉤螺栓易松動等病害[6-9]，且合成枕價格2.2～2.6萬/m3，經(jīng)濟(jì)性較差。

鋼梁明橋面用預(yù)應(yīng)力混凝土枕應(yīng)用于鐵路橋梁線路上，1988年10月首次在長大線上主梁中心距為2.4 m的沙河橋上使用，共鋪設(shè)79根工字形截面；之后在湘桂線陽江橋、東江橋以及南寧心墟橋上鋪設(shè)了經(jīng)改進(jìn)后的預(yù)應(yīng)力混凝土橋枕[10]。現(xiàn)有文獻(xiàn)未見明橋面混凝土枕后續(xù)運營狀態(tài)及養(yǎng)修情況，整體分析明橋面混凝土枕應(yīng)用較少。

2.2 有砟軌道

有砟軌道是鋼橋面上常用的軌道結(jié)構(gòu)形式，通過在橋上設(shè)置鋼筋混凝土道砟槽，槽內(nèi)進(jìn)行道砟鋪設(shè)。近年來，大跨鋼桁鐵路橋梁上大量采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，武漢天興洲長江大橋、南京大勝關(guān)長江大橋及滬漢蓉高鐵等橋都采用有砟軌道[11-12]。其具有調(diào)整能力強、便于維修的特點，但與橋面結(jié)合較為復(fù)雜，由于橋面被承砟槽覆蓋，橋面系檢查和維修困難。此外有砟軌道自重較大(約6t/單線延米)，將大幅增加橋梁工程造價，如用在主跨360 m的洪奇瀝特大橋上，經(jīng)濟(jì)性較差。

2.3 混凝土板式無砟軌道

混凝土板式無砟軌道自上世紀(jì)已應(yīng)用于俄羅斯鋼橋上，為減少養(yǎng)護(hù)維修，在鋼桁梁地段普遍采用板式無砟軌道板結(jié)構(gòu)[13-15]。德國在克爾萊因橋上鋪設(shè)了博格板式無砟軌道，板式軌道設(shè)置在鋼橋面混凝土底板的上方。該軌道由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、緩沖層組成，采用凸臺限位方式對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位[16]。

板式軌道在我國鐵路鋼橋上也有所應(yīng)用。香港青馬大橋及其下層鋪設(shè)的板式無砟軌道，軌道板下為點支撐方式，軌道板兩側(cè)設(shè)有橫向限位的角鋼擋塊，軌道板長度為5～6 m，板下與板側(cè)支撐可以提供軌道結(jié)構(gòu)所需的縱、橫向阻力，以防止大坡道地段的線路爬行。此外，武廣高速鐵路的汀泗河特大橋?qū)崿F(xiàn)了140 m鋼箱系桿拱橋上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)[17-18]。

鋼桁梁橋上采用混凝土板式無砟軌道可提高線路的平順性、降低結(jié)構(gòu)恒載，對高速行車和節(jié)約投資均有重要作用；但受鋼桁梁明橋面結(jié)構(gòu)特點的影響，傳統(tǒng)的板式無砟軌道對大跨度鋼桁梁橋適應(yīng)性較差，且施工難度較高[19-20]。

2.4 明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)

新建廣州南沙港鐵路跨洪奇瀝水道特大橋主橋采用一種新型明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)，將明橋面軌道結(jié)構(gòu)中的木枕更換為混凝土軌枕；同時為增加軌道結(jié)構(gòu)整體性、便于設(shè)置軌道結(jié)構(gòu)縱橫向限位，將2根寬軌枕預(yù)制為一體，形成軌枕板式輕型軌道結(jié)構(gòu)；并在軌枕板與鋼梁之間設(shè)置調(diào)整墊層，軌枕板、板下墊層、橋梁垂向采用高強螺栓進(jìn)行連接。

明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)主要包括基本軌、護(hù)軌、基本軌扣件、護(hù)軌扣件、混凝土軌枕板、板下墊層、高強螺栓、限位圓管等部件，如圖4所示。

圖4 明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)

軌枕板采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)，軌枕板下部設(shè)置高聚物混凝土墊層。每塊軌枕板設(shè)置一對或2對高強螺栓，將軌枕板與橋梁縱梁垂向連接，通過結(jié)構(gòu)壓緊后的層間摩擦力進(jìn)行縱橫向限位。軌枕板預(yù)留限位孔，通過焊接在鋼桁梁縱梁翼緣板上的限位圓管進(jìn)行縱橫向補充限位。

2.5 鋼桁梁上軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點對比

鋼桁梁上軌道結(jié)構(gòu)方案對比如表1所示。相較于有砟軌道，明橋面軌枕板式軌道降低了軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可有效減少橋梁設(shè)計荷載及用鋼量，提高了橋梁經(jīng)濟(jì)性；相較于傳統(tǒng)的板式無砟軌道，在保證軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，明橋面軌枕板式軌道質(zhì)量更輕、對大跨度橋梁協(xié)調(diào)變形的適應(yīng)性更強。相較于明橋面木枕軌道結(jié)構(gòu)，采用混凝土軌枕板，解決了木枕易腐朽、使用壽命短、維修量大的問題，更環(huán)保、耐腐蝕、養(yǎng)護(hù)維修成本更低；相比合成軌枕，混凝土軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)造價較低，經(jīng)濟(jì)性更好。

表1 鋼桁梁軌道結(jié)構(gòu)方案對比

明橋面軌枕板式軌道作為一種沿線路縱向長度較短的板式軌道結(jié)構(gòu)形式，采用成熟的明橋面軌道結(jié)構(gòu)理論體系，既繼承了明橋面軌道結(jié)構(gòu)對大跨度橋梁的適應(yīng)性，又克服了傳統(tǒng)明橋面軌道結(jié)構(gòu)形式的諸多缺點，同時兼顧了無砟軌道穩(wěn)定、維修量小等優(yōu)點，其在大跨度鋼桁梁明橋面上鋪設(shè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計

大跨度鋼桁梁明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)由基本軌、護(hù)軌、基本軌扣件、護(hù)軌扣件、混凝土軌枕板、板下墊層、高強螺栓、限位圓管等部分組成。

3.1 鋼軌和扣件

正線鋼軌采用60 kg/m鋼軌，護(hù)軌采用與基本軌同等級或低一級舊鋼軌。基本軌扣件采用MQ-2型扣件(圖5)，適用于客車速度200 km/h、貨車最高速度120 km/h，貨車軸重27 t鐵路，為無擋肩扣件。該扣件在軌下設(shè)置橡膠墊板或復(fù)合墊板，墊板靜剛度為(100±10) kN/mm。通過更換不同扣壓力的彈條、不同材質(zhì)的軌距塊和軌下墊板，每組扣件可分別實現(xiàn)常阻力、小阻力和超小阻力(對應(yīng)鋼軌縱向阻力分別為9，4 kN和2.5 kN)。

圖5 MQ-2型扣件組裝

目前，國內(nèi)普速鐵路明橋面扣件一般采用“K”型分開式扣件，MQ-2型扣件相比“K”型分開式扣件將扣壓件由扣板換成有彈性的彈條，可有效減少扣板松弛的情況，從而減少明橋面運營養(yǎng)護(hù)工作量。

廣州南沙港鐵路為客貨共線鐵路，設(shè)計速度120 km/h，最大軸重25 t。為滿足明橋面基本軌和護(hù)軌軌頭凈距220 mm、護(hù)軌扣件和基本軌扣件墊板凈距不小于15 mm的要求，需采用無擋肩扣件；為適應(yīng)大跨度鋼桁梁在節(jié)間斷開處鋼軌與軌下基礎(chǔ)的瞬時錯動行為，扣件需配置常阻力、小阻力和超小阻力。綜合考慮基本軌選用MQ-2型扣件，護(hù)軌采用“研線0607”型扣板式扣件。

3.2 軌枕板

軌枕板為工廠預(yù)制橫向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土等級為C60。橫截面上共布置24根φ7 mm預(yù)應(yīng)力鋼絲。軌枕板縱向下層布設(shè)20根φ12 mm鋼筋，上層布設(shè)15根φ12 mm鋼筋，橫向上、下層各設(shè)置8根φ18 mm鋼筋。軌枕板寬2 720 mm，厚240 mm，標(biāo)準(zhǔn)板長1150 mm，標(biāo)準(zhǔn)軌枕板在兩枕間設(shè)置2個φ50 mm孔，通過高強螺栓與板下墊層和縱梁相連，相鄰軌枕板板縫為50 mm。軌枕板橫向預(yù)應(yīng)力筋單根控制張拉力為42.5 kN，控制張拉應(yīng)力為1104 MPa。每塊軌枕板預(yù)留2個φ200 mm限位圓孔進(jìn)行縱橫向限位。軌枕板預(yù)應(yīng)力筋布置如圖6所示。

圖6 軌枕板預(yù)應(yīng)力筋布置(單位：mm)

每塊混凝土軌枕板包含2組承軌臺，單塊板總質(zhì)量約2 t，軌枕板橫向側(cè)部預(yù)留起吊套管。板下橫向兩側(cè)共設(shè)置12根門形筋以加強軌枕板與板下墊層的連接，使得后期運營單位養(yǎng)護(hù)維修時，能夠更快、更方便地進(jìn)行換板及板下墊層作業(yè)。

3.3 板下墊層

板下采用高聚物混凝土墊層，起到調(diào)平基礎(chǔ)、填充預(yù)制板與鋼梁縫隙和實現(xiàn)軌道超高的作用。板下高聚物混凝土墊層厚度為120 mm，如圖7所示。墊層寬度與縱梁寬度相同，縱向與板長相同，混凝土強度等級為C40。墊層內(nèi)配置單層φ6 mm鋼筋網(wǎng)片。

圖7 軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)直線和曲線地段橫斷面(單位：mm)

由于混凝土在澆注后會發(fā)生收縮，使得澆注后的混凝土與周圍相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生脫離出現(xiàn)裂縫，即調(diào)整層混凝土表面容易與預(yù)制軌道板和鋼梁之間發(fā)生分離。為保證不出現(xiàn)這種現(xiàn)象，要求混凝土墊層必須具有一定的充盈度及高粘結(jié)性能。本工程采用高聚物混凝土的高流動性可保證其充盈性，采用聚合物混凝土可實現(xiàn)高粘接性能。

3.4 限位件

大跨度鋼桁梁明橋面上軌枕板式軌道為單元結(jié)構(gòu)，需對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位，以保證軌道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。軌枕板式軌道限位件包括連接螺栓和限位圓管。

3.4.1 螺栓連接系統(tǒng)

(1)螺栓連接系統(tǒng)設(shè)計

軌枕板與鋼桁梁縱梁翼緣板之間通過10.9級M27 mm高強螺栓進(jìn)行固定連接，螺栓長470 mm，螺栓連接系統(tǒng)由高強螺栓、螺母、平墊圈、鋼墊板、絕緣緩沖墊片等部分組成。標(biāo)準(zhǔn)板有2根10.9級高強螺栓與鋼梁翼緣板連接，軌枕板與上方連接螺栓螺母間分別設(shè)置鋼墊板和絕緣緩沖墊板，螺母扭矩為750 N·m。螺栓連接系統(tǒng)設(shè)計如圖8所示。

圖8 軌枕板與鋼桁梁縱梁之間螺栓連接(單位：mm)

(2)連接螺栓限位能力檢算

軌枕板直接放置于鋼梁上，考慮最不利情況，忽略限位圓管對軌枕板的限位作用，軌枕板僅通過連接螺栓進(jìn)行限位。

①連接螺栓上拔力

在列車荷載作用下，鋼梁發(fā)生撓曲變形，通過鋼軌、扣件使相鄰梁端軌枕板螺栓產(chǎn)生上拔力，按不利情況考慮，梁端軌枕板上所有扣件的上拔力均按18 kN計算，考慮軌枕板自重影響，每個連接螺栓上拔力為36 kN。

②軌枕板與鋼梁連接穩(wěn)定性檢算

軌枕板與鋼梁之間通過摩擦型高強螺栓連接，設(shè)計選用10.9級M27高強螺栓。限位能力檢算時，MQ-2型扣件縱向阻力取9 kN/組，列車軸重Pj=250 kN，列車橫向力取H=0.8×250/2 kN=100 kN，軌枕板最大縱向受力P=4×9 kN=36 kN，混凝土與鋼梁之間摩擦系數(shù)μ=0.35。

則軌枕板縱橫向合力為

(1)

為抵抗軌枕板縱橫向力及上拔力，考慮安全系數(shù)K=1.7，每個連接螺栓預(yù)緊力為

(2)

連接螺栓預(yù)緊力小于螺栓承載力290 kN。施工最小螺栓扭矩為

T=kNd=685.09 N·m<750 N·m

(3)

式中，k為擰緊力系數(shù)，取0.15；d為螺紋公稱直徑；N為連接螺栓預(yù)緊力。

綜上可知，選用10.9級M27高強螺栓，施工螺栓扭矩控制值為750 N·m，滿足軌道板縱橫向及抗拔力穩(wěn)定性要求。

③鋼墊板下軌枕板局部受壓檢算

為減小軌枕板局部壓應(yīng)力，螺栓螺母下設(shè)置鋼墊板及絕緣緩沖墊片，鋼墊板結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 高強螺栓承壓鋼墊板細(xì)部構(gòu)造(單位：mm)

軌枕板局部壓應(yīng)力為

(4)

軌枕板聯(lián)接螺栓處局部受壓應(yīng)力滿足要求。

3.4.2 限位圓管

在縱梁與軌枕板限位孔對應(yīng)位置焊接限位圓管(圖10)，限位圓管高360 mm，圓管頂面與軌枕板上表面平齊，外徑120 mm，厚14 mm。圓管限位件與軌枕板之間填充自密實混凝土。限位圓管材質(zhì)為Q370qE，技術(shù)條件符合GB/T714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

圖10 限位圓管設(shè)計

參考GB 50917—2013《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》，鋼縱梁與混凝土軌枕板之間需考慮10～15 ℃溫差。在限位鋼管外表面包裹4～7 mm厚土工布，起緩沖和釋放一定溫度力的作用。

4 結(jié)論

新建廣州南沙港鐵路跨洪奇瀝水道特大橋采用明橋面軌枕板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了跨洪奇瀝水道特大橋軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對軌道結(jié)構(gòu)組成部分進(jìn)行了選型和優(yōu)化設(shè)計，同時對軌枕板式軌道的縱橫向穩(wěn)定性和抗拔能力進(jìn)行了檢算，主要研究結(jié)論如下。

(1)軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)采用成熟的明橋面軌道結(jié)構(gòu)理論體系，既繼承了明橋面軌道結(jié)構(gòu)對大跨度橋梁的適應(yīng)性，又克服了傳統(tǒng)明橋面軌道結(jié)構(gòu)的諸多缺點，同時兼顧無砟軌道穩(wěn)定性強、維修量小等優(yōu)點。

(2)采用預(yù)應(yīng)力混凝土寬軌枕板，軌枕板間標(biāo)準(zhǔn)間距50 mm，解決了傳統(tǒng)木枕明橋面枕間空隙過大運營養(yǎng)護(hù)人員容易踏空、木枕易腐朽、使用壽命短、維修量大的問題，且相比合成軌枕，軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)造價較低，經(jīng)濟(jì)性更好。

(3)軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)通過高強螺栓和焊接在鋼梁上的圓鋼管進(jìn)行限位，限位圓管外部設(shè)置4～7 mm土工布，軌枕結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

(4)每塊軌枕板僅包含2組承軌臺，單塊板總質(zhì)量約2 t，板兩側(cè)預(yù)留有吊裝套管，后期運營單位養(yǎng)護(hù)維修時能夠更方便地執(zhí)行換板作業(yè)。板下墊層采用高流動性和高粘接性的高聚物混凝土，能夠較好的適應(yīng)大跨度橋梁梁面施工誤差，同時也可在混凝土墊層上設(shè)置超高。

(5)洪奇瀝水道特大橋主橋采用明橋面軌枕板式軌道結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)有砟軌道極大限度減少了橋梁二期恒載，整體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較好。