蕪湖長江大橋無縫線路設計研究

黃 行 上海鐵路局工務處

蕪湖長江大橋2000年9月28日開通建成，為雙線公鐵兩用橋，大橋全長 10.527 km，里程標 K210＋500～K221＋824.54。橋上軌道最小曲線半徑1 001 m、限制坡度上行6‰、下行4‰，橋跨結構較為復雜，沒計活載為“中－活載”，橋跨組成為：240孔混凝土簡支梁、一聯混凝土連續梁、一聯混凝土連續鋼構梁、六聯大跨度連續鋼桁梁。

目前，混凝土梁橋上軌道為：有碴軌道、Ⅱ型橋枕，間距1 760根/km、Ⅰ型彈條扣件；鋼桁梁上軌道為木枕明橋面，K型扣件，橋上鋼軌為50 kg/m短鋼軌，并設有護軌。為滿足既有線提速的需要，我們開展了對該大橋鋪設無縫線路的研究。

1 主要設計參數及軌道試驗

1.1 主要設計參數

（1）軌溫。根據歷年監測，該橋最高軌溫Tmax＝61℃，最低軌溫Tmin＝-13.1℃。

（2）鋼軌鋼種采用U75V不淬火鋼軌。

（3）斷縫允許值：[λ]=10 cm。

（4）道床阻力設計參數采用：2 mm單枕橫向阻力為3.8 kN，2mm單枕縱向阻力為10.2 kN(采用小阻力扣件)。

（5）列車荷載。撓曲力計算采用“中－活載”，荷載形式如圖1所示，軌道強度計算采用SS8電力機車（速度200 km/h），如圖 2 所示。

圖1 荷載形式圖

圖2 SS8電力機車輪重荷載圖式

1.2 道床阻力測試

⑴測試地點。測試地點選在蕪湖長江大橋蕪湖岸引橋上，該地段采用Ⅱ型混凝土枕（枕間距1760根/km）、Ⅱ型彈條扣件，設置了護軌及擋碴板，枕底道碴厚度不足25 cm。

⑵測試設備及測試方法。測試設備采用道床縱橫向阻力測試儀，測試方法采用軌枕頂推方法。

⑶測試數據及整理結果。本次測試了18根軌枕的橫向力，以及20根軌枕的縱向阻力。1.2.1橫向阻力

道床橫向阻力測試數據分布如圖3所示。實測2 mm單枕橫向阻力為9.7 kN。經擬合計算，得到道床橫向阻力表達式為：

式中，Q：道床橫向阻力，單位：N/cm；Y：軌枕橫向位移，單位：mm。

擬合計算得到相關系數R2＝0.8456，可見數據的相關性較好。當Y＝2mm時，由上式可得，橫向阻力Q＝169.7 N/cm。按枕間距56.8 cm換算得到，2 mm單枕橫向阻力R2＝9.6 kN。

圖3 道床橫向阻力測試數據及擬合曲線

1.2.2 縱向阻力

道床縱向阻力測試數據分布如圖4所示。實測2 mm單枕縱向阻力為17.2 kN。經擬合計算，得到道床橫向阻力表達式為：

式中，Q：道床縱向阻力，單位：kN/m；Y：軌枕縱向位移，單位：cm。

擬合計算得到相關系數R2＝0.501，可見數據的相關性一般，具有一定的離散性。當Y＝2 mm時，由上式可得，縱向阻力Q＝29.6 kN/m。按枕間距56.8 cm換算得到，2 mm單枕縱向阻力R2＝16.8 kN。

圖4 道床縱向阻力測試數據及擬合曲線

2 橋上無縫線路設計方案

2.1 軌條布置

軌條布置由以下2部分組成：

⑴全橋每線在大跨度連續鋼桁梁梁端處設置單向鋼軌伸縮調節器，其它范圍均采用長鋼軌連接。設置調節器的鋼桁梁有：120 m+2×144 m連續鋼桁梁、3×144 m連續鋼桁梁、3×144 m 連續鋼桁梁、180 m＋312 m＋180 m 連續鋼桁梁、2×120 m連續鋼桁梁。

⑵橋上長鋼軌在小里程方延伸至合肥端橋臺外，并與路基無縫線路焊聯。橋上長鋼軌在大里程方延伸至蕪湖端橋臺外，并與路基上相距的道岔前緩沖軌聯結。

2.2 扣件及軌枕布置

（1）鋼桁梁軌道采用木枕及K型扣件。K型扣件的布置分以下2種情況：

①2×80 m連續鋼桁梁橋（即裕溪河鋼桁梁橋）在固定支座左右兩側各40 m的范圍采用“1－1－1”布置，其它范圍采用“1－5－1”。

②在120 m＋2×144 m連續鋼桁梁、3×144 m連續鋼桁梁、180 m＋312 m＋180 m 連續鋼桁梁、2×120 m連續鋼桁梁每一全聯梁范圍內，在每個伸縮縱梁斷開的所在節間范圍內“1－5－1”布置，其它范圍采用“1－1－1”布置。

（2）混凝土梁橋扣件布置：

①下行線從合肥端橋臺～蕪湖端橋臺前第11孔24 m簡支梁范圍，采用Ⅱ型預應力混凝土橋枕及“石龍橋小阻力扣件”。軌枕間距：1760根/km，“石龍橋小阻力扣件”配置不銹鋼復合墊板及小扣壓力彈條，扣件螺母扭矩為60～80 N·m。

②下行線蕪湖端橋臺前10孔24 m簡支梁范圍，采用Ⅱ型預應力混凝土橋枕及彈條Ⅱ型扣件。軌枕間距：1760根/km，扣件螺母扭矩保持 80～120 N·m。

⑶蕪湖端橋臺前為大橋C線，其橋跨：17×24 m＋3×32 m＋13×24 m＋蕪湖臺，上行線第10#墩上存在一組50軌9#道岔。鋼軌及扣件布置如下：

①在50軌道岔前后設緩沖區，采用3根12.5m短軌作緩沖軌，左右與道岔相鄰的緩沖軌采用60－50異形軌。緩沖區扣件為Ⅱ型扣件，扣件螺母扭矩保持80～120 N·m，軌枕間距：1840根/km，軌縫8 mm，采用普通凍結接頭。

②上行線從合肥端橋臺～蕪湖端橋臺前大橋C線50軌道岔無為方緩沖區軌縫范圍，采用Ⅱ型預應力混凝土橋枕及“石龍橋小阻力扣件”。軌枕間距：1840根/km，“石龍橋小阻力扣件”配置不銹鋼復合墊板及小扣壓力彈條，扣件螺母扭矩保持 60～80 N·m。

③上行線大橋C線50軌道岔蕪湖方緩沖區軌縫至路基緩沖區范圍，采用Ⅱ型預應力混凝土橋枕及Ⅱ型扣件。軌枕間距：1840根/km，橋內扣件螺母扭矩保持80～120 N·m。

⑷要求所采用的Ⅱ型預應力混凝土橋枕及木枕不能存在傷損或裂紋。

⑸橋臺兩端路基長鋼軌加強鎖定，Ⅱ型彈條扣件扭矩保持 120～150 N·m。

2.3 道床

道床臟污且石碴厚度普遍只有17～20 cm，故設計根據道床情況重新進行縱斷面設計，設計后道床厚度普遍在25 cm以上，并要求進行大機起道整修，確保道碴飽滿、密實，枕底道碴厚度在25 cm以上。道床兩側增設擋碴板，并要求碴肩道碴密實，且堆高15 cm。

2.4 鋼軌伸縮調節器

雙線共需12組單向鋼軌調節器，編號為EJ1～EJ12，上下行調節器的布置位置不同。所采用鋼軌伸縮調節器型號為DMM60型，圖號為研線0618。

2.5 緩沖區

在蕪湖端橋臺至路基上道岔前接頭的56m范圍設置緩沖區。緩沖區的設置參數為：

⑴采用2根60 kg/m、25 m長的標準短鋼軌；

⑵共設3個軌縫，設置預留軌縫寬度8 mm；

⑶采用凍結接頭，參數：6孔夾板、M27高強螺栓及螺母、扭矩≥900 N·m；

⑷除與道岔相鄰的9 m范圍采用木枕外，其它范圍采用Ⅱ軌枕、間距1840根/km，Ⅱ型彈條扣件，扣件扭矩保持120～150 N·m；

⑸道床飽滿、密實，兩側碴肩堆高15 cm。

3 鎖定軌溫設計

3.1 允許溫降

3.1.1 計算參數

荷載類型：SS8電力機車，速度：200 km/h鋼軌類型：60 kg/m

軌枕布置：1760根/km，曲線半徑R=1000 m

3.1.2 計算結果

采用TDS計算得到軌底動彎應力分布如圖5所示。鋼軌允許溫降ΔTd=69.0℃，由強度允許溫降決定。

圖5 軌底動彎應力分布如圖

3.2 允許溫升

3.2.1 計算參數

曲線半徑：1000 m

軌枕布置：1760根/km

鋼軌附加縱向壓力：0 kN/軌

鋼軌類型：60 kg/m

軌道橫向阻力型式：Ⅱ型枕（B1760）、曲線半徑R＞800 m(詳見圖 6)。

圖6 道床橫向阻力曲線

3.2.2 計算結果

采用不等變形波長理論，其計算模型及計算公式如圖1-10所示。

圖7 不等變形波長理論及計算公式

式中，P：鋼軌溫度力；E：鋼軌材料彈性模量；J：鋼軌截面對豎軸的慣性矩；f：彈性變形矢度；L：彈性變形波長；D：彈性初始彎曲率；i0：初始彎曲矢長比；l0：初始彎曲波長；Ψ、G、η: 積分系數；Q0、B、C、K、Z、N: 道床橫向阻力系數；S、θ、μ:扣件阻矩系數；R：曲線半徑。用不同的變形矢度f值進行疊代，TDS3.2計算可得到：

1股鋼軌允許壓力：P=916.9 kN/軌;允許溫升ΔTu=47.8℃;臨界溫升:Pk=82.8℃;安全系數K=1.7。

3.3 設計鎖定軌溫范圍

3.3.1 計算參數

地區：蕪湖長江大橋，最高軌溫Tmax=61℃，最低軌溫Tmin=-13℃，允許溫升ΔTu=47.8℃，允許溫降ΔTd=69.0℃，鎖定軌溫上下限幅度ΔTs=±5℃。

3.3.2 計算結果

中和溫度Te按下式計算：

計算得，中和溫度Te=32℃，設計鎖定軌溫范圍Ts=（32±5）℃（即：27～37 ℃）。最大溫升幅度ΔTumax=34.0℃≤ΔTu，最大溫降幅度ΔTdmax=50.0℃≤ΔTd。

校驗結果：合格。

3.4 斷縫檢算

3.4.1計算參數

鋼軌類型：60 kg/m，鋼軌溫降△Td=-50℃，斷縫允許值[λ]=10 cm。

3.4.2 計算結果

斷縫λ=8.3 cm≤[λ]合格。

本橋范圍內無縫線路設計鎖定軌溫范圍Ts＝(32±5)℃，最大溫升幅度ΔTumax=34.0℃≤ΔTu，最大溫降幅度ΔTdmax＝50.0℃≤ΔTd。

4 鋪設及養護注意事項

本橋無縫線路處于R1001 m曲線、混凝土簡支梁、混凝土連續梁及多聯大跨度公鐵兩用鋼桁梁橋，因此，防止曲線地段無縫線路脹軌跑道，和鋼桁梁橋長軌條及伸縮調節器是本橋無縫線路養護維修的重點。為此，施工部門及線路養護部門應注意以下幾點：

⑴首先在橋上無縫線路鋪設施工中，應遵照本設計參數進行施工，以及工程驗收。

⑵施工鎖定軌溫必須在設計鎖定軌溫范圍之內。

⑶扣件扭矩應采用扭矩扳手校核。

⑷道床肩寬、道床阻力等參數達到驗收標準。

⑸裕溪河鋼桁梁橋上及左右相鄰1孔簡支梁的范圍內不得設置工地焊接接頭。

⑹連續鋼桁梁橋上伸縮縱梁所在的節間及相鄰的1個節間范圍內不得設置工地焊接接頭。

⑺鋼軌伸縮調節器、小阻力扣件都應嚴格按相關技術條件或設計要求驗收，并嚴格按照軌條布置圖進行布設。

⑻鋼軌伸縮調節器的基本軌和尖軌應采用焊接接頭與長鋼軌相聯。

⑼小阻力扣件的調高墊板應放置于復合膠墊與軌枕之間，不得放置于復合膠墊與軌底之間。

⑽梁兩端設置鋼軌伸縮調節器的鋼桁梁橋，夏季和冬季，長鋼軌在鋼桁梁中部存在較大的溫度力（詳見本報告之六）。因此，養護維修中與無縫線路固定區相同，應注意防止脹軌和斷軌。

⑾養護維修工作應嚴格按照有關無縫線路的作業允許軌溫進行作業。

⑿養護維修作業方法的制定應使無縫線路在作業后能迅速恢復到驗收狀態為前提。

⒀橋臺外線路應加強鎖定，加大扣件扭矩，防止橋臺外線路爬行造成橋上無縫線路鎖定軌溫改變。

⒁在橋上無縫線路鋪設驗收合格后，在冬、夏季節應加強無縫線路的位移觀測。

5 鋪設效果

⑴鋪設無縫線路后，通過一年多的運營觀測，軌道結構穩定，伸縮區位移在正常范圍，無異常爬行。

⑵鋪設無縫線路后，大大減少了蕪湖長江大橋橋上軌道養護工作量。

⑶鋼軌伸縮調節器伸縮在正常范圍內。